Una extraña fusión de agujeros negros puede ser un raro encuentro casual

La llegada de los detectores de ondas gravitacionales, ahora en número de cuatro, ha registrado un flujo constante de fusiones de agujeros negros. Por lo que podemos decir, casi todos se comportaron exactamente como esperábamos para los eventos que predijimos que producirían; .

Pero hubo un evento que, aparentemente, no correspondió del todo a las señales que esperábamos. Y los investigadores ahora especulan que fue el resultado de algo que debe ser increíblemente raro: dos agujeros negros que se encuentran en la inmensidad del espacio. Después de pasar cerca, los dos cuerpos se desviaron e inmediatamente chocaron.

Plantillas y tweets

Las colisiones de agujeros negros requieren que los dos agujeros negros estén lo suficientemente cerca uno del otro para la interacción gravitacional. Debido a que el universo es tan vasto, esto generalmente significa que son el resultado de dos estrellas masivas que se formaron como un sistema binario. Después de que las estrellas murieran y dejaran agujeros negros atrás, los dos cuerpos giraron lentamente en espiral uno hacia el otro, irradiando energía como ondas gravitacionales.

Esto da como resultado una inspiración y una fusión relativamente simples, cuyos detalles han surgido innumerables animaciones Después de LIGO primer descubrimiento de la colisión de un agujero negro.

Estos tipos de colisiones están tan bien diseñados que tenemos un gran conjunto de simulaciones que modelan tal colisión en varios detalles: diferentes masas de agujeros negros, diferentes espines, etc. Estas simulaciones proporcionan «plantillas» de los últimos momentos antes de las colisiones, cuando la producción de ondas gravitacionales se vuelve más rápida e intensa, el «chirrido» final de las ondas se eleva por encima del ruido de fondo de la Tierra. Estas plantillas nos permiten identificar rápidamente los detalles de la colisión en función de qué tan bien coinciden las señales de colisión con una de estas plantillas.

Pero la fusión, llamada GW190521, en realidad no encajaba muy bien en las plantillas, y solo encajaba mejor cuando los agujeros negros involucrados no giraban en absoluto. El chirrido fue inusualmente corto y no hay señal antes de la fusión real. Después de todo, los dos objetos involucrados en la fusión eran relativamente masivos, entre 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 probablemente sean el resultado de colisiones anteriores. Lo que hace que sea una propuesta dudosa que comiencen como parte de un sistema binario.

Entonces, un equipo de investigadores europeos decidió simular un evento que debería ser relativamente raro. los dos agujeros negros no comenzaron en órbita mutua, pero pasaron lo suficientemente cerca como para unirse gravitacionalmente.

¿Bailamos?

El término técnico propuesto por 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 se acumula la intensidad de las ondas gravitacionales que caracteriza a los sistemas binarios, los dos cuerpos que desencadenan este evento pueden experimentar un número limitado de oscilaciones de alta velocidad entre sí antes de chocar.

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

Los modelos que produjeron el chirrido que mejor coincidía con la señal GW190521 vieron un solo paso que acercó los agujeros negros, seguido de una única curva de colisión rápida. Pero la primera pasada fue lo suficientemente lejos como para que la señal fuera demasiado baja para sobresalir por encima del ruido de fondo de los detectores. Aunque es posible obtener resultados similares usando un perfil de colisión más típico con inspiración gradual, varias pruebas estadísticas indican que la captura dinámica es más probable.

Probablemente se base al menos en las propiedades de los chirridos de ondas gravitacionales. La probabilidad de que dos agujeros negros se acerquen lo suficiente como para iniciar el proceso es otra cuestión completamente diferente. Pero estos dos agujeros negros son lo suficientemente masivos como para que probablemente hayan sido creados por fusiones anteriores, lo que sugiere que esta colisión ocurrió en un cúmulo denso donde una gran cantidad de estrellas están muriendo. Entonces, el entorno puede ser más propicio para un encuentro casual de lo que podríamos esperar.

Astronomía de la naturaleza2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01813-w (Acerca de los DOI)