Los núcleos galácticos están repletos de agujeros negros. A principios de este año, Se descubrieron 12 binarios de rayos X en el centro de la Vía Láctea, lo que sugirió que miles de agujeros negros pueden estar escondidos en esa región. Un estudio reciente muestra que se espera que estos agujeros negros estelares orbiten en un disco alrededor del agujero negro supermasivo central.

Las observaciones muestran que los centros de la mayoría de las galaxias albergan un agujero negro supermasivo. La inmensa gravedad de estos objetos actúa para recolectar una densa población de millones de estrellas y varios miles de agujeros negros de masa estelar en unos pocos años luz. Los astrofísicos simularon las interacciones de las órbitas estelares en estas regiones y encontraron que los agujeros negros se asientan en estructuras previamente inesperadas. Los resultados muestran que los objetos más masivos de la población estelar forman una estructura de disco grueso alrededor del agujero negro supermasivo en los núcleos galácticos.

"Anteriormente se pensaba que las órbitas de los objetos estelares ligeros y masivos se distribuían isotrópicamente alrededor del agujero negro supermasivo. Ahora entendemos que las estrellas masivas y los agujeros negros normalmente se segregan en un disco, "dijo Ákos Szölgyén de la Universidad de Eötvös, Hungría, quien dirigió el estudio que se ha publicado en la revista Cartas de revisión física .

Szölgyén y su Ph.D. asesor Bence Kocsis en la Universidad de Eötvös, Hungría, incorporaron un efecto adicional importante en su simulación, a saber, relajación resonante vectorial. Este efecto representa un pequeño componente del torque gravitacional entre los objetos en órbita que se acumula durante millones de años y se vuelve dominante en escalas de tiempo largas. Como consecuencia, los planos orbitales de los objetos alrededor del agujero negro supermasivo giran lentamente.

"A diferencia de un enjambre de abejas alrededor de una colmena, las estrellas vuelan alrededor del centro galáctico de una manera más ordenada:a lo largo de trayectorias elípticas en precesión, cada uno confinado a un avión, respectivamente. Las interacciones entre tales órbitas planas reorganizan lentamente sus orientaciones durante millones de años, "explicó Bence Kocsis.

Los investigadores simularon las interacciones de las órbitas estelares en cúmulos de estrellas nucleares a lo largo de la historia cósmica desde su formación.

"Según nuestro conocimiento actual, Los cúmulos de estrellas nucleares pueden formarse de dos formas diferentes. El primero sugiere que el gas voló hacia el centro de la galaxia y formó estrellas in situ alrededor del agujero negro supermasivo. El otro modelo asume que los antiguos cúmulos globulares formaron una espiral hacia el centro galáctico donde las fuerzas de marea del agujero negro supermasivo los desgarraron y poblaron la región central con su contenido estelar. Es probable que ambos procesos fueran igualmente importantes en la formación del cúmulo estelar nuclear, "dijo Ákos Szölgyén.

En ambos modelos, las órbitas estelares iniciales formaron discos alrededor del agujero negro supermasivo central. La orientación de estos discos está determinada por la dirección desde la cual el gas o los cúmulos globulares que caen se acercaron al centro. Con el tiempo, estos discos de estrellas interactúan gravitacionalmente y la suposición anterior era que finalmente se disuelven. Sin embargo, las estrellas más masivas, que finalmente se convierten en agujeros negros, se hunden a órbitas de inclinación más bajas en el disco de manera similar a cómo las partículas más masivas se hunden hasta el fondo de un contenedor. Los físicos descubrieron este fenómeno en las simulaciones y encontraron que los discos de objetos masivos pueden tener una vida larga.

"Mientras que el sistema estelar evoluciona para llenar la región disponible del espacio como gas en un contenedor, algunos de sus componentes, es decir, los objetos masivos, no puede alcanzar la distribución esférica más desordenada. La interacción gravitacional entre ellos hace que estos objetos se asienten en un estado de entropía más baja, ", explicó Bence Kocsis." Esto es muy similar al proceso de ruptura espontánea de la simetría conocido en la física de partículas y en la física de la materia condensada ".

También investigaron qué sucede con los objetos estelares ligeros y de masa intermedia en esta región. Mientras que las órbitas de los objetos de masa intermedia, como estrellas tipo B, mostró una pequeña cantidad de anisotropía, los cálculos mostraron que los objetos ligeros, como estrellas antiguas de la secuencia principal como el Sol, estrellas de neutrones, y las enanas blancas se comportan de manera fundamentalmente diferente. Los objetos estelares ligeros alcanzaron una distribución esférica en el núcleo galáctico en la simulación. Estos resultados son consistentes con las observaciones del centro de la Vía Láctea en las cercanías del agujero negro supermasivo central con una población esférica de viejas estrellas de baja masa. una distribución anisotrópica de estrellas B, y un disco deformado de jóvenes estrellas masivas.

Aunque solo hay una docena de candidatos a agujeros negros conocidos en el Centro Galáctico, los investigadores concluyen que los agujeros negros, que son típicamente más masivas que las estrellas que se esconden dentro del disco de estrellas masivas.

El descubrimiento puede tener importantes implicaciones en la comprensión de la dinámica estelar de los núcleos galácticos, evolución de la galaxia, y el origen de las ondas gravitacionales.

"Si miles de agujeros negros residen en un disco alrededor del agujero negro supermasivo central, pueden deformar y perforar colectivamente las nubes de gas ambiental en núcleos galácticos activos desde los cuales se observan salidas de alta energía. Estos flujos de salida pueden afectar fundamentalmente la estructura a gran escala de la galaxia anfitriona incluso a miles de años luz de distancia. ", dijo Bence Kocsis." Pero la pregunta más emocionante es si la distribución prevista de los discos de agujeros negros puede explicar la alta tasa de fusiones observadas en ondas gravitacionales por LIGO y Virgo ".