Los agujeros negros se encuentran fácilmente entre los objetos más enigmáticos del Universo, y todavía hay muchas cosas que aún no sabemos sobre cómo se producen y cómo evolucionan.

Ahora, una nueva investigación sugiere una forma de encontrar «viveros» de agujeros negros con las condiciones adecuadas para generar fusiones masivas de agujeros negros.

Desde que detectamos por primera vez ondas gravitacionales en 2015, los físicos han podido usarlas para detectar una ráfaga de binary black holes (BBH) (o, agujeros negros binarios), sistemas de dos agujeros negros que se orbitan entre sí antes de fusionarse en un evento explosivo.

Gracias a esto, los astrónomos están comenzando a discernir sus propiedades, incluida una limitación peculiar de la masa: la mayoría de estos agujeros negros encerrados en una danza giratoria parecen alcanzar hasta 45 veces la masa de nuestro Sol. Pero no más masivo.

Representación artística de la fusión de dos agujeros negros. Crédito: SXS

También hay una predicción teórica de un límite de «brecha de masa superior», lo que sugiere la ausencia de agujeros negros que tienen una masa entre 50 y 135 masas solares.

Una explicación es que a medida que las supernovas colapsan en agujeros negros, producen un nivel de inestabilidad que evita la formación de binarios más pesados, por lo que estamos viendo el corte en masa.

Nacimiento de agujeros negros: Un nuevo modelo

En el nuevo estudio, un par de investigadores de la University of Birmingham en el Reino Unido y la Johns Hopkins University proponen un modelo de múltiples generaciones de fusiones de agujeros negros para llenar ese vacío.

Los investigadores escriben en su estudio:

A medida que los agujeros negros se fusionan, forman restos más pesados. Si estos restos se emparejan con otros agujeros negros y generan ondas gravitacionales, podrían potencialmente proporcionar una población detectable de binarios con una o ambas masas componentes en la brecha de masa”.

Y los investigadores también han proporcionado cálculos sobre qué tipos de ubicaciones estelares podrían producir tales fusiones generacionales de agujeros negros.

Davide Gerosa, astrofísico de la University of Birmingham, dijo en un comunicado:

Los cúmulos de estrellas – grupos de estrellas que están unidos por la gravedad – podrían actuar como viveros de agujeros negros, proporcionando un ambiente ideal para cultivar generaciones de agujeros negros. Pero para saber qué tipo de cúmulos estelares tienen más probabilidades de producirlos, primero necesitamos saber algo sobre las condiciones físicas que serían necesarias”.

Agujeros negros en cúmulos de estrellas

Para hacer esto, el par calculó la «velocidad de escape» que un cúmulo estelar necesita para poder albergar un agujero negro con una masa superior a 50 masas solares.

En otras palabras, el clúster necesita estar lo suficientemente denso como para colgarse cuando las fusiones de agujeros negros binarios crean un retroceso de las ondas gravitacionales resultantes. Si se cumplen esas condiciones, podrían ser posibles agujeros negros de hasta 130 masas solares.

Ilustración de un par de agujeros negros supermasivos. Crédito: NASA / CXC / A.Hobart

Los investigadores determinaron que la velocidad de escape tendría que ser mayor de 50 kilómetros por segundo, más de lo que alcanzan la mayoría de los grupos. Por lo tanto, se requerirían entornos particularmente densos o pesados, como los cúmulos de estrellas nucleares.

Los investigadores admiten que su modelo es relativamente simple y que tendrá que perfeccionarse aún más, y las mediciones futuras de LIGO y el detector europeo Virgo podrían ayudar con eso.

Este último estudio sugiere que los cúmulos globulares, paquetes de aproximadamente un millón de estrellas cerca del borde de las galaxias, no tendrían la velocidad de escape requerida para mantener juntas a múltiples generaciones de fusiones de agujeros negros. Los astrónomos tendrán que buscar en otros lugares sus viveros de agujeros negros.

Gerosa dijo:

La astronomía de ondas gravitacionales está revolucionando nuestra comprensión del Universo. Todos estamos esperando los próximos resultados de LIGO y Virgo para poner a prueba estas y otras predicciones astrofísicas”.

Los hallazgos de la investigación se publicarán en Physical Review D y pueden ser leídos en su totalidad en el servidor de preimpresión arXiv.org.

Fuente: University of Birmingham / Science Alert