Una nueva investigación ha revelado que algunas colisiones de agujeros negros pueden pueden crear nuevos agujeros negros aún más masivos. Este crecimiento descontrolado puede ocurrir dentro de grupos de estrellas conocidas como cúmulos globulares.

Carl Rodríguez, astrofísico teórico del Massachusetts Institute of Technology, junto a un equipo internacional de investigadores, realizaron modelos para explicar cómo las colisiones de agujeros negros deberían funcionar de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Los investigadores encontraron que los agujeros negros inicialmente creados por estrellas dentro de cúmulos globulares deberían crecer más de 50 veces más que nuestro Sol si colisionan con otros agujeros negros.

Carl Rodríguez dijo en un comunicado:

Creemos que estos cúmulos se formaron con cientos o miles de agujeros negros que se hundieron rápidamente en el centro. Este tipo de clusters son esencialmente fábricas para agujeros negros binarios, donde tienes tantos agujeros negros colgando en una pequeña región del espacio que dos agujeros negros podrían fusionarse y producir un agujero negro más masivo. Entonces, ese nuevo agujero negro puede encontrar otro compañero y fusionar nuevamente”.

En el año 2016, el Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) realizó la primera detección de las firmas de ondas gravitacionales. De acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein, las ondas gravitacionales se liberan como energía cuando dos agujeros negros se fusionan. Las observaciones de LIGO no solo proporcionaron pruebas de ondas gravitacionales, sino que también confirmaron la existencia de agujeros negros binarios estelares.

Al final de su vida, una estrella masiva puede hacer explotar su material en una espectacular supernova. Esto puede dejar un agujero negro en el corazón de la estrella. Con un peso de aproximadamente 10 veces la masa del sol, un agujero negro estelar puede extenderse unas pocas decenas de kilómetros.

Una instantánea de una simulación que muestra el agujero negro binario formado en el corazón de un grupo denso de estrellas. Crédito: Northwestern Visualization / Carl Rodriguez

Rodríguez y sus colegas decidieron investigar cómo se comportan los agujeros negros dentro de los cúmulos globulares, colecciones compactas de estrellas que se pueden encontrar en la mayoría de las galaxias. La población de conglomerados depende del tamaño de la galaxia; las enormes galaxias elípticas pueden jactarse de tener decenas de miles de cúmulos globulares, mientras que nuestra propia Vía Láctea contiene aproximadamente 200 de tales cúmulos. Debido a que estas regiones son tan densas, los investigadores han tratado de saber si los agujeros negros que se formaron dentro de ellos podrían comportarse de manera diferente a los agujeros negros en las regiones menos pobladas.

Usando una supercomputadora, los investigadores simularon las complejas interacciones dinámicas dentro de 24 grupos estelares que van desde 200.000 a 2 millones de estrellas y en un rango de densidades y composiciones. Los científicos modelaron la evolución de estos cúmulos durante más de 12 mil millones de años, aproximadamente el tiempo que las estrellas han existido en el universo, y siguieron sus interacciones con otras estrellas y cómo los agujeros negros dentro de ellas se formaron y evolucionaron.

En el pasado, los científicos que estudiaban los agujeros negros estelares dentro de los cúmulos analizaron el fenómeno utilizando la física newtoniana, que, según Rodríguez, «funciona en el 99.9 por ciento de todos los casos». Sin embargo, estaba más interesado en los tiempos cuando la física más simple falló, y la teoría de Einstein se hizo cargo.

Rodríguez agregó:

Los pocos casos en que la teoría de la gravedad de Isaac Newton no funciona podrían ser cuando tienes dos agujeros negros zumbando uno al otro muy de cerca, lo que normalmente no sucede en la mayoría de las galaxias”.

La teoría de Newton supone que si los agujeros negros no se conectaban entre sí, se cruzarían sin ningún cambio. Pero la teoría de Newton no reconoce las ondas gravitacionales, que según predijo Einstein surgirían de dos objetos masivos, como los agujeros negros, que orbitan entre sí.

Según la teoría de la relatividad general de Einstein, los agujeros negros que pasan cerca pueden emitir un pequeño pulso de ondas gravitatorias, dijo Rodríguez. El cambio en la energía puede ser suficiente para unir los dos agujeros negros, causando que finalmente se fusionen.

La física newtoniana predice que la mayoría de los agujeros negros binarios deberían haber sido expulsados ​​del clúster por otros agujeros negros antes de que pudieran fusionarse. Al tomar en cuenta la relatividad de Einstein, sin embargo, Rodríguez y sus colegas encontraron que casi la mitad de los agujeros negros se fusionarían dentro de sus cúmulos estelares, construyendo una nueva generación de agujeros negros más masivos que los formados solo por las estrellas.

Un agujero negro binario (naranja) encuentra un único agujero negro (azul) con efectos relativistas en esta simulación. Dos agujeros negros finalmente liberan un estallido de ondas gravitacionales a medida que se fusionan, formando un nuevo agujero negro (rojo). Crédito: Carl Rodriguez

LIGO debería ser capaz de detectar fusiones entre los agujeros negros que se forman dentro de los cúmulos globulares. Investigaciones anteriores han puesto el tamaño de los agujeros negros de masa estelar entre 10 y 100 masas solares, similar a la masa de las estrellas más grandes. Sin embargo, el nuevo estudio sugiere que un agujero negro cuya masa es mayor que aproximadamente 50 masas solares probablemente no se formó a partir de estrellas individuales sino de un grupo estelar denso.

Rodríguez agregó:

Si esperamos lo suficiente, eventualmente LIGO verá algo que solo podría haber venido de estos cúmulos de estrellas, porque sería más grande que cualquier cosa que pudieras obtener de una sola estrella”.

La rapidez con que los agujeros negros están girando también afectará lo que observa LIGO.

Rodríguez agregó:

Si los dos agujeros negros están girando cuando se fusionan, el agujero negro que crean emitirá ondas gravitatorias en una dirección única, como un cohete, creando un nuevo agujero negro que puede ser disparado tan rápido como a 5.000 kilómetros por segundo. Solo se necesita una patada de unas pocas decenas a cien kilómetros por segundo para escapar de uno de estos grupos”.

Esto llevó a los científicos a determinar que el producto de una fusión de agujeros negros sería expulsado del clúster, ya que se supone que la mayoría de los agujeros negros están girando rápidamente. Sin embargo, las pocas detecciones de agujeros negros realizadas por LIGO hasta ahora solo tienen giros lentos, contradiciendo esta suposición.

Entonces, Rodríguez y sus colegas ralentizaron los giros de los agujeros negros en su simulación. Los investigadores descubrieron que con los giros lentos, casi el 20 por ciento de los agujeros negros binarios de los clusters tenían al menos un miembro que provenía de una fusión previa. Estos agujeros negros de segunda generación pueden pesar de 50 a 130 masas solares, demasiado grandes para formar una sola estrella. Rodríguez dijo que si LIGO u otros telescopios de ondas gravitacionales detectan un objeto dentro de este rango de masa, hay una buena probabilidad de que provenga de un cúmulo estelar denso en lugar de una sola estrella colapsada.

Rodríguez agregó:

Mis coautores y yo tenemos una apuesta contra un par de personas que estudian la formación de estrellas binarias que dentro de las primeras 100 detecciones LIGO, LIGO detectará algo dentro de esta brecha de masa superior. Obtendré una buena botella de vino si eso es cierto”.

El estudio científico ha sido publicado en la revista Physical Review Letters.

Edición por: Fernando T. para CodigoOculto.com – Fuente: Space | NASA

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