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La fábrica que utiliza el Universo para producir Agujeros Negros

Título: Hierarchical Black Hole Mergers in Active Galactic Nuclei
Autores: Yang Yang, Imre Bartos, V. Gayathri, Saavik Ford, Zoltan Haiman, Sergey Klimenko, Bence Kocsis, Szabolcs Márka, Zsuzsa Márka, Barry McKernan, Richard O’Shaugnessy
Institución del primer autor: Department of Physics, University of Florida, P.O. Box 118440, Gainesville, Forida 32611-8440, USA
Estado del trabajo: Publicado en Phys. Rev. Lett. 123, 181101 (2019)
arXiv: 1906.09281 [astro-ph.HE]

Los agujeros negros son reales, el Universo está lleno de ellos y son, quizá, los objetos astronómicos más exóticos. Un agujero negro, clásicamente, es un objeto compacto cuyo campo gravitacional es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar, así de sencillo y así de complejo. Además, los agujeros negros que describe la relatividad general de Einstein están caracterizados únicamente por tres parámetros; masa, carga y momento angular. En principio un agujero negro puede tener cualquier valor de carga y masa, pero no de momento angular, ya que si excede cierto límite no tendrá un horizonte de eventos. Con respecto a la carga, se espera que los agujeros negros astrofísicos, es decir los que habitan nuestro universo, no tengan un valor de carga significativo (¿Están cargados los agujeros negros astrofísicos?). Por otra parte, un agujero negro puede tomar en principio cualquier cantidad de masa y lo único que esperamos es que sea mayor a cero y menor que la masa del Universo entero… Dado que la masa no tiene en principio ninguna restricción, se esperaría que si observamos agujeros negros en nuestro Universo, entonces veamos cualquier valor de su masa. ¿Es eso lo que observamos? No precisamente. 

Desde la década de los 70 se empezaron a obtener pruebas indirectas de la existencia  de los agujeros negros a través del espectro electromagnético, midiendo la luz que es emitida en su vecindad; bien sea por material que acretan o por estrellas que orbitan a su alrededor. En los últimos años hemos “visto” un agujero negro, a través de las mediciones de ondas de radio realizadas por la colaboración EHT, y “escuchado” varios colisionando, a través de las mediciones de ondas gravitacionales realizadas por la colaboración LIGO-Virgo. Curiosamente todas estas mediciones caen en dos categorías bastante diferentes: agujeros negros con masas estelares (entre cinco y varias decenas de masas solares) y agujeros negros supermasivos (entre millones y miles de millones de masas solares). ¿Por qué no observamos agujeros negros de masas intermedias? ¯\_(ツ)_/¯. En este momento es incierto y la investigación detrás de está pregunta es bastante activa. Tema para un futuro astrobito.

El concepto detrás del término agujero negro empezó a tomar la forma que conocemos hoy después del trabajo pionero de Robert Oppenheimer y su estudiante Hartland Snyder en 1939, al estudiar el colapso gravitacional que ocurre cuando ciertas estrellas han consumido todas sus fuentes de energía termonuclear. Como consecuencia, estudiar la muerte de ciertas estrellas (mucho más masivas que nuestro Sol) proporcionó un escenario plausible para la formación de algunos agujeros negros. Es por eso que los agujeros negros de la primera categoría, i.e., los de masas estelares, tienen ese nombre. 

Sin embargo, no todos los agujeros negros pueden tener un origen estelar, de manera que el origen de los supermasivos no está completamente entendido, ya que, entre otros argumentos, estos candidatos a agujeros negros superan descaradamente la máxima masa teórica permitida para la formación de una estrella, la cual está alrededor de 150 veces la masa del sol, y por lo tanto no se espera que se formen tras un colapso estelar. Este hecho también está en plena discusión científica porque se han observado estrellas, como R136a1, cuya masa excede el valor máximo para que la presión, generada por reacciones termonucleares, no expela las capas exteriores de la estrella antes del colapso gravitacional. Para añadir a la discusión, la colaboración LIGO-Virgo ha medido recientemente algunos agujeros negros que en principio son muy masivos para haber sido formados de manera directa a través de la muerte de las estrellas.

La comunidad científica ha propuesto varios escenarios por los cuales múltiples agujeros negros podrían fusionarse de manera secuencial para producir agujeros negros más grandes. En este astrobito visitamos los resultados de Yang y colaboradores, quienes han demostrado, a través de simulaciones, que uno de estos escenarios, que se cree que ocurre en los centros de ciertas galaxias, consigue producir fácilmente fusiones de agujeros negros tan grandes como los observados.

Este escenario de formación ocurre dentro de un núcleo galáctico activo (AGN, por sus siglas en inglés), una región compacta cerca de los centros de algunas galaxias que albergan un agujero negro supermasivo central que está acumulando material. Este disco de acreción contiene gas, estrellas y polvo, así como algunos agujeros negros menos masivos. A través de las simulaciones, estimaron la distribución de probabilidad de las masas de los agujeros negros que participan en las fusiones que ocurren en estas regiones. Descubrieron que un escenario así produce muchos agujeros negros con masas más grandes que 50 masas solares y algunos tan masivos como 80 masas solares.

Las interacciones gravitacionales y otras fuerzas, como la fricción producida por el gas en el disco, hacen que estos agujeros negros migren hacia un anillo a una cierta distancia del centro, aproximadamente 300 veces el radio del agujero negro supermasivo. Lo más interesante quizá, es que una vez los agujeros negros alcanzan este anillo, quedan atrapados allí. De esta manera, si estas trampas migratorias existen, entonces tenemos un mecanismo razonable que apila agujeros negros y por lo tanto hace que se fusionen muchas veces, incrementando la masa en cada nueva generación. 

El misterio está lejos de estar completamente resulto y es necesaria más investigación, teórica y computacional, además de más observaciones. Pero con escenarios teóricos plausibles como el presentado por Yang y sus colaboradores, podemos entender cada vez más la distribución y origen de los agujeros negros en nuestro Universo. 

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