Las ondas en el espacio-tiempo generadas por la colisión de agujeros negros nos han enseñado mucho sobre estos enigmáticos objetos.
Estas ondas gravitacionales codifican información sobre los agujeros negros: sus masas, la forma de su espiral interna entre sí, sus giros y sus orientaciones.
A partir de esto, los científicos determinaron que la mayoría de las colisiones hemos visto han estado entre agujeros negros en sistemas binarios. Los dos agujeros negros comenzaron como un binario de estrellas masivas que se convirtieron juntas en agujeros negros, luego entraron en espiral y se fusionaron.
De las aproximadamente 90 fusiones detectadas hasta ahora, sin embargo, uno se destaca como muy peculiar. Detectado en mayo de 2019, GW19052 emitió ondas de espacio-tiempo como ningún otro.
“Su morfología y estructura similar a una explosión son muy diferentes de las observaciones anteriores”. dice la astrofísica Ros sella Gamba
Ella agrega“GW190521 se analizó inicialmente como la fusión de dos agujeros negros pesados que giran rápidamente y se acercan entre sí a lo largo de órbitas casi circulares, pero sus características especiales nos llevaron a proponer otras posibles interpretaciones”.
En particular, la corta y aguda duración de la onda gravitacional
Las ondas gravitacionales son generadas por la fusión real de dos agujeros negros, como las ondas de una roca arrojada a un estanque. Pero también son generados por la espiral binaria, y la intensa interacción gravitacional envía ondas más débiles a medida que dos agujeros negros se acercan inexorablemente.
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“La forma y la brevedad, menos de una décima de segundo, de la señal asociada con el evento nos llevan a plantear la hipótesis de una fusión instantánea entre dos agujeros negros, que ocurrió en ausencia de una fase en espiral”. explica el astrónomo Alessandro Nagar del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia.
Hay más de una manera de terminar con un par de agujeros negros interactuando gravitacionalmente.
La primera es que los dos estuvieron juntos durante mucho tiempo, quizás incluso desde la formación de estrellas bebés a partir del mismo trozo de nube molecular en el espacio.
La otra es cuando dos objetos que se mueven por el espacio se cruzan lo suficientemente cerca como para engancharse gravitacionalmente en lo que se conoce como un encuentro dinámico.
Esto es lo que Gamba y sus colegas pensaron que podría haber sucedido con GW190521, por lo que diseñaron simulaciones para probar su hipótesis. Rompieron pares de agujeros negros, ajustando parámetros como la trayectoria, el giro y la masa, para intentar reproducir el extraño onda gravitacional señal detectada en 2019.
Sus resultados sugieren que los dos agujeros negros no comenzaron en un binario, sino que quedaron atrapados en la red gravitatoria del otro, tropezando dos veces en un bucle excéntrico y salvaje antes de chocar para formar uno más grande. agujero negro
“Al desarrollar modelos precisos utilizando una combinación de métodos analíticos de última generación y simulaciones numéricas, descubrimos que una fusión altamente excéntrica en este caso explica la observación mejor que cualquier otra hipótesis planteada anteriormente”. dice el astrónomo Matteo Breschi de la Universidad de Jena.
“¡La probabilidad de error es 1:4,300!”
Este escenario, dice el equipo, es más probable en una región del espacio densamente poblada, como un cúmulo de estrellas, donde tales interacciones gravitacionales son más probables.
Esto sigue la pista de descubrimientos previos sobre GW190521. Uno de los agujeros negros en la fusión se midió en alrededor de 85 veces la masa del Sol.
Según nuestros modelos actuales, los agujeros negros de más de 65 masas solares no pueden formarse a partir de una sola estrella; la única forma en que sabemos un agujero negro de esa masa puede formarse a través de fusiones entre dos objetos de menor masa.
El trabajo de Gamba y sus colegas encontró que las masas de los dos agujeros negros en la colisión se ubican en alrededor de 81 y 52 masas solares; eso es un poco más bajo que las estimaciones anteriores, pero uno de los agujeros negros todavía está fuera de la ruta de formación del colapso del núcleo de una sola estrella.
Todavía no está claro si nuestros modelos necesitan ajustes, pero las fusiones jerárquicas, en las que se forman estructuras más grandes a través de la fusión continua de objetos más pequeños, son más probable en un entorno de clúster con una gran población de objetos densos.
Los encuentros dinámicos entre agujeros negros se consideran bastante raros, y la onda gravitacional los datos recopilados por LIGO y Virgo hasta la fecha parecen respaldar esto. Sin embargo, raro no significa imposible, y el nuevo trabajo sugiere que GW190521 puede ser el primero que detectamos.
Y una primera significa que podría haber más en los próximos años. los onda gravitacional Los observatorios se están actualizando y manteniendo actualmente, pero volverán a estar en línea en marzo 2023 para una nueva serie de observación. Esta vez, los dos detectores de LIGO en EE. UU. y el detector de Virgo en Italia se unirán a KAGRA en Japón para obtener aún más poder de observación.
Más detecciones como GW190521 serían increíbles.
La investigación ha sido publicada en Naturaleza Astronomía.