Simulación muestra cómo las colisiones de estrellas alimentan los agujeros negros masivos


Es difícil predecir con certeza qué sucederá cuando las estrellas gigantes colisionen, pero las nuevas simulaciones hidrodinámicas, las primeras de su tipo, realizadas por el equipo DEMOBLACK de la Universidad de Padua en Italia, apuntan a una variedad de resultados exóticos. Esos incluyen la construcción de agujeros negros masivos en viveros estelares, donde las estrellas grandes residen juntas.

La astrofísica Michela Mapelli describirá la nueva simulación y sus predicciones el lunes 11 de abril a la 1:30 p. m. EDT durante una sesión en la Reunión de abril de 2022 de APS. La reunión híbrida se llevará a cabo en la ciudad de Nueva York y en línea. Mapelli presentará sus hallazgos virtualmente. También responderá preguntas de los medios durante una conferencia de prensa en línea a las 10 a. m. EDT el sábado 9 de abril. Además de Mapelli, el proyecto DEMOBLACK incluye a los astrofísicos Alessandro Ballone y Guglielmo Costa.

El modelo de Mapelli sugiere una respuesta a una pregunta apremiante en el campo de la astronomía de ondas gravitacionales: ¿Cómo se combinaron dos agujeros negros distantes para producir GW190521, una poderosa onda gravitacional detectada en 2019 por Advanced LIGO y Virgo? La señal de GW190521 tenía la forma característica de una fusión de agujeros negros. En este caso, fue entre dos agujeros negros progenitores con masas de 85 y 66 masas solares. Su colisión dio lugar a un remanente de agujero negro más de 140 veces más masivo que el sol.

Pero la fusión fue un rascador de cabeza. Era más grande que los agujeros negros de masa estelar, que se forman a partir de los núcleos colapsados ​​de las estrellas, y más pequeño que los supermasivos. Su masa lo llevó a una «brecha de masa», un rango en el que los físicos no estaban seguros de que pudieran formarse agujeros negros.

Mapelli y sus colaboradores predijeron por primera vez que las colisiones estelares podrían conducir a la formación de agujeros negros en la brecha de masa aproximadamente un año antes de que se anunciara la observación LIGO-Virgo. Sin embargo, no realizaron una simulación hidrodinámica hasta que aprendieron más sobre GW190521. «Nos hizo arremangarnos», dice ella.

De acuerdo con la simulación DEMOBLACK, tal gigante podría surgir cuando se unen grandes estrellas, como las que se encuentran densamente agrupadas en un vivero estelar. Simulaciones anteriores han modelado colisiones entre estrellas de masa baja y media, pero el trabajo de Mapelli, por primera vez, describe lo que sucede después de que los gigantes chocan entre sí. «Nadie ha hecho la simulación de la colisión de estrellas que son tan masivas», dice ella.

En la reunión de APS, Mapelli describirá los procesos dinámicos que pueden ser la base de la formación de agujeros negros binarios masivos en cúmulos de estrellas jóvenes. La simulación comienza con dos estrellas, una de las cuales es una secuencia principal, una estrella físicamente no evolucionada unas 40 veces más masiva que el sol. «Es principalmente hidrógeno fresco», dice ella. La otra estrella es más antigua, tiene unas 60 masas solares y tiene un núcleo compacto de helio. «Esto significa que el radio es muy grande, la masa es grande y el contraste entre la densidad del núcleo y la parte exterior es grande», dice Mapelli.

Bajo algunas suposiciones, esas estrellas podrían colapsar en un agujero negro con más de 50 masas solares. Y esos agujeros negros, a su vez, podrían formar binarios y finalmente fusionarse. Según Mapelli, este tipo de intercambios y colisiones estelares pueden generar agujeros negros binarios con más de 40 soles. Las colisiones y fusiones repetidas podrían producir agujeros negros de masas mucho mayores, que oscilan entre 100 y 10 000 veces la masa del sol.

Desde la observación de GW190521 informada en Physical Review Letters en 2020, los teóricos han buscado una explicación rigurosa de los procesos dinámicos que hay detrás. Una idea en competencia postula que el binario incluía agujeros negros primordiales, lo que significa que no surgieron de los núcleos colapsados ​​​​de las estrellas, sino que quedaron del universo primitivo. Otro, reforzado por la observación de que la fusión pudo haber producido una llamarada electromagnética, sugiere que la colisión ocurrió dentro del denso disco de gas que rodea un agujero negro supermasivo.

Mapelli dice que su trabajo no descarta esas otras explicaciones. «No estamos seguros de que esta colisión sea la única explicación posible para un evento como 190521», dice. «Esta simulación no rechaza a las otras. Necesitamos considerarlas a las tres.

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