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| Concepción artística de un agujero negro binario en precesión. Los agujeros negros, que finalmente se unirán en espiral para formar un agujero negro más grande, se muestran aquí orbitando el uno al otro en un plano. Los agujeros negros giran de forma no alineada, lo que significa que están inclinados con respecto al movimiento orbital general del par. Esto hace que la órbita se precesione como una peonza que gira a lo largo de un eje inclinado. |
Las mediciones del espín de los agujeros negros binarios a partir de las observaciones de las ondas gravitacionales revelan la historia evolutiva de los binarios. Más concretamente, estas mediciones pueden utilizarse para identificar las binarias atrapadas en las llamadas resonancias de espín-órbita.
La teoría de la relatividad general de Einstein predijo por primera vez las resonancias. Posteriormente, los primeros "indicios" se encontraron en los datos de ondas gravitacionales de LIGO y Virgo.
En un nuevo estudio, científicos de Cornell han descubierto los primeros indicios potenciales de resonancias de espín-órbita en agujeros negros binarios. Para este estudio, utilizaron datos de ondas gravitacionales.
Los científicos informan de que los espines de los dos agujeros negros tienden a ser antiparalelos entre sí cuando se proyectan en el plano orbital. Esto puede ser un signo de resonancias de espín-órbita.
Saul Teukolsky, catedrático de Física Hans A. Bethe (A&S), afirmó: "Los efectos de resonancia son omnipresentes en los sistemas físicos. Se producen cuando dos procesos de un sistema ocurren a frecuencias especialmente relacionadas. En los sistemas de agujeros negros, se predice que la resonancia se produce entre el movimiento de giro de los agujeros negros y su movimiento orbital y deja una huella en las ondas gravitacionales producidas. Este trabajo demuestra que, si analizamos los datos de forma inteligente, estamos mucho más cerca de comprobar esta predicción de la Relatividad General de lo que creíamos".
El astrofísico Vijay Varma, ex becario postdoctoral Klarman en el Colegio de Artes y Ciencias (A&S), dijo: "Los agujeros negros suelen girar porque se forman a partir de estrellas moribundas que giran por sí mismas. Cuando dos agujeros negros de este tipo orbitan entre sí en una binaria, sus giros interactúan con la órbita".
"Los agujeros negros binarios pierden energía con las ondas gravitacionales, lo que hace que los agujeros negros se acerquen el uno al otro y finalmente se fusionen. Algunos espines de agujeros negros binarios están alineados a lo largo del momento angular orbital o de forma opuesta, lo que lleva a una fusión "blanda" en un plano fijo. Pero otros agujeros negros binarios tienen los espines inclinados con respecto al momento angular orbital, poniendo en marcha una intrincada interacción llamada precesión".
"Cuando los espines están inclinados con respecto al momento angular orbital, la órbita precesa como una peonza que gira a lo largo de un eje inclinado".
"Las resonancias giro-órbita pueden producirse en las binarias en precesión, pero esto depende de la naturaleza del mecanismo de supernova que produce los agujeros negros a partir de sus progenitores estelares. Si la emisión de la supernova no es simétrica en todas las direcciones, el agujero negro adquiere una velocidad de retroceso al nacer, que es similar al retroceso de una pistola disparada."
"Si los retrocesos de la supernova son lo suficientemente grandes, la binaria puede acabar en una resonancia de espín-órbita. Estas son configuraciones especiales en las que las direcciones de los espines en el plano orbital son paralelas o antiparalelas".
Se pensaba que los indicadores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo no eran lo suficientemente sensibles como para obtener pruebas de las resonancias espín-órbita. No obstante, Varma y sus compañeros de equipo aplicaron dos trucos de recopilación de datos para distinguir estos primeros indicios.
Utilizaron modelos informáticos basados en simulaciones de agujeros negros. Estos modelos capturan con precisión el efecto de los espines a partir de simulaciones numéricas y permiten a los científicos obtener suficiente información a partir de las observaciones de las ondas gravitacionales.
Posteriormente, midieron los espines justo antes de que los agujeros negros se fusionaran.
Según Varma, "estamos empezando a sondear las resonancias de espín-órbita, algo que en un principio creíamos imposible hasta que lleguen los detectores de próxima generación en la década de 2030. Nuestra esperanza es que, al estudiar estas resonancias de espín-órbita, podamos aprender más sobre el mecanismo de la supernova, que ha seguido siendo un misterio duradero."
Fuentes, créditos y referencias:
Vijay Varma et al, Hints of Spin-Orbit Resonances in the Binary Black Hole Population, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.031101
Vijay Varma et al, Measuring binary black hole orbital-plane spin orientations, Physical Review D (2022). DOI: 10.1103/PhysRevD.105.024045
Fuente: Universidad de Cornell