Un estudio identifica la posible ubicación de la fusión de los Agujeros Negros Gigantes
La simulación de un artista de dos agujeros negros que se fusionan en el espacio. La gravedad de un agujero negro es lo suficientemente fuerte como para deformar el espacio, creando el efecto de remolino alrededor de ambos objetos. Crédito de la imagen: LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State (Aurore Simonnet)
Por Calla Cofield, escritor senior de Space.com | 31 de octubre de 2017
Los científicos en busca de agujeros negros en colisión deben dirigir sus ojos hacia las regiones más tranquilas y exteriores de las galaxias como la Vía Láctea, según sugiere un nuevo estudio.
A finales de 2015, los investigadores realizaron la primera detección directa de ondas gravitacionales: ondulaciones en el tejido universal conocido como espacio-tiempo. Los astrónomos ahora han detectado cuatro señales de ondas gravitacionales separadas que provienen de pares de agujeros negros que colisionan y se fusionan. La fusión de los agujeros negros de este tamaño, alrededor de 20 a 50 veces la masa del sol, nunca antes se había observado directamente en la naturaleza.
Desafortunadamente, los detectores de ondas gravitacionales tienen dificultades para reducir el lugar donde se encuentran los agujeros negros que se fusionan. Esto hace que sea difícil para los científicos realizar estudios de seguimiento o buscar posibles fuentes de luz alrededor de los agujeros negros.
Trabajos previos habían sugerido que pares de agujeros negros en este rango de masa tienen más probabilidades de formarse en galaxias enanas débiles. Pero el nuevo estudio muestra que las tranquilas regiones exteriores de las galaxias más grandes en forma de espiral, como nuestra propia Vía Láctea, pueden ser mejores lugares para observar.
"Si nuestro cálculo es correcto, la ventaja es que si está tratando de localizar la señal, es mucho más fácil encontrar galaxias grandes, ¿verdad? Eso es bastante obvio", dijo el autor principal del estudio Sukanya Chakrabarti, profesor de física y astronomía. en el Rochester Institute of Technology (RIT).
La determinación de la ubicación precisa o galaxia de origen de estos pares de agujeros negros tiene múltiples ventajas para la astrofísica. En primer lugar, aumentaría las probabilidades de ver señales de luz creadas por la fusión de dos agujeros negros. Si bien los agujeros negros en sí mismos están completamente oscuros, la materia cercana (como un disco de gas y polvo que gira alrededor de ella) podría irradiar luz. Estudiar esta luz podría proporcionarles a los científicos más información sobre estos eventos.
Además, los científicos quieren usar ondas gravitatorias para medir el índice de expansión del universo, un valor conocido como la Constante de Hubble, llamada así por el astrónomo Edwin Hubble. En este momento, hay dos maneras de medir este valor, pero han producido valores ligeramente diferentes, y los científicos no saben por qué. Las mediciones de las ondas gravitacionales podrían resolver la discrepancia.
"Es el santo grial de la cosmología de ondas gravitacionales", dijo Chakrabarti a Space.com.
Terreno de parto en agujero negro
Los agujeros negros se pueden formar cuando las estrellas masivas agotan el combustible y explotan como supernovas. Gran parte del material que compone la estrella viviente se derrumba en un solo punto y se forma un agujero negro. Se deben formar agujeros negros con 10 a 50 veces la masa del sol de estrellas con masas entre 40 y 100 masas solares, según científicos del proyecto del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), que detectaron ondas de espacio-tiempo del cuatro fusiones de agujeros negros (así como las generadas por un tipo diferente de evento: la colisión de dos estrellas de neutrones).
Entonces, ¿dónde nacen estas estrellas masivas?
Para hacer una estrella verdaderamente masiva se requiere una mezcla de partida muy simple que consiste casi exclusivamente de hidrógeno y helio. Los elementos "más pesados" (aquellos con números superiores a 2 en la tabla periódica) pueden amortiguar la formación de estrellas muy masivas. Esto sucede porque esos elementos emiten una radiación más intensa en comparación con el hidrógeno; esa radiación ejerce una fuerza hacia afuera que empuja el gas y otro material lejos, por lo que la estrella no acumula más materia y crece más grande.
Las regiones brillantes de las grandes galaxias, como los hermosos y arremolinados brazos de la Vía Láctea, están en la lista de posibilidades, porque son muy ricas en elementos pesados.
Pero casi todas las galaxias espirales poseen un disco externo que consiste principalmente en hidrógeno, dijo Chakrabarti. Estas llamadas "regiones H1" tienen tasas globales de formación de estrellas muy bajas y, por lo tanto, son bastante débiles en comparación con los discos centrales brillantes. En el caso de la Vía Láctea, la región H1 es casi tan gruesa como el disco principal, es decir, aproximadamente 30 kiloparsecs, o aproximadamente 100.000 años luz de diámetro. En algunas galaxias examinadas en el documento, el disco H1 tiene 80 kiloparsecs de ancho, dijo Chakrabarti a Space.com: hay mucho espacio para que nazcan estrellas masivas.
Este mapa del hemisferio sur de la colaboración LIGO muestra la región del cielo desde la cual el observatorio detectó una señal de onda gravitacional. El área es demasiado grande para que los científicos puedan restringir de qué galaxia proviene la señal. Crédito de la imagen: LIGO Science Collaboration
Dos tipos de galaxias
El nuevo documento calcula la velocidad a la que es probable que ocurran estas colisiones de agujeros negros pesados en estas regiones H1. Encuentran que el número de colisiones en un área determinada, en un tiempo dado, es comparable, si no mejor que, para las galaxias enanas.
Las galaxias enanas son pequeñas colecciones de estrellas que se parecen más a las nubes brillantes que a los brillantes discos de luz. Un documento anterior mostró que las galaxias enanas son más propensas a hospedar estos pares de agujeros negros que las grandes galaxias espirales como la Vía Láctea. Pero ese periódico no consideró distintas regiones en esas galaxias, como la región H1, dijo Chakrabarti a Space.com.
El estudio anterior fue coescrito por Richard O'Shaughnessy, profesor asistente de matemáticas en RIT y miembro de la colaboración LIGO, y uno de los coautores de Chakrabarti en el nuevo documento. Chakrabarti dijo que habló con O'Shaughnessy después de la publicación del periódico anterior, diciéndole que debería considerar las regiones de galaxias, y no solo las galaxias en su conjunto.
"Este es un campo nuevo", dijo Chakrabarti, refiriéndose a la detección directa de estas fusiones de agujeros negros. "Nuestro artículo es realmente el tercero en haber analizado la cuestión de cuáles son las galaxias anfitrionas de los agujeros negros binarios. Es una pregunta nueva y requiere la confluencia de dos campos que han sido algo distintos".
Los autores afirman en el documento que sus estimaciones numéricas para las colisiones de agujeros negros en estos diferentes entornos no son muy precisas, porque todavía hay muy pocos datos para trabajar: solo cuatro detecciones de señales de ondas gravitacionales de los agujeros negros hasta el momento. Pero, Chakrabarti dijo que la conclusión general es que, cuando se trata de agujeros negros en este rango de masa, las regiones H1 de estas galaxias son tan fértiles como las galaxias enanas, o incluso más.
"Nadie ha propuesto que, de hecho, los agujeros negros binarios podrían formarse más abundantemente en las afueras de las grandes galaxias como la nuestra", dijo Chakrabarti. "Incluso teniendo en cuenta todas las incertidumbres (en la tasa calculada), creo que está claro que las afueras de las espirales producirán tantas fusiones masivas de agujeros negros binarios como cualquier otro entorno galáctico".
El documento ahora está disponible en el sitio web de código abierto arxiv.org, y ha sido aceptado para su publicación en el Astrophysical Journal.
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La simulación de un artista de dos agujeros negros que se fusionan en el espacio. La gravedad de un agujero negro es lo suficientemente fuerte como para deformar el espacio, creando el efecto de remolino alrededor de ambos objetos. Crédito de la imagen: LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State (Aurore Simonnet)
Por Calla Cofield, escritor senior de Space.com | 31 de octubre de 2017
Los científicos en busca de agujeros negros en colisión deben dirigir sus ojos hacia las regiones más tranquilas y exteriores de las galaxias como la Vía Láctea, según sugiere un nuevo estudio.
A finales de 2015, los investigadores realizaron la primera detección directa de ondas gravitacionales: ondulaciones en el tejido universal conocido como espacio-tiempo. Los astrónomos ahora han detectado cuatro señales de ondas gravitacionales separadas que provienen de pares de agujeros negros que colisionan y se fusionan. La fusión de los agujeros negros de este tamaño, alrededor de 20 a 50 veces la masa del sol, nunca antes se había observado directamente en la naturaleza.
Desafortunadamente, los detectores de ondas gravitacionales tienen dificultades para reducir el lugar donde se encuentran los agujeros negros que se fusionan. Esto hace que sea difícil para los científicos realizar estudios de seguimiento o buscar posibles fuentes de luz alrededor de los agujeros negros.
Trabajos previos habían sugerido que pares de agujeros negros en este rango de masa tienen más probabilidades de formarse en galaxias enanas débiles. Pero el nuevo estudio muestra que las tranquilas regiones exteriores de las galaxias más grandes en forma de espiral, como nuestra propia Vía Láctea, pueden ser mejores lugares para observar.
"Si nuestro cálculo es correcto, la ventaja es que si está tratando de localizar la señal, es mucho más fácil encontrar galaxias grandes, ¿verdad? Eso es bastante obvio", dijo el autor principal del estudio Sukanya Chakrabarti, profesor de física y astronomía. en el Rochester Institute of Technology (RIT).
La determinación de la ubicación precisa o galaxia de origen de estos pares de agujeros negros tiene múltiples ventajas para la astrofísica. En primer lugar, aumentaría las probabilidades de ver señales de luz creadas por la fusión de dos agujeros negros. Si bien los agujeros negros en sí mismos están completamente oscuros, la materia cercana (como un disco de gas y polvo que gira alrededor de ella) podría irradiar luz. Estudiar esta luz podría proporcionarles a los científicos más información sobre estos eventos.
Además, los científicos quieren usar ondas gravitatorias para medir el índice de expansión del universo, un valor conocido como la Constante de Hubble, llamada así por el astrónomo Edwin Hubble. En este momento, hay dos maneras de medir este valor, pero han producido valores ligeramente diferentes, y los científicos no saben por qué. Las mediciones de las ondas gravitacionales podrían resolver la discrepancia.
"Es el santo grial de la cosmología de ondas gravitacionales", dijo Chakrabarti a Space.com.
Terreno de parto en agujero negro
Los agujeros negros se pueden formar cuando las estrellas masivas agotan el combustible y explotan como supernovas. Gran parte del material que compone la estrella viviente se derrumba en un solo punto y se forma un agujero negro. Se deben formar agujeros negros con 10 a 50 veces la masa del sol de estrellas con masas entre 40 y 100 masas solares, según científicos del proyecto del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), que detectaron ondas de espacio-tiempo del cuatro fusiones de agujeros negros (así como las generadas por un tipo diferente de evento: la colisión de dos estrellas de neutrones).
Entonces, ¿dónde nacen estas estrellas masivas?
Para hacer una estrella verdaderamente masiva se requiere una mezcla de partida muy simple que consiste casi exclusivamente de hidrógeno y helio. Los elementos "más pesados" (aquellos con números superiores a 2 en la tabla periódica) pueden amortiguar la formación de estrellas muy masivas. Esto sucede porque esos elementos emiten una radiación más intensa en comparación con el hidrógeno; esa radiación ejerce una fuerza hacia afuera que empuja el gas y otro material lejos, por lo que la estrella no acumula más materia y crece más grande.
Las regiones brillantes de las grandes galaxias, como los hermosos y arremolinados brazos de la Vía Láctea, están en la lista de posibilidades, porque son muy ricas en elementos pesados.
Pero casi todas las galaxias espirales poseen un disco externo que consiste principalmente en hidrógeno, dijo Chakrabarti. Estas llamadas "regiones H1" tienen tasas globales de formación de estrellas muy bajas y, por lo tanto, son bastante débiles en comparación con los discos centrales brillantes. En el caso de la Vía Láctea, la región H1 es casi tan gruesa como el disco principal, es decir, aproximadamente 30 kiloparsecs, o aproximadamente 100.000 años luz de diámetro. En algunas galaxias examinadas en el documento, el disco H1 tiene 80 kiloparsecs de ancho, dijo Chakrabarti a Space.com: hay mucho espacio para que nazcan estrellas masivas.
Este mapa del hemisferio sur de la colaboración LIGO muestra la región del cielo desde la cual el observatorio detectó una señal de onda gravitacional. El área es demasiado grande para que los científicos puedan restringir de qué galaxia proviene la señal. Crédito de la imagen: LIGO Science Collaboration
Dos tipos de galaxias
El nuevo documento calcula la velocidad a la que es probable que ocurran estas colisiones de agujeros negros pesados en estas regiones H1. Encuentran que el número de colisiones en un área determinada, en un tiempo dado, es comparable, si no mejor que, para las galaxias enanas.
Las galaxias enanas son pequeñas colecciones de estrellas que se parecen más a las nubes brillantes que a los brillantes discos de luz. Un documento anterior mostró que las galaxias enanas son más propensas a hospedar estos pares de agujeros negros que las grandes galaxias espirales como la Vía Láctea. Pero ese periódico no consideró distintas regiones en esas galaxias, como la región H1, dijo Chakrabarti a Space.com.
El estudio anterior fue coescrito por Richard O'Shaughnessy, profesor asistente de matemáticas en RIT y miembro de la colaboración LIGO, y uno de los coautores de Chakrabarti en el nuevo documento. Chakrabarti dijo que habló con O'Shaughnessy después de la publicación del periódico anterior, diciéndole que debería considerar las regiones de galaxias, y no solo las galaxias en su conjunto.
"Este es un campo nuevo", dijo Chakrabarti, refiriéndose a la detección directa de estas fusiones de agujeros negros. "Nuestro artículo es realmente el tercero en haber analizado la cuestión de cuáles son las galaxias anfitrionas de los agujeros negros binarios. Es una pregunta nueva y requiere la confluencia de dos campos que han sido algo distintos".
Los autores afirman en el documento que sus estimaciones numéricas para las colisiones de agujeros negros en estos diferentes entornos no son muy precisas, porque todavía hay muy pocos datos para trabajar: solo cuatro detecciones de señales de ondas gravitacionales de los agujeros negros hasta el momento. Pero, Chakrabarti dijo que la conclusión general es que, cuando se trata de agujeros negros en este rango de masa, las regiones H1 de estas galaxias son tan fértiles como las galaxias enanas, o incluso más.
"Nadie ha propuesto que, de hecho, los agujeros negros binarios podrían formarse más abundantemente en las afueras de las grandes galaxias como la nuestra", dijo Chakrabarti. "Incluso teniendo en cuenta todas las incertidumbres (en la tasa calculada), creo que está claro que las afueras de las espirales producirán tantas fusiones masivas de agujeros negros binarios como cualquier otro entorno galáctico".
El documento ahora está disponible en el sitio web de código abierto arxiv.org, y ha sido aceptado para su publicación en el Astrophysical Journal.
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