Predicen que chirridos de agujeros negros ocurren en dos frecuencias universales

Son misteriosos, emocionantes e ineludibles: los agujeros negros son algunos de los objetos más exóticos del universo. Con los detectores de ondas gravitacionales, es posible detectar el chirrido que producen dos agujeros negros cuando se fusionan; hasta el momento se han encontrado aproximadamente 70 chirridos de este tipo.

Un equipo de investigadores del Instituto de Estudios Teóricos de Heidelberg (HITS) ahora predice que en este «océano de voces» los chirridos ocurren preferentemente en dos rangos de frecuencia universales. El estudio ha sido publicado en The Astrophysical Journal Letters.

El descubrimiento de las ondas gravitacionales en 2015, ya postulado por Einstein hace 100 años, condujo al Premio Nobel de Física de 2017 e inició el amanecer de la astronomía de ondas gravitacionales. Cuando dos agujeros negros de masa estelar se fusionan, emiten ondas gravitacionales de frecuencia creciente, la llamada señal de chirrido, que se puede «escuchar» en la Tierra. Al observar esta evolución de frecuencia (el chirrido), los científicos pueden inferir la llamada «masa de chirrido», una combinación matemática de las dos masas de agujeros negros individuales.

Hasta ahora, se ha asumido que los agujeros negros que se fusionan pueden tener cualquier masa. Los modelos del equipo, sin embargo, sugieren que algunos agujeros negros vienen en masas estándar que luego dan como resultado chirridos universales.

«La existencia de masas chirp universales no solo nos dice cómo se forman los agujeros negros», dice Fabian Schneider, quien dirigió el estudio en HITS, «también se puede usar para inferir qué estrellas explotan en supernovas». Aparte de eso, proporciona información sobre el mecanismo de la supernova, la física nuclear y estelar incierta, y proporciona una nueva forma para que los científicos midan la expansión cosmológica acelerada del universo.

Graves consecuencias para el destino final de las estrellas

Los agujeros negros de masa estelar con masas de aproximadamente 3 a 100 veces nuestro sol son los puntos finales de estrellas masivas que no explotan en supernovas sino que colapsan en agujeros negros. Los progenitores de los agujeros negros que conducen a fusiones nacen originalmente en sistemas estelares binarios y experimentan varios episodios de intercambio de masa entre los componentes: en particular, ambos agujeros negros provienen de estrellas a las que se les ha quitado la envoltura.

«La eliminación de la envoltura tiene graves consecuencias para el destino final de las estrellas. Por ejemplo, facilita que las estrellas exploten en una supernova y también conduce a las masas de agujeros negros universales, como ahora predicen nuestras simulaciones», dice Philipp Podsiadlowski de Oxford. University, segundo autor del estudio y actualmente profesor invitado Klaus Tschira en HITS.

El «cementerio estelar», una colección de todas las masas conocidas de estrellas de neutrones y restos de agujeros negros de estrellas masivas, está creciendo rápidamente gracias a la sensibilidad cada vez mayor de los detectores de ondas gravitacionales y las búsquedas continuas de tales objetos. En particular, parece haber una brecha en la distribución de las masas chirp de los agujeros negros binarios que se fusionan, y surge evidencia de la existencia de picos en aproximadamente ocho y 14 masas solares. Estas características corresponden a los chirridos universales predichos por el equipo de HITS.

«Cualquier característica en las distribuciones de las masas de agujeros negros y chirridos puede decirnos mucho sobre cómo se formaron estos objetos», dice Eva Laplace, la tercera autora del estudio.

No en nuestra galaxia: agujeros negros con masas mucho más grandes

Desde el primer descubrimiento de la fusión de agujeros negros, se hizo evidente que hay agujeros negros con masas mucho más grandes que los que se encuentran en nuestra Vía Láctea. Esta es una consecuencia directa de que estos agujeros negros se originen en estrellas nacidas con una composición química diferente a la de nuestra Vía Láctea. El equipo de HITS ahora pudo demostrar que, independientemente de la composición química, las estrellas que se despojan de su envoltura en binarios cerrados forman agujeros negros de menos de nueve y más de 16 masas solares, pero casi ninguno en el medio.

En la fusión de los agujeros negros, las masas universales de los agujeros negros de aproximadamente nueve y 16 masas solares implican lógicamente masas de chirridos universales, es decir, sonidos universales.

«Al actualizar mi conferencia sobre astronomía de ondas gravitacionales, me di cuenta de que los observatorios de ondas gravitacionales habían encontrado los primeros indicios de una ausencia de masas chirriantes y una sobreabundancia exactamente en las masas universales predichas por nuestros modelos», dice Fabian Schneider. «Debido a que la cantidad de fusiones de agujeros negros observadas aún es bastante baja, aún no está claro si esta señal en los datos es solo una casualidad estadística o no».

Cualquiera que sea el resultado de las futuras observaciones de ondas gravitacionales: los resultados serán emocionantes y ayudarán a los científicos a comprender mejor de dónde provienen los agujeros negros que cantan en este océano de voces.

Con información de The Astrophysical Journal Letters