Un agujero negro de 31,5 masas solares con un agujero negro compañero de 8,38 masas solares visto frente a su vivero estelar (generado por computadora) antes de fusionarse. Fuente: Aaron M. Geller / Northwestern CIERA & NUIT-RCS; ESO / S. Brunier
Los agujeros negros, una de las criaturas más fascinantes del universo, poseen una atracción gravitacional inmensa, tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. La revolucionaria detección de ondas gravitacionales en 2015, causadas por la fusión de dos agujeros negros, abrió una nueva ventana al universo.
Desde entonces, docenas de tales observaciones han provocado la búsqueda entre los astrofísicos para comprender sus orígenes astrofísicos. Gracias a POSIDÓN Tras importantes avances recientes en el código para simular poblaciones de estrellas binarias, un equipo de científicos, incluidos algunos de la Universidad de Ginebra (UNIGE), la Universidad Northwestern y la Universidad de Florida (UF), predijo la existencia de sistemas de agujeros negros binarios masivos fusionados de 30 masas solares en galaxias como la Vía Láctea, desafiando teorías anteriores. Estos resultados se publican en astronomía de la naturaleza.
Los agujeros negros de masa estelar son objetos celestes formados como resultado del colapso de estrellas con masas de unos pocos a varios cientos de veces la masa de nuestro Sol. Su campo gravitatorio es tan intenso que ni la materia ni la radiación pueden pasarlos por alto, lo que los hace extremadamente difíciles de detectar. Entonces, cuando en 2015 el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) detectó pequeñas ondas en el espacio-tiempo creadas por la fusión de dos agujeros negros, fue aclamado como un momento histórico. Según los astrofísicos, los dos agujeros negros fusionados en la fuente de la señal tenían unas 30 masas solares y 1.500 millones de años luz de diferencia.
Teoría de puentes y observación.
¿Qué mecanismos producen estos agujeros negros? ¿Son producto de la evolución de dos estrellas, similares a nuestro Sol pero mucho más masivas, evolucionando en un sistema binario? ¿O son el resultado de la colisión accidental de agujeros negros en cúmulos estelares densamente poblados? ¿O hay un mecanismo más exótico en juego? Todas estas cuestiones siguen siendo objeto de acalorados debates.
Bajo la colaboración de POSIDON, un equipo de científicos de instituciones como la Universidad de Ginebra (UNIGE), Northwestern y la Universidad de Florida (UF) lograron avances significativos en la simulación de poblaciones de estrellas binarias. Este trabajo ayuda a proporcionar respuestas más precisas y a reconciliar las predicciones teóricas con los datos de observación.
“Dado que es imposible observar directamente la formación de agujeros negros binarios fusionados, es necesario confiar en simulaciones que reproduzcan sus propiedades de observación. Hacemos esto simulando sistemas estelares binarios desde el nacimiento hasta la formación de agujeros negros binarios”, explica Simone Bavera, investigadora postdoctoral en el Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de UNIGE y autora principal del estudio.
Empujando los límites de la simulación
Interpretar el origen de las fusiones de agujeros negros binarios como las observadas en 2015 requiere comparar las predicciones del modelo teórico con las observaciones del mundo real. La técnica utilizada para modelar estos sistemas se conoce como “síntesis de población binaria”.
“Esta técnica simula la evolución de decenas de millones de sistemas estelares binarios para estimar las propiedades estadísticas de la población resultante de fuentes de ondas gravitacionales. Sin embargo, para lograr esto en un plazo razonable, los científicos hasta ahora se han basado en modelos que utilizan métodos aproximados para simular la evolución estelar y las interacciones binarias. Por lo tanto, simplificar demasiado la física de las estrellas simples y dobles conduce a predicciones menos precisas”, explica Anastasios Fragkos, profesor asistente en el Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de UNIGE.
POSIDON superó estas limitaciones. Diseñado como código abierto, utiliza una gran biblioteca precomputada de simulaciones detalladas de estrellas simples y dobles para predecir la evolución de binarias aisladas. Cada una de estas simulaciones detalladas puede tomar hasta 100 horas de CPU en una supercomputadora, lo que hace que esta técnica de simulación no sea adecuada para la síntesis de población binaria directamente.
“Sin embargo, al calcular previamente una biblioteca de simulación que cubre todo el espacio de parámetros de las condiciones iniciales, POSIDON puede usar este extenso conjunto de datos, junto con métodos de aprendizaje automático, para predecir la evolución completa de los sistemas binarios en menos de un segundo. Esta velocidad es comparable a la velocidad de los códigos de síntesis de población rápida de la generación anterior, pero con mayor precisión”, explica Jeffrey Andrews, profesor asistente en el Departamento de Física de la UF.
Presentando un nuevo modelo
“Los modelos anteriores a POSIDON predijeron tasas insignificantes de fusión de agujeros negros binarios en galaxias como la Vía Láctea y, en particular, no predijeron la existencia de fusión de agujeros negros 30 veces la masa de nuestro sol. POSIDON ha demostrado que pueden existir agujeros negros tan masivos en galaxias similares a la Vía Láctea”, explica Vicky Kalogera, profesora de Física y Astronomía en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Astrofísica (CIERA) y coautor de este artículo.
Los modelos anteriores sobreestimaron algunos aspectos, como la expansión de las estrellas masivas, que afecta su pérdida de masa y las interacciones binarias. Estos elementos son los ingredientes clave que determinan las propiedades de fusión de los agujeros negros. A través de simulaciones detalladas y completamente consistentes de la estructura estelar y las interacciones binarias, POSIDON logra predicciones más precisas de las propiedades de combinación de los agujeros negros binarios, como sus masas y giros.
Este estudio es el primero en utilizar el software de código abierto POSIDON recientemente lanzado para estudiar la fusión de agujeros negros binarios. Proporciona nuevos conocimientos sobre los mecanismos de formación de fusiones de agujeros negros en galaxias como la nuestra. El equipo de investigación está desarrollando actualmente una nueva versión de POSIDON, que incluirá una biblioteca más grande de simulaciones estelares y binarias detalladas, capaz de simular sistemas binarios en una gama más amplia de tipos de galaxias.
Proporcionado por la Universidad de Ginebra