La semana de los agujeros negros llega a su fin hoy (10 de mayo), y no hay mejor manera de celebrar la ocasión que con algo de ciencia sobre agujeros negros “traordinaria”.
Usando onda gravitacional mediciones realizadas por el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO), con sede en EE. UU., y los detectores Virgo y KAGRA, ubicados en Italia y Japón, respectivamente, los científicos han descubierto que las órbitas de algunos agujeros negros binarios Podría tener forma de huevo y exhibir un curioso bamboleo.
Esta investigación es más que una mera curiosidad (y una “cusa de los huevos” para descifrar algunos juegos de palabras malos relacionados con los huevos). El descubrimiento de estas órbitas de forma ovalada en sistema binario agujero negro Los sistemas podrían ayudar a los investigadores a determinar cómo se formó cada uno de estos sistemas.
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“Encontramos que se espera que la mayoría de los agujeros negros binarios estén en lo que se llama órbitas ‘cuasi circulares’. La ‘cuasi’ simplemente significa que la separación de los agujeros negros está disminuyendo con el tiempo debido a la emisión de ondas gravitacionales”. dijo a Space.com el autor principal del estudio, Nihar Gupte, del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Alemania y la Universidad de Maryland.
“Nuestro estudio muestra que algunos de los agujeros negros binarios observados podrían estar en órbitas ‘excéntricas'”, añadió Gupte. “Esto significa que los agujeros negros orbitan en forma ovalada o de ‘huevo'”.
El equipo también descubrió que la punta de esa órbita ovalada en forma de huevo podría girar a medida que los agujeros negros orbitan entre sí, dijo el investigador.
“También descubrimos que si analizas estos eventos usando un modelo no excéntrico, obtendrás
sobrestimar las masas de los agujeros negros”, añadió Gupte.
¿Qué podemos aprender de las órbitas de los agujeros negros con forma de huevo?
Gupte y sus colegas examinaron 57 pares binarios de agujeros negros detectados mediante ondas gravitacionales mediante la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA. Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo que fueron predichas por primera vez por Albert Einstein en su famosa teoría de 1915 sobre relatividad general.
La relatividad general sugiere que los objetos con masa crean una curvatura en la estructura misma del espacio y el tiempo, unidos como una entidad de cuatro dimensiones llamada “espacio-tiempo”. La gravedad surge de esta curvatura, que se vuelve más extrema a medida que aumentan las masas de los objetos. Es por eso que las estrellas tienen más influencia gravitacional que los planetas, y las galaxias tienen más influencia gravitacional que estrellas.
Einstein también predijo en esta revolucionaria teoría de la gravedad que, cuando los objetos se aceleran, envían pequeñas ondas que se irradian a través del espacio-tiempo: ondas gravitacionales. Sin embargo, estas ondas son insignificantes hasta que el dominio de objetos ultradensos como estrellas de neutrones y agujeros negros es alcanzado.
Cuando las estrellas de neutrones binarias o los agujeros negros giran entre sí, emiten constantemente ondas gravitacionales, que transportan energía fuera del sistema en forma de momento angular. La pérdida de momento angular hace que las órbitas de estos cuerpos se estrechen, acercándolos hasta que su influencia gravitacional toma el control. Finalmente, chocan y se fusionan, enviando un último chirrido agudo de ondas gravitacionales.
Einstein pensó que incluso estas ondas gravitacionales serían demasiado débiles para ser detectadas en la Tierra. Afortunadamente, en septiembre de 2015, LIGO demostró que el gran científico estaba equivocado, detectando GW150914una señal de onda gravitacional procedente de una fusión binaria de agujeros negros a más de mil millones de años luz de distancia.
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A medida que las detecciones de ondas gravitacionales continúan aumentando, científicos como Gupta están aprendiendo cómo usarlas para revelar detalles sobre los objetos que las crean, como lo demuestra esta nueva investigación.
Gupta explicó que utilizar ondas gravitacionales para comprender las órbitas de los agujeros negros binarios es similar a que los paleontólogos estudien huesos para reconstruir cómo pudieron haber vivido los dinosaurios. Por lo tanto, los físicos pueden estudiar las propiedades de la fusión de agujeros negros binarios para comprender, en primer lugar, cómo se unen los agujeros negros binarios.
Esto puede suceder de dos maneras distintas. Las interacciones dinámicas ocurren cuando un binario de agujero negro se encuentra e interactúa con otro agujero negro, o incluso con otro sistema binario de agujeros negros.
Por otro lado, los binarios podrían aislarse y formarse más simplemente a partir de dos estrellas que ya giran en círculos entre sí y que se convierten en agujeros negros, o de un agujero negro que se acerca demasiado a otro y forma un binario antes de colisionar y fusionarse.
“La idea clave es que si observamos un binario con excentricidad, probablemente proviene de una interacción dinámica”, dijo Gupta. “Estas interacciones caóticas pueden romper el binario y disparar a los agujeros negros que los constituyen fuera de su lugar. galaxias anfitrionas y cúmulos de galaxias. Pero a veces, también pueden reducir la distancia entre los dos agujeros negros, inducir excentricidad y hacer que se fusionen en escalas de tiempo cortas”.
Además de utilizar la excentricidad orbital para contar la historia de los agujeros negros binarios, el científico y su equipo también están interesados en considerar qué efecto tiene la naturaleza ovalada de las órbitas en las emisiones de ondas gravitacionales de estos sistemas.
“Cuando hay excentricidad, esto significa que en algunos puntos de la órbita los agujeros negros están más cerca unos de otros”, explicó Gupta. “Cuando los agujeros negros están más cerca unos de otros, tienen una aceleración mayor, lo que significa que emiten más ondas gravitacionales. En cambio, si están lejos, tienen una aceleración menor, lo que significa que emiten menos ondas gravitacionales.
“Así que terminas viendo pequeños puntos en la amplitud de la forma de onda. [the total pattern of gravitational waves]que ocurren a partir de la agujeros negros en movimiento ¡Cada vez más lejos el uno del otro!
La naturaleza y la historia de los agujeros negros binarios serían increíblemente difíciles de determinar sin el uso de ondas gravitacionales. Un método alternativo para comprender El origen de los agujeros negros binarios. es buscar los llamados “sobre común“eventos con astronomía estándar basada en la luz.
Estos eventos comienzan con una estrella y un agujero negro orbitando entre sí, y esa estrella crece hasta convertirse en un gigante roja. Las capas externas de la estrella hinchada crean una envoltura común alrededor de ambos ocupantes del binario, generando fricción entre el agujero negro y la estrella. Esto reduce la órbita del binario y, eventualmente, después de que el gigante rojo se haya convertido en un agujero negro, esto conduce a una fusión de agujeros negros binarios.
“El problema es que observar este período crítico es difícil con observaciones electromagnéticas. Esto se debe a que Las estrellas masivas son raras y de corta duración.por lo que las fases evolutivas críticas de las fusiones de objetos compactos ocupan una pequeña fracción de estos sistemas”, dijo Gupta. “Por otro lado, al estudiar las ondas gravitacionales, podemos comprender la Momentos finales de la fusión binaria.. Esto puede permitirnos rastrear la historia de la fusión y formular hipótesis sobre qué pudo haberla formado”.
Añadió que las ondas gravitacionales son especialmente útiles a este respecto porque son una “sonda extremadamente limpia” de eventos distantes. Esto se refiere al hecho de que estas ondas a través del espacio-tiempo pueden viajar grandes distancias sin interferencia de lo que sea que esté entre lo binario y lo binario. Tierra.
“Si bien no afirmamos que se trate de detecciones definitivas de agujeros negros binarios excéntricos, estos resultados apuntan hacia la excentricidad [in the] población existente”, dijo Gupte. “Esta es una consideración importante para el actual recorrido de observación del detector de ondas gravitacionales terrestres, así como para los futuros detectores de ondas gravitacionales terrestres y espaciales.
“En la actualidad, no tenemos suficientes datos para determinar de manera concluyente los orígenes de los agujeros negros binarios. Sin embargo, si observamos agujeros negros binarios más excéntricos en el futuro, podremos comenzar a imponer restricciones sobre qué mecanismos forman estos sistemas”.
El artículo del equipo aún no se ha publicado en una revista revisada por pares. Puede leer una preimpresión en el repositorio en línea. arXiv.