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Credit: CC0 Public Domain |
Fusiones jerárquicas de agujeros negros de masa estelar y sus firmas de ondas gravitacionales
Resumen
Revisamos los hallazgos teóricos, los modelos astrofísicos y las pruebas actuales de ondas gravitacionales sobre las fusiones jerárquicas de agujeros negros de masa estelar. Mientras que se espera que la mayoría de las fusiones binarias compactas detectadas por LIGO y Virgo estén formadas por agujeros negros de primera generación formados por el colapso de estrellas, otras podrían ser de segunda (o superior) generación, conteniendo los restos de fusiones de agujeros negros anteriores. Esta subpoblación de agujeros negros reunidos jerárquicamente presenta firmas distintivas de ondas gravitacionales, a saber, masas más altas, posiblemente dentro de la brecha de masa de inestabilidad de pares, y espines adimensionales agrupados en el valor característico de ∼0,7. Para producir fusiones jerárquicas, los entornos astrofísicos necesitan superar los retrocesos relativistas impartidos a los remanentes de las fusiones de agujeros negros, una condición que prefiere anfitriones con velocidades de escape ≳ 100 km/s. Entre los lugares más prometedores para la producción eficiente de fusiones jerárquicas se encuentran los cúmulos estelares nucleares y los discos de acreción que rodean a los núcleos galácticos activos, aunque los entornos menos eficientes para retener los productos de las fusiones, como los cúmulos globulares, pueden seguir contribuyendo significativamente a la población detectable de fusiones repetidas. Si bien GW190521 es el candidato a fusión jerárquica más prometedor hasta la fecha, las limitaciones procedentes de los análisis de grandes poblaciones son cada vez más potentes.
Los agujeros negros, detectados por su señal de ondas gravitacionales al colisionar con otros agujeros negros, podrían ser el producto de colisiones parentales muy anteriores. Hasta ahora sólo se ha insinuado un evento de este tipo, pero los científicos de la Universidad de Birmingham, en el Reino Unido, y de la Universidad Northwestern, en Estados Unidos, creen que estamos cerca de localizar el primero de estos agujeros negros llamados "jerárquicos".
En un artículo de revisión, publicado en Nature Astronomy, el Dr. Davide Gerosa, de la Universidad de Birmingham, y la Dra. Maya Fishbach, de la Universidad Northwestern, sugieren que los recientes descubrimientos teóricos, junto con el modelado astrofísico y los datos de ondas gravitacionales registrados, permitirán a los científicos interpretar con precisión las señales de ondas gravitacionales de estos eventos.
Desde que los detectores LIGO y Virgo detectaron la primera onda gravitacional en septiembre de 2015, los científicos han elaborado interpretaciones cada vez más matizadas y sofisticadas de estas señales.
Ahora hay una ferviente actividad para demostrar la existencia de las llamadas "fusiones jerárquicas", aunque se cree que la detección de GW190521 en 2019 -la fusión de agujeros negros más masiva detectada hasta ahora- es el candidato más prometedor hasta ahora.
"Creemos que la mayoría de las ondas gravitacionales detectadas hasta ahora son el resultado de la colisión de agujeros negros de primera generación", dice el Dr. Gerosa. "Pero creemos que hay muchas posibilidades de que otras contengan los restos de fusiones anteriores. Estos eventos tendrán firmas de ondas gravitacionales distintivas que sugieren masas más altas, y un giro inusual causado por la colisión de los padres."
Comprender las características del entorno en el que podrían producirse estos objetos también ayudará a acotar la búsqueda. Debe tratarse de un entorno con un gran número de agujeros negros, y que sea lo suficientemente denso como para retener los agujeros negros después de que se hayan fusionado, de modo que puedan continuar y fusionarse de nuevo.
Podría tratarse, por ejemplo, de cúmulos de estrellas nucleares o de discos de acreción -que contienen un flujo de gas, plasma y otras partículas- que rodean las regiones compactas del centro de las galaxias.
"La colaboración entre LIGO y Virgo ya ha descubierto más de 50 eventos de ondas gravitacionales", afirma el Dr. Fishbach. "Esto se ampliará a miles en los próximos años, dándonos muchas más oportunidades de descubrir y confirmar objetos inusuales como los agujeros negros jerárquicos en el universo".
Fuentes, créditos y referencias: