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En los últimos 6 años, los observatorios de ondas gravitacionales han detectado fusiones de agujeros negros, verificando una importante predicción de la teoría de la gravedad de Albert Einstein. Pero hay un problema: muchos de estos agujeros negros son inesperadamente grandes. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Hawaiʻi en Mānoa, la Universidad de Chicago y la Universidad de Michigan en Ann Arbor han propuesto una solución novedosa a este problema: los agujeros negros crecen junto con la expansión del universo.
Desde la primera observación de agujeros negros en fusión por parte del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) en 2015, los astrónomos se han sorprendido repetidamente por sus grandes masas. Aunque no emiten luz, las fusiones de agujeros negros se observan a través de su emisión de ondas gravitacionales, es decir, de las fisuras en el tejido del espacio-tiempo que predijo la teoría de la relatividad general de Einstein. En un principio, los físicos esperaban que los agujeros negros tuvieran masas inferiores a unas 40 veces la del Sol, ya que las fusiones de agujeros negros surgen de estrellas masivas, que no pueden mantenerse unidas si crecen demasiado.
Sin embargo, los observatorios LIGO y Virgo han hallado muchos agujeros negros con masas superiores a las de 50 soles, y algunos tan masivos como 100 soles. Se han propuesto numerosos escenarios de formación para producir agujeros negros tan grandes, pero ningún escenario ha podido explicar la diversidad de fusiones de agujeros negros observadas hasta ahora, y no hay acuerdo sobre qué combinación de escenarios de formación es físicamente viable. Este nuevo estudio, publicado en la revista Astrophysical Journal Letters, es el primero que demuestra que las masas de los agujeros negros, tanto grandes como pequeñas, pueden ser el resultado de una única vía, en la que los agujeros negros ganan masa a partir de la expansión del propio universo.
Los astrónomos suelen modelar los agujeros negros dentro de un universo que no puede expandirse. "Es una suposición que simplifica las ecuaciones de Einstein porque un universo que no crece tiene mucho menos que controlar", dijo Kevin Croker, profesor del Departamento de Física y Astronomía de la UH Mānoa. "Sin embargo, hay una contrapartida: Las predicciones sólo pueden ser razonables durante un tiempo limitado".
Dado que los eventos individuales detectables por LIGO-Virgo solo duran unos segundos, al analizar cualquier evento individual, esta simplificación es sensata. Pero estas mismas fusiones pueden durar miles de millones de años. Durante el tiempo que transcurre entre la formación de un par de agujeros negros y su eventual fusión, el universo crece profundamente. Si se consideran cuidadosamente los aspectos más sutiles de la teoría de Einstein, surge una posibilidad sorprendente: Las masas de los agujeros negros podrían crecer al ritmo del universo, un fenómeno que Croker y su equipo denominan acoplamiento cosmológico.
El ejemplo más conocido de material acoplado cosmológicamente es la propia luz, que pierde energía a medida que el universo crece. "Se nos ocurrió considerar el efecto contrario", dijo el coautor de la investigación y profesor de Física y Astronomía de la UH Mānoa, Duncan Farrah. "¿Qué observaría LIGO-Virgo si los agujeros negros estuvieran acoplados cosmológicamente y ganaran energía sin necesidad de consumir otras estrellas o gas?".
Para investigar esta hipótesis, los investigadores simularon el nacimiento, la vida y la muerte de millones de pares de estrellas grandes. Las parejas en las que ambas estrellas murieron para formar agujeros negros se vincularon entonces al tamaño del universo, a partir del momento de su muerte. A medida que el universo seguía creciendo, las masas de estos agujeros negros aumentaban a medida que se acercaban en espiral. El resultado fue no solo más agujeros negros masivos cuando se fusionaron, sino también muchas más fusiones. Cuando los investigadores compararon los datos de LIGO-Virgo con sus predicciones, coincidieron razonablemente bien. "Tengo que decir que al principio no sabía qué pensar", dijo el coautor de la investigación y profesor de la Universidad de Michigan, Gregory Tarlé. "Era una idea tan sencilla que me sorprendió que funcionara tan bien".
Según los investigadores, este nuevo modelo es importante porque no requiere ningún cambio en nuestra comprensión actual de la formación, evolución o muerte de las estrellas. La concordancia entre el nuevo modelo y nuestros datos actuales proviene simplemente de reconocer que los agujeros negros realistas no existen en un universo estático. Sin embargo, los investigadores tuvieron cuidado de subrayar que el misterio de los agujeros negros masivos de LIGO-Virgo está lejos de resolverse.
"Muchos aspectos de los agujeros negros que se fusionan no se conocen en detalle, como los entornos de formación dominantes y los intrincados procesos físicos que persisten a lo largo de su vida", dijo el coautor de la investigación y miembro del Hubble de la NASA, el Dr. Michael Zevin. "Aunque hemos utilizado una población estelar simulada que refleja los datos que tenemos actualmente, hay mucho margen de maniobra. Podemos ver que el acoplamiento cosmológico es una idea útil, pero todavía no podemos medir la fuerza de este acoplamiento."
Fuentes, créditos y referencias:
Kevin S. Croker et al, Cosmologically Coupled Compact Objects: A Single-parameter Model for LIGO–Virgo Mass and Redshift Distributions, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/ac2fad
Imagen: La primera imagen renderizada de un agujero negro, iluminado por materia infalible. En este estudio, los investigadores han propuesto un modelo en el que estos objetos pueden ganar masa sin la adición de materia: pueden acoplarse cosmológicamente al crecimiento del propio universo. Crédito de la imagen: Jean-Pierre Luminet, "Image of a Spherical Black Hole with Thin Accretion Disk", Astronomy and Astrophysics 75 (1979): 228-35.