¿Dónde puedes encontrar un vivero de agujeros negros en el universo?

Los investigadores de ondas gravitacionales de la Universidad de Birmingham han desarrollado un nuevo modelo que podría ayudar a los astrónomos a rastrear el origen de los sistemas de agujeros negros en el Universo.

Los agujeros negros se forman después del colapso de las estrellas y posiblemente de las explosiones de supernovas. Estos objetos colosalmente densos se miden en términos de masas solares (M?), la masa de nuestro sol.

Típicamente, las estrellas solo formarán agujeros negros con masas de hasta 45 M?. Estos sistemas luego se emparejan y se fusionan, produciendo ondas gravitacionales que son observadas por los detectores LIGO y Virgo.

Sin embargo, el colapso estelar provoca inestabilidades que impiden la formación de agujeros negros más pesados, por lo que se necesita un nuevo modelo para explicar la existencia de sistemas binarios de agujeros negros con masas mayores de aproximadamente 50 M.

Se cree que estos objetos están formados por agujeros negros binarios que luego se fusionaron con otros agujeros negros. Los científicos creen que estos agujeros negros de ‘próxima generación’, formados por la fusión de sus ‘padres’, podrían ser los agujeros negros más pesados observables por LIGO y Virgo.

En un nuevo estudio, publicado en Physical Review D Rapid Communications, investigadores del Instituto de Astronomía de Ondas Gravitacionales de la Universidad de Birmingham, sugieren que las futuras detecciones de múltiples generaciones de fusiones de agujeros negros nos permitirían descubrir su lugar de nacimiento. Han producido nuevos cálculos que podrían ayudar a los astrónomos a comprender mejor estas fusiones, y dónde encontrarlas.

“Los cúmulos de estrellas – grupos de estrellas que están unidos por la gravedad – podrían actuar como ‘viveros’ de agujeros negros, proporcionando un ambiente ideal para cultivar generaciones de agujeros negros”, explica el Dr. Davide Gerosa, autor principal del artículo. “Pero para saber qué tipo de cúmulos estelares tienen más probabilidades de producirlos, primero necesitamos saber algo sobre las condiciones físicas que serían necesarias”.

El equipo cree que han encontrado parte de la solución a este rompecabezas al calcular la probable ‘velocidad de escape’ que un clúster necesita para poder albergar un agujero negro con una masa superior a 50 M? La velocidad de escape es la velocidad a la que un objeto necesitaría viajar para escapar del tirón gravitacional. Por ejemplo, un cohete que salga de la Tierra necesitaría viajar a 11 km / s (25,000 mph) para entrar en órbita.

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Cuando se fusionan, los agujeros negros reciben retrocesos o patadas. Al igual que un arma retrocede cuando se dispara una bala, los agujeros negros retroceden a medida que se emiten ondas gravitacionales. La próxima generación de agujeros negros puede formarse solo si sus padres no han sido “expulsados” del grupo, es decir, solo si la velocidad de escape del grupo es lo suficientemente grande.

El equipo calculó que observar agujeros negros con una masa superior a 50 M? sugeriría que el grupo donde vivían tenía una velocidad de escape superior a unos 50 km/s.

El coautor, el profesor Emanuele Berti, de la Universidad Johns Hopkins, explica: “Las observaciones de ondas gravitacionales brindan una oportunidad sin precedentes para comprender los entornos astrofísicos donde se forman y evolucionan los agujeros negros. Un evento muy masivo apuntaría hacia un entorno denso con gran velocidad de escape”.

¿Dónde podría encontrar este tipo de grupos densos? Muchas predicciones para LIGO y Virgo hasta ahora se concentraron en ‘cúmulos globulares’: colecciones esféricas de aproximadamente un millón de estrellas estrechamente unidas en las afueras de las galaxias. Su velocidad de escape, sin embargo, es demasiado baja. Este nuevo estudio encuentra que es poco probable que los cúmulos globulares alberguen múltiples generaciones de agujeros negros. Los astrónomos necesitarán mirar más allá: los cúmulos de estrellas nucleares, que se encuentran hacia el centro de algunas galaxias, son lo suficientemente densos y podrían proporcionar el tipo de entorno necesario para producir estos objetos.

“La astronomía de ondas gravitacionales está revolucionando nuestra comprensión del Universo”, dice el Dr. Gerosa. “Todos estamos esperando los próximos resultados de LIGO y Virgo para poner a prueba estas y otras predicciones astrofísicas”.