Un equipo de investigadores do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías e a Universidade Chinesa de Hong Kong vén de publicar en The Astrophysical Journal un artigo no que se propón un novo método para reconstruír a 'árbore xenealóxica' dos buracos negros
Un buraco negro é un obxecto astronómico cunha forza gravitatoria tan forte que nada, nin sequera a luz, pode escapar del. A "superficie" dun buraco negro, denominada horizonte de sucesos, define o límite onde a velocidade requirida para evadilo excede a velocidade da luz, que é o límite de velocidade no cosmos. A materia e mais a radiación son atrapadas e non poden saír, segundo explican na NASA, a axencia espacial estadounidense, que colabora coa ESA, a axencia espacial europea, en numerosas investigacións.
As ondas gravitacionais foron preditas por primeira vez por Albert Einstein a partir da súa teoría da relatividade xeral en 1916. Como as ondas gravitacionais que chegan á Terra son tan minúsculas, necesitáronse moitas décadas de traballo para construír instrumentos o suficientemente precisos para medilas.
Desde a primeira detección de ondas gravitacionais en 2015, o número de deteccións aumentou a un ritmo vertixinoso. En cuestión de anos, pasouse de observar estas vibracións no tecido do universo por primeira vez a observar agora moitos eventos cada mes, e mesmo múltiples eventos no mesmo día. Os responsables son tres detectores internacionais: os dous detectores do Observatorio Avanzado de Ondas Gravitacionais por Interferómetro Láser (LIGO) en Luisiana e o estado de Washington nos Estados Unidos, no que colabora o Instituto Galego de Física de Altas Enerxías, e o detector avanzado Virgo, en Italia.
Os detectores de ondas gravitacionais funcionan utilizando láseres de alta potencia para medir coidadosamente o tempo que tarda a luz en viaxar entre os espellos ao longo de dous brazos perpendiculares. LIGO e Virgo seguen mellorando, por exemplo, co aumento da potencia do láser e a instalación de luz comprimida. As excelentes sensibilidades destes detectores permitiron a observación de moitos máis eventos de ondas gravitacionais, incluíndo a primeira detección binaria segura de estrela de neutróns-buraco negro.
O 21 de maio de 2019 LIGO detectou as ondas gravitacionais dunha fusión entre dous buracos negros de masa estelar. Este evento, denominado GW190521, creou un buraco negro que pesaba 142 soles. Un buraco negro de masa estelar fórmase cando unha estrela de máis de 20 masas solares esgota o combustible no seu núcleo e colapsa baixo o seu propio peso. O colapso desencadea a explosión dunha supernova que expulsa as capas exteriores da estrela. Pero se o núcleo esmagado contén máis de tres veces a masa do Sol, ningunha forza poderá deter o seu colapso nun buraco negro. Aínda hai pouco coñecemento sobre a orixe dos buracos negros supermasivos, pero sábese que existen desde os primeiros días de vida dunha galaxia, detallan desde a NASA.
O 21 de maio de 2019 LIGO detectou as ondas gravitacionais dunha fusión entre dous buracos negros de masa estelar. Este evento, denominado GW190521, creou un buraco negro que pesaba 142 soles e que estudan nesta investigación galego-chinesa
Un equipo formado por persoal do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) e a Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK) vén de publicar en The Astrophysical Journal un artigo no que se propón un novo método para reconstruír a 'árbore xenealóxica' dos buracos negros. Un traballo que comezou como un traballo final de grao (TFG) do ex-alumno da USC Carlos Araújo e do antigo estudante de grao na Chinese University of Hong Kong Henry Wong.
"Primeiro, o noso estudo vainos axudar a entender as propiedades de eses antepasados e obter pistas acerca de onde se puideron formar, coma por exemplo cúmulos globulares ou núcleos galácticos activos. A razón é que, ao nacer como produto da fusión de dous 'antepasados', un buraco negro adquire unha velocidade que depende das propiedades dos seus antepasados, e que pode chegar a ser enorme (de ata miles de quilómetros por segundo). Por tanto, para poder observar a ese fillo fundirse con outro buraco (tal e como observamos) o entorno no que naza debe ter unha velocidade de escape maior que a que foi adquirida polo burato 'fillo'.
Segundo, se por algún motivo determinásemos que non é posible reter o burato no seu entorno, deberíamos re-formularnos como nacen os buratos negros a partir das estrelas, ou se o que estamos a observar son en realidade buratos negros", explica a Praza Juan Calderón Bustillo, un dos autores principais deste traballo, que é investigador Ramón y Cajal no IGFAE, centro mixto da USC e a Xunta.
Segundo as teorías astrofísicas existe unha especie de 'baleiro' no cal os buracos negros non poden formarse directamente a partir do colapso estelar, e que se coñece como 'intervalo de masas de inestabilidade de pares'. Crese que os buracos negros dentro deste intervalo orixínanse a partir de fusións xerárquicas, é dicir, fusións sucesivas de buracos negros 'ancestrais' máis pequenos, cada un dos cales forma un buraco negro progresivamente máis masivo. Conforman, desta maneira, unha especie de árbore xenealóxica no que este traballo pretende mergullarse.
"Descubrimos que, segundo as propiedades que certos grupos atoparon para este buraco negro, é pouco probable que se formase nun cúmulo globular debido ás grandes 'patadas' que este buraco negro pode herdar"
O proceso non é trivial, destacan desde o IGFAE, pois para que un buraco negro participe en fusións sucesivas debe permanecer ligado á súa contorna hospedadora, como unha galaxia ou un cúmulo estelar denso. Con todo, os buracos negros producidos en fusións adquiren unha velocidade de retroceso, ou 'patada', que pode alcanzar miles de quilómetros por segundo, que decote é suficiente para expulsalos da maioría das contornas que o acollen.
Por exemplo, nos cúmulos globulares, que se consideran hospedadores clave para as fusións de buracos negros, a velocidade de escape é de só uns 50 km/s. Aínda que o xiro e a masa dos buracos negros poden medirse directamente a partir dos sinais de ondas gravitacionais, a velocidade de retroceso depende das propiedades deses 'antepasados' dos buracos negros en fusión, que non se poden observar directamente.
O equipo galego-chinés aplicou esta técnica ao misterioso sinal de ondas gravitacionais GW190521, que implica a un buraco negro que cae nese 'baleiro de masas prohibido'. "Descubrimos que, segundo as propiedades que certos grupos atoparon para este buraco negro, é pouco probable que se formase nun cúmulo globular debido ás grandes 'patadas' que este buraco negro pode herdar", di Carlos Araújo, agora estudante de mestrado no Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).
"De feito, as contornas con maiores velocidades de escape, como os núcleos galácticos activos ou os cúmulos estelares nucleares parecen máis plausibles, debido á súa capacidade para reter buracos negros con grandes velocidades de escape. Isto concorda cos estudos existentes que suxiren que GW190521 produciuse nun núcleo galáctico activo", afirma Henry Wong, que na actualidade traballa como científico de datos no sector privado.
"A medida que LIGO e Virgo sigan aumentando a súa sensibilidade nos próximos anos, e entren en funcionamento novos detectores de 3ª xeración, o noso método proporcionará información máis detallada sobre a xenealoxía dos buracos negros"
Juan Calderón Bustillo argumenta por que a onda GW190521 é "especial". A razón máis relevante para este estudo, sinala, é que "os buracos negros que se fundiron para emitir esta onda son particularmente masivos. En particular, un deles está precisamente nese rango de entre 65 e 130 masas solares, o que fai que en principio non se puidera formar mediante a morte dunha estrela senón (en principio) como resultado dunha fusión previa".
De feito, este buraco negro motivou todo o desenvolvemento do estudo que se publica agora en The Astrophysical Journal . "Ao ser un sistema moi pesado –agrega Bustillo– só podemos detectar o sinal emitido exactamente na fusión dos dous buracos, e non mentres se orbitaban un arredor do outro antes de fusionarse. Isto fai que non saibamos se estes dous buracos se achegaron describindo órbitas circulares, excéntricas (é dicir, elípticas) ou de que outra maneira".
"Descubrimos que podemos acceder á patada de nacemento do buraco negro porque está estreitamente ligada ao seu espín (ou xiro). Por desgraza, hoxe en día non podemos medir estes xiros con moita precisión, o que constitúe un dos factores limitantes do noso estudo. A medida que LIGO e Virgo sigan aumentando a súa sensibilidade nos próximos anos, e entren en funcionamento novos detectores de terceira xeración, o noso método proporcionará información máis detallada sobre a xenealoxía dos buracos negros que observamos", apunta Ania Liu, coautora do estudo e estudante de doutoramento na CUHK.
