Billar de agujeros negros en los centros galácticos

Ilustración artística de un agujero negro siendo orbitado por un grupo de agujeros negros más pequeños en el disco de gas. Crédito: J. Samsing/Niels Bohr Institute.

Un equipo de investigadores proporciona la primera explicación verosímil a por qué uno de los pares de agujeros negros más masivos observados hasta la fecha mediante ondas gravitacionales también parecía tener una órbita no circular. Su solución propuesta involucra un drama caótico triple dentro del disco de gas gigante alrededor de un agujero negro supermasivo en una galaxia muy, muy lejana.

Los agujeros negros son uno de los objetos más fascinantes en el universo, pero nuestro conocimiento sobre ellos es aún limitado, especialmente debido a que no emiten luz. Hasta hace unos pocos años, la luz era nuestra principal fuente de conocimiento sobre nuestro universo y sus agujeros negros, hasta que en 2015 el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) hizo su primera observación de ondas gravitacionales originadas de la fusión de dos agujeros negros.

“Pero, ¿cómo y dónde se forman y fusionan tales agujeros negros en nuestro universo? ¿Sucede cuanto estrellas cercanas colapsan y ambas se convierten en agujeros negros, es por encuentros casuales en cúmulos estelares, o es algo más? Estas son algunas de las preguntas claves en la nueva era de la astrofísica de ondas gravitacionales”, dice el profesor asistente Johan Samsing del Instituto Niels Bohr en la Universidad de Copenhague, autor principal del artículo.

Ahora, Samsing y sus colaboradores pueden haber proporcionado una pieza nueva al rompecabezas, la que posiblemente resuelve la última parte de un misterio con el que los astrofísicos han luchado los últimos años.

Descubrimiento inesperado en 2019

El misterio data de 2019, cuando un inesperado descubrimiento de ondas gravitacionales fue realizado por los observatorios LIGO y Virgo. El evento llamado GW190521 es conocido por ser la fusión de dos agujeros negros, que no solo eran más pesados de lo que anteriormente se pensaba que era físicamente posible, sino que además produjo un destello de luz.

Desde entonces, se ha dado posibles explicaciones para estas dos características, pero las ondas gravitacionales también revelaron una sorprendente tercera característica de este evento; los agujeros negros no se orbitaban entre sí en un círculo en los momentos previos a la fusión.

“El evento de ondas gravitacionales GW190521 es el descubrimiento más sorprendente hasta la fecha. Las masas de los agujeros negros y sus giros ya eran sorprendentes, pero aún más sorprendente fue que parecían no tener una órbita circular que los llevara a la fusión”, dice el coautor Imre Bartos, profesor de la Universidad de Florida.

Pero, ¿por qué una órbita no circular es tan inusual e inesperada?

“Es debido a la naturaleza fundamental de las ondas gravitacionales emitidas, que no solo lleva al par de agujeros negros más cerca para que finalmente se fusionen, sino que también actúa para redondear su órbita”, explica el coautor Zoltan Haiman, profesor de la Universidad de Columbia.

Esta observación hizo que muchos, incluyendo a Samsing, reflexionaran. “Me hizo comenzar a pensar acerca de cómo podrían ocurrir dichas fusiones no circulares con la probabilidad sorprendentemente alta que sugiere la observación”, dice Samsing.

Para bailar tango se necesitan tres

Una posible respuesta se encontraría en el duro entorno en los centros de las galaxias que albergan un agujero negro gigante de millones de veces la masa del Sol rodeado por un disco plano de gas en rotación.

“En estos entornos la velocidad y densidad típicas de los agujeros negros son tan altas que los agujeros negros más pequeños rebotan como en un juego gigante de billar y los binarios circulares amplios no pueden existir”, señala el coautor Bence Kocsis, profesor de la Universidad de Oxford.

Pero como argumenta el equipo, un agujero negro gigante no es suficiente. “Nuevos estudios demuestran que el disco de gas juega un rol importante en la captura de agujeros negros más pequeños, el que con el paso del tiempo lo mueve más cerca del centro y también más cerca uno del otro. Esto no solo implica que se encuentran y forman pares, sino que también dicho par podría interactuar con otro, un tercer agujero negro, a menudo llevando a un tango caótico con tres agujeros negros revoloteando”, explica el coautor del estudio Hiromichi Tagawa, astrofísico de la Universidad de Tohoku.

Sin embargo, todos los estudios previos hasta la observación de GW190521 indicaban que la formación de fusiones de agujeros negros excéntricos es relativamente rara. Esto naturalmente plantea la pregunta: ¿por qué la ya inusual fuente de ondas gravitacionales GW190521 también se fusiona en una órbita excéntrica?

Billar bidimensional

Todo lo que había sido calculado hasta ahora estaba basado en la noción de que las interacciones de agujeros negros tienen lugar en tres dimensiones, como se esperaba en la mayoría de los sistemas estelares considerados hasta ahora.

“Pero entonces comenzamos a pensar sobre lo que ocurriría si las interacciones de agujeros negros, en cambio, tuvieran lugar en un disco plano, que es más cercano a un entorno bidimensional. Sorprendentemente, en este límite encontramos que la probabilidad de formar una fusión excéntrica aumenta hasta cien veces, lo que lleva a que alrededor de la mitad de las fusiones de agujeros negros en tales discos posiblemente sean excéntricas”, dice Samsing.

“Y ese descubrimiento encaja increíblemente bien con la observación de 2019, que ahora apunta en la dirección de que lo que de otra manera serían propiedades espectaculares de esta fuente, no son tan extrañas, si fue creado en un disco plano de gas rodeando un agujero negro supermasivo en un núcleo galáctico”, continúa Samsing.

Esta posible solución también se suma a un problema de un siglo de antigüedad en mecánica.

“La interacción entre tres objetos es uno de los problemas más antiguos en física, que tanto Newton, como yo y otros hemos estudiado intensamente. Es increíblemente fascinante que esto parezca ahora desempeñar un rol crucial en cómo se fusionan los agujeros negros en alguno de los lugares más extremos de nuestro universo”, dice Nathan W. Leigh, coautor del estudio y profesor de la Universidad de Concepción, Chile.

Agujeros negros en discos gaseosos

La teoría del disco de gas también encaja con las explicaciones de otros investigadores para las otras dos propiedades desconcertantes de GW190521. La gran masa del agujero negro fue adquirida por sucesivas fusiones dentro del disco, aunque la emisión de luz podría originarse desde el gas en el ambiente.

“Ahora hemos demostrado que puede haber una enorme diferencia en las señales emitidas desde los agujeros negros que se fusionan en discos planos bidimensionales, en comparación con los que a menudo consideramos en sistemas estelares tridimensionales, lo que nos dice que ahora tenemos una herramienta extra que podemos usar para aprender acerca de cómo se crean y fusionan los agujeros negros en nuestro universo”, dice Samsing.

Pero este estudio es solo el comienzo.

“Las personas han estado trabajando en comprender la estructura de tales discos de gas durante muchos años, pero el problema es difícil. Nuestros resultados son sensibles a cuán plano es el disco y cómo se mueven en él los agujeros negros. El tiempo nos dirá si aprenderemos más acerca de estos discos, una vez que tengamos una población más grande de fusiones de agujeros negros, incluyendo más casos inusuales similares a GW190521. Para permitir esto, debemos construir sobre nuestro descubrimiento ahora publicado y ver a dónde nos lleva en este nuevo y emocionante campo”, concluye Haiman.

El artículo “AGN as potential factories for eccentric black hole mergers” fue publicado el 9 de marzo de 2022 en Nature.

Fuente: EurekAlert!