Para hacer que dos agujeros negros colisionen, intenta con tres

¿Cómo se fusionan los agujeros negros y crean ondas gravitacionales? Tal vez con un poco de ayuda de sus amigos.

La danza en espiral de un par de agujeros negros en colisión debería durar miles de millones de años. Sin embargo, hemos tenido cerca de 10 colisiones de agujeros negros desde 2016, mucho más de lo que esperábamos. Debe haber algún proceso para acelerar el proceso de colisión, para hacer que los agujeros negros se junten más rápido de lo previsto.

El problema comienza antes de que se formen los agujeros negros en primer lugar. Los agujeros negros son esencialmente reliquias muertas de estrellas masivas. A medida que estas estrellas progenitoras envejecen, pasan a través de una fase en la que se expanden en estrellas supergigantes varias veces su tamaño original. En este punto, si dos estrellas orbitan muy cerca una de la otra, una se subsumirá en la otra, y la pareja chocará antes de convertirse en agujeros negros.

Esto sugiere que cualquier par de grandes agujeros negros debe comenzar su existencia extremadamente lejos, tan lejos que las colisiones serán extremadamente raras. Y sin embargo, tales colisiones son bastante comunes. “A nosotros los teóricos, nos gusta mucho cuando hay un nuevo rompecabezas alrededor”, dijo Smadar Naoz, un astrofísico teórico de la Universidad de California en Los Ángeles. “Todo el mundo está saltando con nuevas ideas.”

Entonces, ¿cómo puedes conseguir pares de agujeros negros muy unidos que nunca fueron pares de estrellas supergigantes muy unidos? Una explicación potencial sostiene que dos estrellas masivas podrían comenzar muy separadas y acercarse al colapsar en agujeros negros. O quizás algunas estrellas colapsan sin llegar a convertirse en estrellas supergigantes, o agujeros negros solitarios se encuentran y se unen para formar pares.

En los últimos años, ha aparecido otra idea. Bajo las condiciones adecuadas, un tercer objeto puede desencadenar un proceso que acerque un par de objetos. Este efecto de tres cuerpos proporciona una forma para que las estrellas masivas lejanas colapsen primero en agujeros negros, y luego se acerquen lo suficiente para colisionar. Y debido a que las estrellas masivas están a menudo en sistemas triples, los investigadores dicen que es importante tener en cuenta este efecto de tres cuerpos.

Para entender cómo podría funcionar este proceso, imagina a la Tierra y a la Luna girando una alrededor de la otra. Estas dos trazarán órbitas estables alrededor de su centro de masa común casi indefinidamente, a menos que algo interfiera.

Un tercer objeto no necesariamente afectaría la estabilidad del sistema Tierra-Luna, siempre y cuando los tres objetos rotaran en el mismo plano llano (como lo hacen casi todos los objetos del sistema solar).

Sin embargo, los objetos en el espacio no están, en general, limitados a una sola superficie plana. Imaginen el tercer objeto girando alrededor del sistema Tierra-luna en un ángulo, de modo que las órbitas no estén alineadas. Si el ángulo entre las órbitas es lo suficientemente grande, los efectos gravitatorios del tercer objeto podrían interferir con las órbitas de la Tierra y la Luna. Sus trayectorias se extenderán en largas elipses, que separan mucho más los objetos antes de acercarlos mucho más. Cuando están más cerca, otros efectos pueden provocar que sus órbitas se reduzcan aún más. Eventualmente, la Tierra y la Luna podrían chocar entre sí, con consecuencias catastróficas para ambas.

En el mundo de los agujeros negros, este proceso de tres cuerpos, o “canal”, viene en unos pocos sabores diferentes. El tercer objeto podría ser un agujero negro de masa estelar, o una estrella masiva que aún no ha colapsado en uno. Incluso podría ser uno de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de la mayoría de las galaxias. En este caso, dos estrellas masivas en el centro galáctico colapsan para convertirse en agujeros negros. Este par de agujeros negros más pequeños y el agujero negro supermasivo forman un sistema de tres cuerpos. El agujero negro supermasivo puede incluso desencadenar efectos especiales de relatividad general que hacen más probable que el par de agujeros negros más pequeños se fusionen, según informaron los investigadores en un artículo publicado en el sitio de preimpresión científica arxiv.org en junio.

“La belleza de este canal es que hay muy pocas incertidumbres en la forma en que los agujeros negros se fusionan”, dijo Fabio Antonini, un astrofísico de la Universidad de Surrey, que ha publicado varios artículos sobre la idea. “Es sólo la gravedad, es sólo la dinámica”.

Pero como cada uno de los otros canales de formación propuestos para las fusiones de agujeros negros, el triple proceso tiene piezas que los investigadores aún tienen que descubrir. Por ejemplo, no está claro con qué frecuencia las órbitas en los sistemas de triple estrella estarán lo suficientemente anguladas como para desencadenar el efecto.

Una ventaja central de esta idea es que puede ser probada. Los agujeros negros que se fusionan a través del proceso triple deberían tener órbitas menos circulares, o más excéntricas, que las de los agujeros negros que se fusionan de un sistema binario no perturbado. Los científicos podrían ser capaces de medir las excentricidades de las órbitas de los agujeros negros en un futuro próximo, dijo Daniel Holz, un astrofísico de la Universidad de Chicago y miembro de la colaboración LIGO, que busca las ondas gravitatorias procedentes de las colisiones de los agujeros negros.

“Parte de lo que las hace emocionantes es que puedes terminar con sistemas, por ejemplo, con una gran excentricidad”, dijo Holz, que no estudia el proceso de los tres sistemas. “Y si eso es algo que se puede medir, entonces eso sería una especie de arma humeante de que algo elegante está pasando.”

Las rotaciones de los agujeros negros también pueden decir a los científicos si una fusión de agujeros negros ocurrió debido a un proceso de triple sistema. Si un sistema binario de agujero negro se formó a través de la evolución de dos estrellas sin la influencia de otros cuerpos, deberían estar rotando y orbitando más o menos en la misma dirección, como dos patinadores sobre hielo que giran en el sentido de las agujas del reloj mientras patinan en el sentido de las agujas del reloj uno alrededor del otro. Pero según el trabajo de astrofísicos como Dong Lai y Bin Liu de la Universidad de Cornell, la interferencia de otros objetos, como un tercer cuerpo en un sistema triple, puede inclinar las órbitas de los agujeros negros de modo que sus ejes orbitales y ejes de rotación estén en ángulo el uno con el otro. El efecto es difícil de medir directamente con la tecnología actual, pero los investigadores esperan encontrar nuevas e ingeniosas formas de inferir estas alineaciones de rotación.

Así que aunque todavía es demasiado pronto para decir exactamente cómo los agujeros negros se acercan lo suficiente para fusionarse, los investigadores sostienen el problema como un ejemplo de por qué las detecciones de ondas gravitacionales son tan importantes. “No quieres tener sólo observaciones de ondas gravitacionales por su propio bien”, dijo Ilya Mandel, un astrofísico de la Universidad de Monash en Australia. “Quieres usarlas como sondas para estudiar cosas que de otra manera son difíciles de entender y difíciles de medir directamente.”

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