Cómo los agujeros negros danzantes se acercan lo suficiente como para fusionarse


Las numerosas fusiones de agujeros negros detectadas a través de los observatorios de ondas gravitacionales han revelado que los agujeros negros chocan entre sí con mucha más frecuencia de lo que pensábamos. Ahora, una nueva investigación sugiere una forma para que los agujeros negros se fusionen rápidamente: deben quedar atrapados en el disco de acreción de un compañero supermasivo.

Concepto de un artista que muestra un agujero negro supermasivo rodeado por un disco de gas. (Crédito de la imagen: Caltech/R. Hurt (IPAC))

Es relativamente fácil, astrofísicamente hablando, acercar dos agujeros negros. O nacen de esa manera como descendientes de un sistema estelar binario, o se encuentran al azar en las profundidades del espacio interestelar. Y una vez en órbita, pueden permanecer así, dando vueltas una alrededor de la otra sin cesar.

Incluso antes de la detección de ondas gravitatorias de la fusión de agujeros negros, los astrónomos sabían que los agujeros negros binarios en órbita eventualmente tenían un final fatal. Sabemos que las galaxias grandes crecen a partir de la fusión colectiva de muchas galaxias más pequeñas y que casi todas las galaxias del universo albergan un agujero negro gigante en su centro. Pero por lo general, cada galaxia tiene solo un agujero negro gigante, lo que nos dice que si las galaxias se fusionan, también lo harán sus agujeros negros.

Pero lograr que los agujeros negros choquen entre sí es bastante desafiante. Para acercar dos objetos en órbita, debe absorber la energía y el momento angular del sistema. Debido a que el espacio es bastante fluido, este es un trabajo difícil. Los sistemas planetarios hacen esto todo el tiempo, pero generalmente implica la emisión de radiación o la presencia de gas. Los agujeros negros no tienen esa opción.

Las ondas gravitatorias pueden extraer energía e impulso de un sistema binario, pero debido a que las ondas gravitacionales son tan débiles, este proceso funciona bien solo cuando los dos agujeros negros ya están muy cerca uno del otro. Esto se conoce como el «problema del parsec final», por el cual los astrónomos han reconocido la dificultad de acercar los agujeros negros binarios lo suficiente como para permitir que las ondas gravitacionales hagan el resto del trabajo para impulsar la fusión.

Resolviendo el problema del parsec final

A lo largo de los años, los astrónomos han ideado una variedad de formas de resolver el problema del parsec final. Estos mecanismos generalmente han involucrado la presencia de un tercer objeto mucho más allá de la órbita mutua del par binario. Si las condiciones son adecuadas, con las alineaciones y velocidades adecuadas, el tercer compañero puede tirar suavemente del binario, estirando su órbita. Ese estiramiento aumenta la elipticidad de la órbita del agujero negro binario. Con el aumento de la elipticidad, los agujeros negros comienzan a pasar más y más tiempo juntos. Una vez que alcanzan una distancia crítica, las ondas gravitacionales cierran la brecha y los agujeros negros finalmente se fusionan.

Pero ese escenario requiere una configuración precisa para el tercer acompañante, y puede que no sea suficiente. Con base en todas las observaciones de ondas gravitacionales, los astrónomos estiman que hay entre 15 y 38 fusiones de agujeros negros cada año dentro de cada gigaparsec cúbico de volumen en el universo (alrededor de 1/12000 del volumen total del universo observable), y mecanismos que dependen de un tercer compañero producen menos de la mitad de ese número.

En un nuevo artículo publicado en la base de datos de preimpresión arXiv (se abre en una pestaña nueva), los investigadores proponen una nueva forma de fusión de los agujeros negros. También utiliza una configuración un tanto específica, pero es mucho más genérica que la dependencia de un tercer compañero distante.

La configuración comienza cerca de un agujero negro supermasivo. Esta no es una idea descabellada, ya que los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de las galaxias, que están repletos de estrellas y, por lo tanto, de muchos agujeros negros más pequeños. Como ocurre con la mayoría de las cosas cerca del centro de la galaxia, probablemente podamos encontrar muchos agujeros negros binarios orbitando perezosamente el supermasivo central.

Los autores del artículo descubrieron que si el binario está inclinado con respecto a su órbita alrededor del agujero negro supermasivo, existe la posibilidad de que se produzca una fusión. Primero, el par binario necesita precesión, lo que significa que el eje de su rotación orbital se tambalea con el tiempo. Si la tasa de esa precesión coincide con el período orbital alrededor del agujero negro supermasivo central, entonces su enorme gravedad tirará regularmente del binario, lo que hará que su excentricidad aumente y aumenten las posibilidades de una fusión final.

Esta imagen muestra a Sagitario A*, el agujero negro en el centro de la Vía Láctea. (Crédito de la imagen: Colaboración EHT, CC BY-SA)

Pero ese tipo de coincidencia solo puede ocurrir si la órbita del binario alrededor del agujero negro supermasivo central es exactamente correcta, y eso tiene que ser una coincidencia muy afortunada. Afortunadamente, los autores descubrieron que la naturaleza puede encargarse de eso. Dondequiera que nazcan los agujeros negros binarios, si están en el disco del agujero negro supermasivo, migrarán lentamente hacia adentro.

No importa su órbita inicial, eventualmente encontrarán una distancia en la que su período orbital coincida con su período de precesión. Si permanecen en esa órbita el tiempo suficiente, la gravedad del agujero negro supermasivo central tendrá tiempo suficiente para aumentar la excentricidad.

Los autores encontraron que este es un escenario bastante genérico. Al ejecutar muchas simulaciones de las propiedades de los agujeros negros y las condiciones iniciales, descubrieron que los agujeros negros binarios se fusionan de forma rutinaria.

Aún no está claro si este es el mecanismo principal por el cual se realizan las fusiones, o si es solo una de las muchas formas. Independientemente, el trabajo muestra cuán complicadas pueden ser las vidas de los agujeros negros y las muchas formas en que pueden bailar en la oscuridad.

Con información de Space.com

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