Los agujeros negros se encuentran entre los objetos celestes más cautivadores del cosmos. Su fuerza gravitacional es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. La revolucionaria detección de ondas gravitacionales en 2015, provocada por la fusión de dos agujeros negros, abrió nuevos campos de exploración (Exploración es el acto de buscar con la intención de descubrir algo desconocido). Desde entonces, docenas de observaciones similares han llevado a los astrofísicos a investigar sus orígenes.
Un agujero negro de 31,5 masas solares y un agujero negro compañero de 8,38 masas solares, vistos frente a su vivero estelar (generado por computadora) antes de la fusión.
© Aaron M. Geller / Northwestern CIERA & NIGHT-RCS; ESO / S. Brunier
Gracias a los recientes avances en el código POSYDON, utilizado para simular poblaciones de estrellas binarias, un equipo de las universidades de Ginebra (UNIGE), Northwestern y Florida (UF) ha pronosticado la existencia de agujeros negros masivos en fusión, de treinta masas solares. en galaxias similares a la nuestra. Estos resultados, que desafían las teorías anteriores, se publican en Nature Astronomy.
Los agujeros negros son objetos celestes nacidos del colapso de estrellas cuya masa puede alcanzar varios cientos de veces la de nuestro Sol. Su campo gravitatorio es tan intenso que ni la materia ni la radiación pueden escapar de ellos, lo que hace que su detección sea extremadamente difícil. Por lo tanto, cuando las diminutas ondas en el espacio-tiempo producidas por la fusión de dos agujeros negros fueron detectadas en 2015 por el Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser (La interferometría es un método de medición que explota la interferencia…) (LIGO), estas observaciones han puesto al mundo científico (Un científico es una persona que se dedica al estudio de una ciencia o ciencias y que…) en ebullición. Según los astrofísicos, los dos agujeros negros de los que se originó la señal tenían unas 30 veces la masa del Sol y se encontraban a 1.500 millones de años luz de distancia.
Acercando la teoría y la realidad
¿Qué mecanismos producen estos agujeros negros? ¿Son producto de la evolución de dos estrellas, similares a nuestro Sol pero mucho más masivas, evolucionando dentro de un sistema binario? ¿O son el resultado de agujeros negros en cúmulos estelares densamente poblados que se encuentran por casualidad? ¿Podría estar involucrado un mecanismo más exótico? Estas preguntas son objeto de acalorados debates.
La colaboración POSYDON, que incluye a científicos de las universidades de Ginebra (UNIGE), Northwestern y Florida (UF), ha logrado avances significativos en la simulación de poblaciones de estrellas binarias. Este trabajo proporciona respuestas más precisas y concilia predicciones teóricas y datos observacionales. «Dado que es imposible observar directamente la formación de agujeros negros binarios, es necesario confiar en simulaciones que reproduzcan sus propiedades de observación. Hacemos esto simulando sistemas de estrellas binarias desde su nacimiento hasta la formación de sistemas de agujeros negros binarios», explica Simone. Bavera, becario postdoctoral del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y autor principal de este estudio.
Empujando los límites de la simulación
Interpretar los orígenes de la fusión de agujeros negros binarios, como los observados en 2015, requiere comparar las predicciones de los modelos teóricos con las observaciones reales. La técnica utilizada para modelar estos sistemas se conoce como «síntesis de población binaria». Simula la evolución de decenas de millones de sistemas estelares binarios para estimar las propiedades estadísticas de los resultados de las fuentes de ondas gravitacionales.
«Sin embargo, para lograr esto en un plazo razonable, los científicos hasta ahora se han basado en modelos que utilizan métodos aproximados para simular la evolución de las estrellas y sus interacciones binarias. Por lo tanto, la simplificación excesiva de la física estelar simple y binaria conduce a predicciones menos precisas». explica Anastasios Fragkos, profesor adjunto del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE.
POSYDON hizo posible superar estas limitaciones. Diseñado como software de código abierto, utiliza una gran biblioteca precomputada de simulaciones detalladas de estrellas individuales y binarias para predecir la evolución de sistemas binarios aislados. Cada una de estas simulaciones detalladas puede tardar hasta 100 horas de CPU en ejecutarse en una supercomputadora (una supercomputadora (o supercomputadora) es una computadora diseñada para lograr lo máximo…), lo que hace que esta técnica de simulación no se aplique directamente a la síntesis de población binaria.
«Sin embargo, al precomputar una biblioteca de simulaciones que abarca todo el espacio de condiciones iniciales, POSYDON puede usar este conjunto de datos con métodos de aprendizaje automático para predecir la evolución completa de los sistemas binarios en menos de un minuto. Esta velocidad es comparable a la generación anterior. códigos de síntesis de población rápidos, pero con mayor precisión», dice Jeffrey Andrews, profesor asistente en el Departamento de Física de la UF.
Introducción de un nuevo modelo.
«Los modelos POSYDON anteriores predijeron una tasa de formación insignificante de la fusión de agujeros negros binarios en galaxias similares a la Vía Láctea (La Vía Láctea (también llamada «nuestra galaxia», o a veces…)), y no anticiparon la existencia de fusión agujeros negros con una masa de 30 veces la masa de nuestro Sol. POSYDON ha demostrado que tales agujeros negros podrían existir en galaxias similares a la nuestra”, explica Vicky Kalogera, profesora del Departamento de Física y Astronomía del Noroeste, directora del Centro de Interdisciplinariedad ( El trabajo interdisciplinario integra conceptos de diferentes disciplinas.) La astrofísica (del griego astro = estrella y physiqui = física) es una rama…) (CIERA), y coautora de este estudio.
Los modelos anteriores sobreestimaron ciertos aspectos, como la expansión de estrellas masivas. Esto condujo a una sobreestimación de su pérdida de masa, lo que impacta directamente en las interacciones binarias. Estos elementos son ingredientes clave que determinan las propiedades de los agujeros negros fundidos. A través de simulaciones totalmente autoconsistentes de estructura estelar detallada e interacciones binarias, POSYDON logra predicciones más precisas de las propiedades de los agujeros negros binarios fundidos, como sus masas y giros.
Este estudio es el primero en utilizar el software POSYDON. Aporta nuevas perspectivas sobre los mecanismos de formación de agujeros negros en fusión en galaxias como la nuestra. El equipo de investigación está desarrollando actualmente una nueva versión de POSYDON, que incluirá una biblioteca más grande de simulaciones estelares detalladas, capaz de simular binarias en una variedad más amplia de tipos de galaxias.