¿Qué son las fusiones caóticas de agujeros negros?

Los agujeros negros son uno de los objetos más fascinantes del Universo, y tambien siguen siendo un misterio para los científicos.

En una publicación de la revista “Nature”, los investigadores señalan que han encontrado una explicación de por qué uno de los pares de agujeros negros más masivos observados por ondas gravitacionales también parecía fusionarse en órbita no circular. Esta solución planteada, tiene que ver con un triple drama caótico en el interior de un disco gigante de gas alrededor de un agujero negro supermasivo en una galaxia muy lejana.

Los agujeros negros son uno de los objetos más fascinantes del Universo, y también siguen siendo un misterio para los científicos, quienes están continuamente realizando estudios y observaciones en la búsqueda de respuestas a innumerables incógnitas.

El profesor Johan Samsing, del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague (Dinamarca), autor principal del artículo. Se planteo algunas de estas preguntas: ¿cómo y en qué lugar de nuestro Universo se forman y fusionan estos agujeros negros? ¿Sucede cuando las estrellas cercanas colapsan y ambas se convierten en agujeros negros, es a través de encuentros casuales cercanos en cúmulos de estrellas, o es algo más? Samsing y sus colaboradores pueden haber proporcionado ahora una nueva pieza del rompecabezas, que posiblemente resuelva la última parte de un misterio con el que los astrofísicos han luchado durante los últimos años.

El misterio se remonta a 2019, cuando un inesperado descubrimiento de ondas gravitacionales fue realizado por los observatorios LIGO y Virgo. El evento denominado GW190521 se entiende como la fusión de dos agujeros negros, que no solo eran más pesados de lo que se creía físicamente posible, sino que además habían producido un destello de luz. "El evento de ondas gravitacionales GW190521 es el descubrimiento más sorprendente hasta la fecha. Las masas y los giros de los agujeros negros ya eran sorprendentes, pero aún lo es más el hecho de que no parezcan tener una órbita circular antes de la fusión", apunta el coautor Imre Bartos, profesor de la Universidad de Florida (Estados Unidos).

Desde entonces se han dado posibles explicaciones para estas dos características, pero las ondas gravitacionales también revelaron una tercera característica sorprendente de este evento: que los agujeros negros no orbitaron uno alrededor del otro a lo largo de un círculo en los momentos previos a la fusión. "Esto se debe a la naturaleza fundamental de las ondas gravitacionales emitidas, que no sólo acercan al par de agujeros negros para que finalmente se fusionen, sino que también actúan para circularizar su órbita", explica el coautor Zoltan Haiman, profesor de la Universidad de Columbia.

Esta observación hizo que muchas personas de todo el mundo, entre ellas Johan Samsing, de Copenhague, se preguntaran cómo estas fusiones no circulares, conocidas como excéntricas, pueden ocurrir con la sorprendente probabilidad que sugiere la observación. Una posible respuesta se encontraría en el duro entorno de los centros de las galaxias que albergan un agujero negro gigante de millones de veces la masa del Sol rodeado por un disco de gas plano y en rotación.

"En estos entornos, la velocidad y la densidad típicas de los agujeros negros son tan altas que los agujeros negros más pequeños rebotan como en una gigantesca partida de billar y no pueden existir binarias circulares amplias", señala el coautor, el profesor Bence Kocsis, de la Universidad de Oxford (Reino Unido).

"Pero entonces nos pusimos a pensar en lo que ocurriría si las interacciones de los agujeros negros tuvieran lugar en un disco plano, que se acerca más a un entorno bidimensional. Sorprendentemente, descubrimos en este límite que la probabilidad de formar una fusión excéntrica aumenta hasta 100 veces, lo que lleva a que aproximadamente la mitad de todas las fusiones de agujeros negros en tales discos puedan ser excéntricas", dice Johan Samsing.

Esta posible solución también se suma a un problema centenario de la mecánica. "La interacción entre 3 objetos es uno de los problemas más antiguos de la física, que tanto Newton como yo mismo y otros hemos estudiado intensamente. Que ahora esto parezca jugar un papel crucial en cómo se fusionan los agujeros negros en algunos de los lugares más extremos de nuestro Universo es increíblemente fascinante", dice el coautor Nathan W. Leigh, profesor de la Universidad de Concepción, en Chile. Pero este estudio es sólo el principio. "La gente ha estado trabajando en la comprensión de la estructura de estos discos de gas durante muchos años, pero el problema es difícil -señala el coautor Zoltan Haiman-. Nuestros resultados son sensibles a lo plano que es el disco y a cómo se mueven los agujeros negros en él".

"El tiempo dirá si aprenderemos más sobre estos discos, una vez que tengamos una mayor población de fusiones de agujeros negros, incluyendo casos más inusuales similares a GW190521. Para ello, debemos basarnos en nuestro descubrimiento, ahora publicado, y ver a dónde nos lleva en este nuevo y apasionante campo", concluye.


Referencia:


J. Samsing et al. AGN as potential factories for eccentric black hole mergers. Nature 2022.
DOI https://doi.org/10.1038/s41586-021-04333-1

 

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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