Los investigadores han proporcionado la primera explicación plausible de por qué uno de los pares de agujeros negros más masivos observados hasta la fecha por las ondas gravitacionales también parecían fusionarse de una órbita no circular. Su solución sugerida, ahora publicada en la naturaleza, implica un triple drama caótico dentro de un disco gigante de gas alrededor de un agujero negro supermasivo en otra galaxia. Los agujeros negros son uno de los objetos más fascinantes del universo, pero nuestro conocimiento de ellos todavía es limitado, especialmente porque no emiten ninguna luz.
Hasta hace unos años, la luz era nuestra principal fuente de conocimiento sobre nuestro universo y sus agujeros negros, hasta que el observatorio de onda gravitacional del interferómetro láser (LIGO) en 2015 hizo su observación de avances de ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros. «¿Pero, ¿cómo y dónde en nuestro universo se forman y se fusionan tales agujeros negros? ¿Pasa cuando las estrellas cercanas se colapsan y ambos se convierten en agujeros negros, es a través de los encuentros cercanos en los grupos de estrellas, o es algo más? Estas son algunas de las preguntas clave en la nueva era de Astrofísica de onda gravitacional», dice el profesor asistente Johan Samsing del Instituto Niels Bohr en la Universidad de Copenhague, autor del Papel. Él y sus colaboradores pueden haber proporcionado una nueva pieza al rompecabezas, que posiblemente resuelve la última parte de un misterio con los que los astrofísicos han luchado durante los últimos años. Descubrimiento inesperado En 2019, el misterio se remonta a 2019, cuando los observatorios de LIGO y Virgo se hicieron un descubrimiento inesperado de ondas gravitacionales.
El evento, llamado GW190521, se entiende que es la fusión de dos agujeros negros que no solo eran más pesados de lo que se pensaba físicamente, pero también había producido un destello de luz. Desde entonces, las posibles explicaciones se han proporcionado desde entonces para estas dos características, pero las ondas gravitacionales también revelaron una tercera característica asombrosa de este evento, a saber, que los agujeros negros no se orbitan entre sí a lo largo de un círculo en los momentos antes de fusionar. «El evento Gravitational Wave GW190521 es el descubrimiento más sorprendente hasta la fecha. Las masas y giros de los agujeros negros ya eran sorprendentes, pero aún más sorprendentes fue que parecían no tener una órbita circular que conducía a la fusión», dice Co-Author Imre. Bartos, profesor de la Universidad de Florida.
Pero, ¿por qué una órbita no circular es tan inusual e inesperada? «Esto se debe a la naturaleza fundamental de las ondas gravitacionales emitidas, lo que no solo acerca el par de agujeros negros para que finalmente se fusionen, sino que también actúan para circularizar su órbita». Explica el coautor Zoltan Haiman, profesor en la Universidad de Columbia. Esta observación hizo a muchas personas de todo el mundo, incluyendo Johan Samsing en Copenhague, maravillada. «Me hizo empezar a pensar en cómo las fusiones no circulares (conocidas como» excéntricas «) pueden ocurrir con la probabilidad sorprendentemente alta, ya que sugiere la observación», dice Samsing.
Se necesita tres a Tango una posible respuesta posible en el entorno duro en los centros de galaxias que albergan un agujero negro gigante de veces la masa del sol y rodeada por un disco plano y giratorio de gas. «En estos entornos, la velocidad y la densidad típica de los agujeros negros son tan altos que los agujeros negros más pequeños se rebotan como en un juego gigante de billar y en amplios binarios circulares,» señala el profesor de coautor de la Cocida de la Universidad de Oxford. Pero a medida que el grupo argumentó además, un agujero negro gigante no es suficiente. «Los nuevos estudios muestran que el disco de gas desempeña un papel importante en la captura de agujeros negros más pequeños, lo que a lo largo del tiempo se acerca al centro y también más cerca de otro. Esto no solo implica que se reúnen y forman pares, sino que también que tal par puede interactuar con otro, tercero, agujero negro, a menudo conduciendo a un Tango caótico con tres agujeros negros que vuelan», explica el astrofísico Hiromichi Tagawa de la Universidad de Tohoku, coautor del estudio
. Sin embargo, todos los estudios anteriores hasta la observación de GW190521 indicaban que formar fusiones excéntricas de agujeros negras es relativamente rara. Esto naturalmente toma la pregunta: ¿Por qué la fuente de onda gravitacional ya inusual GW190521 también se fusionó en una órbita excéntrica? Los billares de billar de agujero negro bidimensional todo lo que se ha calculado hasta ahora se basó en la idea de que las interacciones de los agujeros negros se están llevando a cabo en tres dimensiones, como se espera en la mayoría de los sistemas estelares que se consideran hasta ahora. «Pero luego comenzamos a pensar en lo que sucedería si las interacciones de los agujeros negros se realizaran en un disco plano, lo que está más cerca de un entorno bidimensional. Sorprendentemente, encontramos en este límite de que la probabilidad de formar una fusión excéntrica aumenta hasta 100 veces, Lo que lleva a aproximadamente la mitad de todas las fusiones de los agujeros negros en tales discos, posiblemente siendo excéntricos», dice Johan Samsing y continúa: «Y ese descubrimiento se adapta increíblemente bien con la observación en 2019, que en general ahora señala en la dirección que las propiedades de otra manera espectaculares.
De esta fuente no se vuelve tan extraña, si se creó en un disco de gas plano que rodea un agujero negro supermasivo en un núcleo galáctico». Esta posible solución también se suma a un problema de siglo en la mecánica, «la interacción entre tres objetos es uno de los problemas más antiguos de la física, que tanto Newton, yo, y otros han estudiado intensamente. Que esto ahora parece jugar un papel crucial en cómo se fusionan los agujeros negros en algunos de algunos de Los lugares más extremos de nuestro universo son increíblemente fascinantes», dice la coautora Nathan W. Leigh, profesor de la Universidad de Concepción, Chile. Agujeros negros en discos gaseos La teoría del disco de gas también se adapta a otras explicaciones de los investigadores de las otras dos propiedades desconcertantes de GW190521. Las grandes masas del agujero negro se han alcanzado por fusiones sucesivas dentro del disco, mientras que la emisión de luz podría originarse desde el gas ambiente. «Ahora, ahora hemos demostrado que puede haber una gran diferencia en las señales emitidas de los orificios negros que se fusionan en los discos planos, bidimensionales, en comparación con aquellos que a quienes aquellos consideramos en sistemas estelares tridimensionales, lo que nos dice que ahora tenemos una herramienta adicional que podamos usar para aprender Cómo se crean y se fusionan los agujeros negros en nuestro universo», dice Samsing. Pero este estudio es solo el comienzo. «Las personas han estado trabajando en entender la estructura de tales discos de gas durante muchos años, pero el problema es difícil.
Nuestros resultados son sensibles a la plana que es el disco, y cómo se mueven los agujeros negros. El tiempo le dirá que aprenderemos más sobre estos discos, una vez que tengamos una población más grande de agujero negro. Fusiones, incluidos los casos más inusuales similares a GW190521. Para habilitar esto, debemos construir en nuestro descubrimiento ahora publicado, y ver dónde nos lleva en este campo nuevo y emocionante», concluye el coautor Zoltan Haiman.
