Los astrónomos podrían utilizar las parejas binarias de agujeros negros pequeños en un juego cósmico de “escondite” para cazar sistemas binarios de agujeros negros supermasivos mucho más grandes y, sin embargo, más esquivos. La técnica, por tanto, podría ayudar a resolver el misterio de cómo los agujeros negros supermasivos crecieron tan rápido en el universo primitivo.
Detector agujeros negros No es una tarea fácil a pesar de su reputación de temibles titanes cósmicos. Todos los agujeros negros están rodeados por un límite unidireccional que atrapa la luz llamado “horizonte de eventos” que garantiza que no emitan luz. Incluso el agujeros negros supermasivos en los corazones de galaxias con masas millones o miles de millones de veces mayores que la de El sol Sólo son “visibles” si se están alimentando de una gran cantidad de materia circundante o si están destrozando una estrella desafortunada.
Sin embargo, la luz, o “radiación electromagnética“La radiación gravitacional, como se la conoce con más precisión, es sólo un tipo de radiación. Otra es la “radiación gravitacional”, que se presenta en forma de pequeñas ondas que hacen vibrar el espacio-tiempo, llamadas “ondas gravitacionalesque la humanidad apenas está empezando a detectar. Esto significa que, en lugar de buscar pares de agujeros negros supermasivos en este juego del escondite, los astrónomos pueden escucharlos.
“Nuestra idea funciona básicamente como escuchar un canal de radio. Proponemos utilizar la señal de pares de pequeños agujeros negros de forma similar a como las ondas de radio transmiten la señal”, dijo el líder del equipo Jakob Stegmann, investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astrofísica. dijo en un comunicado“Los agujeros negros supermasivos son la música que está codificada en la modulación de frecuencia (FM) de la señal detectada”.
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Pequeño agujero negro canta soprano
Las ondas gravitacionales son un concepto que fue sugerido por primera vez por Albert Einstein en relatividad general, Su obra magna de 1915, la teoría de la gravedad.
La relatividad general sugiere que la gravedad surge cuando un objeto con masa “deforma” el tejido mismo del espacio y el tiempo, que Einstein había unido previamente como una única entidad de cuatro dimensiones (tres dimensiones espaciales, una dimensión de tiempo) llamada “espacio-tiempo”.
Cuanto mayor es la masa, mayor es la curvatura extrema del espacio que crea un objeto. Eso explica por qué los planetas tienen una influencia gravitatoria mayor que las lunas, por qué las estrellas tienen una influencia mayor que los planetas y por qué los agujeros negros tienen la mayor influencia de cualquier objeto individual.
Einstein también predijo que cuando los objetos se aceleran en el espacio-tiempo, hacen que su tejido “suene” con ondulaciones u ondas gravitacionales. Estas son completamente insignificantes para objetos con masas bajas, pero cuando los agujeros negros orbitan uno alrededor del otro (recordemos que el movimiento circular es aceleración), tienen suficiente masa para generar ondas gravitacionales significativas.
A medida que estos agujeros negros giran en espiral uno alrededor del otro, emiten ondas gravitacionales continuas de baja frecuencia. Estas ondas gravitacionales se llevan el momento angular (o giro), lo que obliga a los agujeros negros a unirse, un proceso llamado “espiralización”. Esto aumenta la frecuencia de las ondas gravitacionales, lo que hace que el momento angular se aleje cada vez más rápido.
Eso es hasta que Los agujeros negros finalmente chocan y se fusionanun evento que envía un “grito” de ondas gravitacionales de mayor frecuencia.
Aún así, Einstein predijo que estas ondas del espacio-tiempo serían demasiado débiles para ser detectadas alguna vez, especialmente porque perderían energía al propagarse a través del cosmos y las fusiones de agujeros negros ocurren a millones o incluso miles de millones de años luz de distancia.
Afortunadamente ahora sabemos que Einstein estaba equivocado.
Desde la detección de la primera señal de ondas gravitacionales por el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser (LIGO) en 2015, que se originó a partir de una fusión de agujeros negros binarios a 1.300 millones de años luz de distancia, se han detectado muchas de estas colisiones de agujeros negros.
Pero estas detecciones tienen algo en común: cuando involucraban agujeros negros, siempre eran pares en el mismo orden. agujero negro de masa estelar rango, con masas entre tres y unos cientos de veces la del Sol. Fusiones de agujeros negros supermasivos han sido difíciles de alcanzar para los detectores de ondas gravitacionales terrestres como LIGO y sus compatriotas VIRGO en Italia y el Detector de Ondas Gravitacionales Kamioka (KAGRA) en Japón.
De la misma manera que nuestros oídos han evolucionado para oír ciertas frecuencias de sonido y no otras, estos instrumentos solo pueden detectar un cierto rango de frecuencias de ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales emitidas por pares de agujeros negros supermasivos en movimiento son de una frecuencia demasiado baja para que los detectores de ondas gravitacionales terrestres las “escuchen”.
En otras palabras, con sus ondas gravitacionales, las parejas binarias de masa estelar cantan como soprano, mientras que las supermasivas cantan como barítono.
Este equipo propone detectar el cambio sutil en las ondas gravitacionales de sistemas binarios de agujeros negros de masa estelar que son causados por ondas gravitacionales interferentes de sistemas binarios supermasivos.
Estas pequeñas modulaciones podrían, por tanto, ayudar a revelar fusiones de agujeros negros supermasivos que actualmente sólo son detectables como un conjunto”.Zumbido de fondo“utilizando vastas colecciones de estrellas de neutrones que giran rápidamente llamadas”matriz de sincronización de pulsares.”
“El aspecto novedoso de esta idea es utilizar frecuencias altas que son fáciles de detectar para sondear frecuencias más bajas a las que aún no somos sensibles”, dijo Stegmann.
La propuesta también podría ayudar a orientar el diseño de futuros detectores de ondas gravitacionales, como el próximo detector espacial de la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA). Lisa (Antena Espacial de Interferómetro Láser).
“Como el camino para LISA ya está definido, tras su adopción por la ESA en enero pasado, la comunidad necesita evaluar la mejor estrategia para la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales”, dijo Lucio Mayer, miembro del equipo y teórico de agujeros negros de la Universidad de Zúrich. “En particular, a qué rango de frecuencia deberían apuntar; estudios como este brindan una fuerte motivación para priorizar un detector de deci-Hz”. [low-frequency] Diseño de detector.”
La investigación del equipo fue publicada el lunes (5 de agosto) en la revista Naturaleza.