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La extraña fusión de agujeros negros puede haber sido un raro encuentro aleatorio

Un campo de estrellas con distorsión y dos objetos negros en el centro.
Agrandar / Simulación de dos agujeros negros al borde de una colisión.

La llegada de los detectores de ondas gravitacionales (ahora hay cuatro) ha registrado un flujo constante de fusiones de agujeros negros. Por lo que podemos decir, casi todos se han comportado exactamente como esperaríamos para el tipo de eventos que habíamos predicho que los producirían: un par de agujeros negros en órbita que gradualmente giran hacia adentro hasta que se encuentran en su centro de gravedad mutuo. .

Pero hubo un evento que aparentemente no coincidió con el tipo de señales que esperaríamos. Y los investigadores ahora sugieren que fue el producto de algo que debería ser increíblemente raro: dos agujeros negros que se encuentran en la inmensidad del espacio. Después de un solo paso cercano, los dos cuerpos se curvaron e inmediatamente chocaron.

Plantillas y chirridos

Las colisiones de agujeros negros requieren que los dos agujeros negros estén lo suficientemente cerca uno del otro para interactuar gravitacionalmente. Dado que el espacio es tan vasto, esto normalmente significaría que son el producto de dos estrellas masivas que se formaron como un sistema binario. Después de que las estrellas murieran y dejaran agujeros negros, los dos cuerpos se acercarían lentamente en espiral, irradiando energía en forma de ondas gravitacionales mientras lo hacen.

Esto conduce a una inspiración y una fusión relativamente sencillas, cuyos detalles han aparecido en innumerables animaciones a raíz de la primera detección de LIGO de una colisión de agujeros negros.

Las colisiones de este tipo están tan bien resueltas que tenemos un gran conjunto de simulaciones que modelan una colisión como esta con diferentes conjuntos de detalles: diferentes masas de agujeros negros, diferentes espines, etc. Estas simulaciones proporcionan “plantillas” de los momentos finales antes de las colisiones, cuando la producción de ondas gravitacionales se vuelve más rápida e intensa, con el “chirrido” final de las ondas elevándose por encima del ruido de fondo en la Tierra. Estas plantillas nos permiten identificar rápidamente los detalles de una colisión, en función de qué tan cerca coincidan las señales de la colisión con una de estas plantillas.

Pero una fusión llamada GW190521 realmente no se ajustaba especialmente bien a las plantillas y solo encajaba mejor si los agujeros negros involucrados no giraban en absoluto. El chirrido fue inusualmente corto y no hay señales de una señal antes de la fusión real. Finalmente, los dos objetos involucrados en la fusión eran relativamente masivos: alrededor de 50 y 80 veces la masa del Sol. Los agujeros negros de este tamaño no se forman en las supernovas (que normalmente comienzan con menos de 15 masas solares), por lo que es probable que sean productos de colisiones anteriores. Lo que hace que comenzar como parte de un sistema binario sea una propuesta cuestionable.

Entonces, un equipo de investigadores europeos decidió modelar un evento que debería ser relativamente poco común: los dos agujeros negros no comenzaron en una órbita mutua, pero pasaron lo suficientemente cerca como para engancharse gravitacionalmente entre sí.

¿Bailamos?

El término técnico para lo que proponen los autores es “captura dinámica”, lo que explica la naturaleza aparentemente repentina, similar a una ráfaga, de la señal GW190521. En lugar del enfoque gradual en el que las ondas gravitacionales aumentan de intensidad que caracteriza a los sistemas binarios, los dos cuerpos que desencadenaron este evento podrían experimentar un número limitado de oscilaciones de alta velocidad entre sí antes de una colisión.

Los investigadores modelaron una variedad de enfoques potenciales, algunos de los cuales conducirían a un enfoque gradual similar al que se observa en los sistemas binarios y otros que podrían alejar ambos agujeros negros en trayectorias alteradas. Pero entre los dos extremos hay un conjunto de resultados en los que podría tener una pequeña cantidad de pases cercanos antes de la colisión, o los dos agujeros negros podrían sumergirse directamente uno en el otro.

Los modelos que produjeron un chirrido que mejor coincidía con la señal GW190521 vieron un solo paso que acercó los agujeros negros, seguido de una sola curva rápida hacia la colisión. Pero el primer paso fue lo suficientemente distante como para que la señal fuera demasiado baja para sobresalir por encima del ruido de fondo en los detectores. Si bien es posible producir resultados similares a este usando un perfil de colisión más típico con una inspiración gradual, varias pruebas estadísticas sugieren que la captura dinámica es más probable.

Eso probablemente se base en las propiedades del chirrido de ondas gravitacionales, al menos. La probabilidad de que dos agujeros negros se acerquen lo suficiente como para desencadenar el proceso es un asunto completamente diferente. Pero estos dos agujeros negros son lo suficientemente masivos como para que probablemente hayan sido construidos por fusiones anteriores, lo que sugiere que esta colisión tuvo lugar en un cúmulo denso donde muchas estrellas masivas están muriendo. Entonces, el ambiente puede ser más favorable para un encuentro casual de lo que podríamos esperar.

Naturaleza Astronomía2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01813-w (Acerca de los DOI).

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