Una extraña fusión de agujeros negros puede haber sido un raro encuentro casual

La llegada de los detectores de ondas gravitacionales (ahora hay cuatro) ha registrado un flujo constante de fusiones de agujeros negros. Por lo que podemos decir, casi todos se han comportado exactamente como esperábamos que los eventos que predijimos los causarían: un par de agujeros negros en órbita que gradualmente giran hacia adentro hasta que se encuentran en su centro de gravedad mutuo. .

Pero hubo un evento que aparentemente no coincidió con las señales que esperábamos. Y los científicos ahora sugieren que fue el resultado de algo que debería ser increíblemente raro: dos agujeros negros que se encuentran en la inmensidad del espacio. Después de una falla cercana, los cuerpos se desviaron e inmediatamente chocaron.

Patrones y chirridos

Las colisiones de agujeros negros requieren que dos agujeros negros estén lo suficientemente cerca uno del otro para interactuar gravitacionalmente. Dado que el espacio es tan vasto, esto normalmente significaría que son el producto de dos estrellas masivas que se formaron en un sistema binario. A medida que las estrellas morían y dejaban agujeros negros atrás, los dos cuerpos giraban lentamente en espiral uno hacia el otro, irradiando energía en forma de ondas gravitacionales.

Esto conduce a una inspiración y una fusión relativamente sencillas, cuyos detalles han surgido innumerables animaciones Después de LIGO primera observación de la colisión de un agujero negro.

Este tipo de colisiones están tan bien diseñadas que tenemos una gran cantidad de simulaciones que modelan tal colisión con varios detalles: diferentes masas de agujeros negros, diferentes espines, etc. Estas simulaciones proporcionan “modelos” de los momentos finales antes de las colisiones, cuando la generación de ondas gravitacionales se vuelve más rápida y más fuerte a medida que el “chasquido” final de las ondas se eleva por encima del ruido de fondo en la Tierra. Estos modelos nos permiten identificar rápidamente los detalles de un choque en función de qué tan cerca coincidan las señales de choque con uno de estos modelos.

Pero la fusión llamada GW190521 en realidad no se ajustaba muy bien a los modelos, y solo era más adecuada si los agujeros negros asociados no giraban en absoluto. El chip era inusualmente corto y no hay señales de la señal que precedió a la fusión real. Finalmente, ambos objetivos de 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 (generalmente comienzan con menos de 15 masas solares), por lo que es probable que sean producto de colisiones anteriores. Lo que hace que iniciarlos como parte de un sistema binario sea una propuesta dudosa.

Entonces, un grupo de investigadores europeos decidió modelar lo que debería ser un evento relativamente inusual: dos agujeros negros no se lanzaron desde una órbita compartida, sino que pasaron lo suficientemente cerca como para unirse gravitacionalmente.

¿Bailamos?

El término técnico propuesto por los autores es “captura dinámica” para explicar la aparente naturaleza repentina y en ráfagas de la señal GW190521. En lugar del enfoque gradual de aumento de la fuerza de las ondas gravitacionales que caracteriza a los sistemas binarios, los dos cuerpos que desencadenan este evento podrían experimentar un número limitado de oscilaciones rápidas entre sí antes de chocar.

Los investigadores modelaron varios enfoques posibles, algunos de los cuales conducirían a un enfoque gradual similar al de los sistemas binarios, y otros que podrían alejar ambos agujeros negros en una trayectoria alterada. Pero entre estos dos extremos hay un conjunto de resultados en los que puede cometer un pequeño número de errores cercanos antes de chocar, o dos agujeros negros pueden chocar directamente entre sí.

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 sola curva rápida hacia la colisión. Pero la primera pasada fue lo suficientemente lejos como para que la señal fuera demasiado baja para destacarse del ruido de fondo de los detectores. Aunque es posible producir resultados similares a este usando un perfil de choque más típico con inspiración gradual, varias pruebas estadísticas sugieren que la captura dinámica es más probable.

Probablemente se base al menos en las características del chirrido de ondas gravitacionales. La probabilidad de que dos agujeros negros se acerquen lo suficiente como para desencadenar el proceso es un asunto completamente diferente. Pero los dos agujeros negros son lo suficientemente masivos como para que probablemente hayan sido construidos por fusiones anteriores, lo que sugiere que esta colisión ocurrió en un cúmulo denso donde muchas estrellas masivas están muriendo. Entonces, el entorno puede ser más propicio para los encuentros casuales de lo que esperamos.

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