Fusiones de agujeros negros en cúmulos nucleares de estrellas

• Título:   “Black Hole Mergers in Galactic Nuclei Induced by the Eccentric Kozai-Lidov Effect“
• Autores: B.-M. Hoang, S. Naoz, B. Kocsis, F. A. Rasio, F. Dosopoulou
• Institución del primer autor: Department of Physics and Astronomy, University of California
• Astrobite original: Black Hole Mergers in Nuclear Star Clusters

Gracias a los esfuerzos de las colaboraciones LIGO y VIRGO, ya tenemos medidas directas de ondas gravitacionales producidas por tres (posiblemente cuatro) pares de agujeros negros estelares en proceso de fusión. Este espectacular descubrimiento nos ha permitido acceder por primera vez a una sección inexplorada del Universo. Por lo tanto, no es sorprendente que el origen astrofísico de estas fusiones de agujeros negros sea uno de los temas de investigación más populares en este momento.

Por ejemplo, se ha sugerido que las fusiones de agujeros negros formados por las primeras estrellas en el Universo primitivo podrían ser fuentes importantes de ondas gravitacionales, pero los procesos dinámicos que tienen lugar en los cúmulos estelares densos también podrían causar la fusión de los agujeros negros contenidos en su interior. Los autores del artículo de hoy investigan cómo los agujeros negros de masa estelar en sistemas binarios evolucionan dentro de cúmulos nucleares de estrellas, localizados en los núcleos galácticos y conocidos por contener otro tipo de agujeros negros en su centro: los agujeros negros supermasivos.

Figura 1. Izquierda: número de fusiones de sistemas binarios de agujeros negros en función del tamaño del eje principal de la órbita externa del sistema alrededor del agujero supermasivo, para los dos casos explorados por los autores y para los dos mecanismos de fusión (ver texto). Derecha: número de fusiones binarias en función del tiempo en la simulación. La figura secundaria muestra la distribución acumulada. Figuras obtenidas del artículo original.

¿Por qué son estos sistemas interesantes? Primero, un cúmulo nuclear de estrellas puede funcionar como sumidero gravitacional, acumulando agujeros negros. Segundo, la presencia de un agujero negro supermasivo puede influenciar significativamente la evolución del sistema binario de agujeros negros: en el sistema de tres cuerpos creado por los dos agujeros negros estelares y el supermasivo, el sistema binario puede experimentar lo que se conoce como oscilaciones excéntricas de Kodai-Lidov (EKL). Estas oscilaciones generan intercambios periódicos de inclinación orbital y excentricidad. Si la excentricidad crece lo suficiente, los agujeros negros pueden pasar extremadamente cerca el uno del otro, en cuyo caso, la pérdida de energía debida a la emisión de ondas gravitacionales conduce a la fusión de ambos.

¿Cómo de eficientes son estos procesos en realidad? Para responder a esta pregunta, los autores del artículo llevaron a cabo una serie de simulaciones numéricas que siguieron la evolución de sistemas binarios en cúmulos nucleares. Dado que el número total y la distribución de agujeros negros en estos cúmulos no se conoce con seguridad, los autores consideraron dos casos distintos: un modelo derivado de estudios anteriores del cúmulo estelar de la Vía Láctea y un modelo genérico de tipo “Bahcall-Wolf“, con una distribución más concentrada de agujeros negros basada en modelos teóricos. En ambos casos, los autores generaron sistemas binarios plausibles de forma aleatoria con un extenso rango de propiedades, dentro de los parámetros de estabilidad permitidos por el tratamiento numérico. Estas simulaciones necesitan una gran precisión numérica para reproducir el efecto EKL al igual que todos los efectos relativistas relevantes, incluyendo la emisión de ondas gravitacionales. Finalmente, los autores simularon la evolución de más de 1000 sistemas binarios hasta que el sistema se fusionó o se separó definitivamente debido a la interacción con las estrellas del cúmulo.

Como primer resultado, los autores identificaron dos mecanismos distintos de fusión. El efecto EKL puede provocar grandes oscilaciones en la excentricidad orbital, provocando la fusión del sistema binario. Sin embargo también puede suceder que las oscilaciones EKL queden suprimidas por un efecto conocido como “precesión relativista”, y que el sistema binario acabe fusionándose solamente tras la perdida de suficiente energía a través de la emisión de ondas gravitacionales (siempre y cuando el sistema no acabe desligándose). Mientras que el agujero supermasivo es necesario para el primer mecanismo, el segundo puede producirse en su ausencia. En otras palabras, el efecto EKL hace que las fusiones de sistemas binarios sean más eficientes cúmulos estelares que contienen un agujero supermasivo. Adicionalmente, las fusiones inducidas por el EKL ocurren en escalas temporales más cortas, y más cerca del agujero supermasivo que las fusiones causadas por la emisión de ondas gravitacionales (ver Figura 1), y en una configuración geométrica concreta, lo que permite distinguir estos dos mecanismos de fusión dada una muestra de eventos suficientemente grande.

El segundo resultado clave es la estimación, por parte de los autores, de que el ritmo de fusión de sistemas binarios de agujeros negros es de entre 1 y 3 por año y Gpc³. Este es el mismo orden de magnitud que el ritmo de fusión esperado en los cúmulos globulares. La cota actual sobre el ritmo total de fusiones, basado en las detecciones existentes de ondas gravitacionales, es de entre 12 y 240 por año y Gpc³. Aunque estos resultados todavía son inciertos, las fusiones de sistemas binarios en cúmulos nucleares de estrellas podrían contribuir de forma significativa al número total de fusiones que podrían detectarse en el futuro, y la detección de estos eventos podrían revelar más información a cerca de las propiedades de los núcleos galácticos.

Imagen reseñada: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)