Los pasos clave del mecanismo de formación binaria se destacan en la caricatura como instantáneas de su momento en las simulaciones. El primer panel muestra los “mini” discos alrededor de agujeros negros aislados antes de que se encuentren en los paneles 2 y 3 y se unan. Luego, el binario evoluciona lentamente a través de la interacción gravitacional con el minidisco reformado que gira alrededor de ambos agujeros negros. Fuente: Connar Rowan et al.
Una nueva investigación tras el descubrimiento de las ondas gravitacionales arroja luz sobre los entornos que pueden conducir a fusiones de agujeros negros. El trabajo se presenta esta semana en Encuentro Nacional de Astronomía 2023 por el estudiante de doctorado de la Universidad de Oxford Connar Rowan.
Las primeras ondas gravitacionales, predichas por Albert Einstein en 1916, fueron detectadas desde la Tierra en 2015. Sin embargo, determinar su origen en el espacio sigue siendo una pregunta abierta. Para ser detectables a distancias tan vastas, las ondas gravitacionales que observamos solo podrían provenir de pares de objetos grandes y muy densos muy próximos entre sí, como sistemas binarios de agujeros negros o estrellas de neutrones. Hasta la fecha, se han realizado más de 90 detecciones de este tipo, aunque el entorno astrofísico original que permite que estos objetos se acerquen lo suficiente como para emitir ondas gravitacionales sigue siendo un misterio.
Un entorno posible en el que los agujeros negros pueden sufrir fusiones frecuentes es en los cuásares. Un cuásar es un poderoso núcleo galáctico activo alimentado por un agujero negro supermasivo. Un denso disco de gas gira alrededor de un agujero negro supermasivo cercano a la velocidad de la luz, produciendo emisiones extremadamente brillantes.
Las interacciones de los agujeros negros de masa estelar con el disco de gas de un agujero negro supermasivo son muy complejas y requieren complejas simulaciones por computadora para comprenderlas. En un nuevo estudio, un equipo de astrónomos de la Universidad de Oxford y la Universidad de Columbia estudió el comportamiento de este tipo de agujeros negros de masa estelar incrustados en un disco. El trabajo sugiere que los agujeros negros de masa estelar pueden ser atraídos hacia densos discos de gas cuásar y forzados a formar sistemas binarios a través de interacciones gravitatorias entre ellos y el gas en los discos.
El equipo realizó simulaciones de alta resolución de un disco de cuásar gaseoso que contenía dos agujeros negros de masa estelar. El objetivo de la simulación es ver si los agujeros negros serán capturados en un sistema binario ligado gravitacionalmente y eventualmente se fusionarán en un disco de gas en un momento posterior. Estas simulaciones utilizan 25 millones de partículas de gas para imitar flujos de gas complejos durante un encuentro, lo que requiere un tiempo computacional de aproximadamente tres meses para cada simulación.
Ilustración del mecanismo de formación binaria del agujero negro. Dos agujeros negros aislados que orbitan alrededor de un agujero negro supermasivo se encuentran dentro de un gran disco de gas alrededor del agujero negro supermasivo. La interacción gravitacional con el gas elimina la energía de los dos agujeros negros, lo que les permite permanecer unidos. Fuente: Connar Rowan et al.
Las simulaciones muestran que el gas reduce la velocidad de los agujeros negros cuando se encuentran, por lo que los agujeros negros que normalmente se desmoronarían permanecen unidos gravitacionalmente, atrapados en órbita alrededor del otro mientras ambos orbitan el agujero negro supermasivo. Esto se debe a una combinación de tirones gravitacionales entre ellos y los chorros masivos de gas en el disco y los “mini” discos individuales alrededor de los agujeros negros individuales.
Además, la resistencia directa del gas, análoga a la resistencia del aire, también juega un papel cuando el gas “comido” por los agujeros negros en su camino los obliga a reducir la velocidad. En respuesta a la energía cinética del agujero negro absorbida por la atracción gravitacional, el gas es rápidamente expulsado inmediatamente después de la colisión. Este resultado ocurre en la mayoría de las simulaciones y confirma las expectativas previas de que el gas hace que sea mucho más fácil atrapar agujeros negros en pares enlazados.
También se encontró que la dirección de la órbita de los agujeros negros influyó en su evolución. En los binarios retrógrados medios, binarios en los que los agujeros negros se orbitan entre sí en dirección opuesta a su órbita alrededor del agujero negro supermasivo, los agujeros negros pueden acercarse lo suficiente como para crear ondas gravitacionales significativas y disipar su energía orbital muy rápidamente a través de estas emisiones de ondas. fusionándose muy rápidamente.
El líder de investigación, Rowan, dice: “Estas simulaciones responden a dos preguntas principales: ¿puede el gas catalizar la formación de binarios de agujeros negros y, de ser así, pueden eventualmente acercarse aún más y fusionarse? Para que este proceso explique el origen de las señales de ondas gravitacionales observadas, ambas respuestas requieren un sí”.
“Estos resultados son extremadamente emocionantes porque confirman que los agujeros negros se unen en discos de agujeros negros supermasivos y quizás explican muchas, si no la mayoría, de las señales de ondas gravitacionales que observamos hoy”, dijo el profesor Bence Kocsis, coautor del trabajo de investigación.
“Si una proporción significativa de los eventos observados, ya sea hoy o en el futuro, son causados por este fenómeno, deberíamos poder ver una conexión directa entre los cuásares y las fuentes de ondas gravitacionales en el cielo”, agrega el profesor Zoltán Haiman de Columbia. University, otro coautor del trabajo de investigación.
Proporcionado por la Royal Astronomical Society