Los científicos que estudian las ondas gravitacionales creen que pueden descubrir cómo el universo creó sus agujeros negros más grandes. En lugar de formarse directamente a partir de estrellas colapsadas, estos objetos masivos parecen crecer a través de repetidas colisiones de agujeros negros dentro de cúmulos de estrellas muy poblados.
El nuevo estudio, dirigido por la Universidad de Cardiff, examinó la versión 4.0 del Catálogo de Transitorios de Ondas Gravitacionales (GWTC4) de LIGO-Virgo-KAGRA, que contiene 153 detecciones confiables de fusiones de agujeros negros.
Los investigadores se centraron en si los agujeros negros más grandes del catálogo podrían ser objetos de “segunda generación”. En este escenario, los agujeros negros formados a partir de estrellas moribundas chocan entre sí y luego se fusionan nuevamente en un entorno estelar denso donde las estrellas están un millón de veces más apretadas que alrededor de nuestro Sol.
Resultados, publicados Naturaleza Astronomíasugieren que los agujeros negros más masivos detectados por ondas gravitacionales pertenecen a una clase separada con una historia muy diferente a la de los agujeros negros más pequeños.
Las ondas gravitacionales revelan dos poblaciones de agujeros negros
“La astronomía de ondas gravitacionales ahora hace más que calcular las fusiones de agujeros negros”, explica el autor principal, el Dr. Fabio Antonini, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Cardiff.
“Está empezando a revelar cómo crecen los agujeros negros, dónde crecen y qué nos dice eso sobre la vida y la muerte de estrellas masivas. Esto es emocionante porque podemos usar la información para probar nuestra comprensión de cómo evolucionan las estrellas y los cúmulos en el Universo”.
Al analizar la señal de ondas gravitacionales, el equipo identificó dos grupos distintos:
- Una población más baja consistente con un colapso estelar normal
- Una alta población cuyas rotaciones se ven como se espera de fusiones secuenciales en densos cúmulos estelares.
Los investigadores afirman que el comportamiento de giro de los agujeros negros masivos es particularmente revelador.
“Lo que más nos sorprendió fue la claridad con la que los agujeros negros de gran masa se destacaban como una población distinta”, recuerda la coautora, la Dra. Isobel Romero-Shaw, becaria Ernest Rutherford de la Universidad de Cardiff.
“A diferencia de los sistemas de baja masa que analizamos, que típicamente eran de rotación lenta, los sistemas de gran masa son consistentes con una rotación más rápida, con orientaciones aparentemente aleatorias. Esta es la firma exacta que se esperaría si los agujeros negros se fusionaran repetidamente en densos cúmulos de estrellas.
“Esto hace que el origen del grupo sea mucho más convincente que los catálogos anteriores”.
Evidencia de la “brecha de masa” del agujero negro.
La investigación refuerza la evidencia de una misteriosa “brecha en la ingesta” predicha por los astrofísicos durante décadas. Según esta teoría, las estrellas por encima de cierto tamaño deberían explotar con tanta violencia que quedarían completamente destruidas en lugar de colapsar en agujeros negros.
Esto crearía un rango prohibido donde los agujeros negros formados directamente a partir de estrellas no deberían existir.
Los investigadores detectaron este cambio en un agujero negro con una masa aproximadamente 45 veces mayor que la del Sol.
El Dr. Antonini dijo: “En nuestro estudio encontramos evidencia de la brecha de masa de inestabilidad de pares pronosticada desde hace mucho tiempo, un rango de masa en el que no se espera que las estrellas vayan detrás de los agujeros negros. Los detectores de ondas gravitacionales han encontrado con éxito agujeros negros que se encuentran en o cerca de esa brecha, que detectamos en aproximadamente 45 masas solares.
“Entonces, la pregunta clave ahora es: ¿estos agujeros negros nos dicen que nuestros modelos de evolución estelar están equivocados, o están siendo creados de otras maneras?
“Los agujeros negros más masivos de la muestra actual parecen hablarnos de la dinámica de los cúmulos, no sólo de la evolución estelar.
“Por encima de aproximadamente 45 masas solares, la distribución del espín cambia de una manera que es difícil de explicar sólo con binarias estelares simples, pero se explica naturalmente si estos agujeros negros ya están fusionados en densos cúmulos”.
Los agujeros negros pueden ayudar a los científicos a estudiar la física nuclear
Los investigadores dicen que los descubrimientos podrían eventualmente ayudar a los científicos a investigar procesos en las profundidades de estrellas masivas.
El equipo utilizó la transición cerca de la brecha de masa para estudiar una importante reacción nuclear asociada con la quema de helio en el núcleo estelar.
“En el futuro, los datos de las ondas gravitacionales podrían ayudar a los científicos a estudiar la física nuclear, ya que el límite de masa determinado por la inestabilidad del par depende de las reacciones nucleares que tienen lugar en los núcleos de las estrellas masivas”, añadió el Dr. Fani Dosopoulou, investigador asociado de la Universidad de Cardiff.
