Los agujeros negros giratorios pueden preferir inclinarse en sincronía

Los agujeros negros giratorios pueden preferir inclinarse en sincronía

Una simulación de una fusión de agujeros negros.
Agrandar / Una simulación de una fusión de agujeros negros.

LIGO/Caltech/MIT/Estado de Sonoma (Aurore Simonnet)

Estaba muy emocionado cuando LIGO, el observatorio gigante de ondas gravitacionales de dos orejas en los Estados Unidos, detectó las primeras ondas gravitacionales. Cuando Virgo entró en línea, la triangulación de señales de ondas gravitacionales se hizo posible y la astronomía de ondas gravitacionales se hizo realidad.

Una vez que la emoción inicial de ver eventos individuales se desvaneció, era solo cuestión de tiempo y estadísticas antes de que los científicos comenzaran a extraer nuevos conocimientos de los datos. Un par de artículos nuevos analizaron las estadísticas de fusión de agujeros negros, y los hallazgos de los artículos sugieren que podría haber algo inusual en la distribución de los giros de los agujeros negros.

La reveladora espiral de la muerte

Las ondas gravitacionales son el resultado del movimiento de masas a través del espacio y el tiempo. La masa estira el espacio y el tiempo, provocando un efecto dominó, muy parecido a la ola de proa de un barco que se mueve a través del agua. Y, al igual que una ola de proa, cuanto más pesada y rápida es la masa, más grande es la ola. A diferencia del agua, el espacio-tiempo es muy rígido, por lo que necesita más que un transatlántico para crear una onda gravitatoria perceptible.

Esto significa que solo podemos observar ondas gravitacionales de objetos muy pesados ​​que se mueven extremadamente rápido. Los pares de agujeros negros que se encuentran en los momentos finales de una espiral mortal y una colisión cumplen perfectamente con este requisito. Durante las últimas órbitas, los dos agujeros negros tienen velocidades que son una fracción respetable de la velocidad de la luz.

Estos eventos producen masivo ondas gravitacionales, que cuando nos alcanzan son ondas que alargan la distancia entre Nueva York y Los Ángeles unos pocos femtómetros. En perspectiva, un átomo de hidrógeno es del orden de 100.000 femtómetros.

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Durante décadas, todo esto fue una cuestión de teoría. Pero finalmente logramos construir detectores que nos permitieron probar esta teoría. Naturalmente, las primeras detecciones fueron recibidas con gran entusiasmo. Ahora tenemos catálogos de eventos de ondas gravitacionales que se pueden extraer de los datos.

Primero giras, luego orbitas

Cuando dos agujeros negros se orbitan entre sí, su órbita define un plano, con la dirección de la órbita terminando en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj en el plan. Ambos agujeros negros también pueden rotar, pero esta rotación no necesita estar en el mismo plano o tener la misma dirección que la rotación orbital. De hecho, según los investigadores, no hay razón para pensar que el giro del agujero negro no sea aleatorio.

Sin embargo, también se ha predicho que en un sistema binario los dos giros del agujero negro estarán antialineados. Por ejemplo, si un agujero negro gira 90 grados en el sentido de las agujas del reloj desde el plano de la órbita, el segundo girará 90 grados en el sentido contrario a las agujas del reloj desde el plano de la órbita.

Si los giros del agujero negro no están alineados con su órbita, entonces los giros del agujero negro precederán como trompos mientras mantienen su antialineación. Bajo las circunstancias adecuadas, también puede introducir oscilación en el plano de la órbita y la posibilidad de un tipo de resonancia, llamada resonancia de espín-órbita. (Esto es cuando la orientación del espín hace que cambie la orientación de la órbita, lo que hace que cambie la orientación del espín y así sucesivamente).

Hasta ahora, estas ideas solo se han estudiado en modelos, pero ahora que tenemos un catálogo de fusiones de agujeros negros, finalmente podemos comenzar a buscar evidencia.

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Una patada sorprendentemente pequeña

El equipo de investigación detrás de los nuevos artículos utilizó un modelo estadístico para tratar de propagar hacia atrás las ondas gravitacionales observadas a las posibles orientaciones de giro de los agujeros negros. Los investigadores asumieron dos posibles distribuciones de giros: una distribución uniforme (sin orientación preferida) y una distribución máxima (una orientación preferida).

El resultado en ambos casos mostró que se prefería la antialineación del giro del agujero negro. Esto confirma (aunque débilmente) las predicciones del modelo que también conducen a la resonancia de la órbita de espín. Incluso en el caso de que la supuesta rotación del agujero negro no tuviera una orientación preferente, los datos favorecían una orientación de 45 grados con respecto al plano de la órbita.

Esto es un poco sorprendente, dado que, hasta ahora, ningún modelo ha predicho una orientación rotacional preferida. En ambos casos, sin embargo, el número de fusiones aún es demasiado bajo para permitir conclusiones sólidas, así que considere esto como algo muy preliminar.

Los investigadores también investigaron cómo la orientación del espín influiría en el estado final del agujero negro fusionado. La producción de ondas gravitacionales patea (piense en la tercera ley de Newton para agujeros negros) el agujero negro posterior a la fusión. Algunos de los modelos con resonancias de espín-órbita habían predicho que este impulso podría superar los 5.000 km/s. Es el equivalente al gorila de la galaxia agarrando el agujero negro por el pescuezo y arrojándolo vigorosamente al vacío intergaláctico.

Aunque las predicciones de alineación de giro son bastante débiles, aún se traduce en una predicción fuerte para una patada bien definida de alrededor de 300 km/s. Aparentemente, solo las mejores mansiones astronómicas te expulsarán para fusionarte mientras giras (cúmulos globulares, en realidad).

Por supuesto, con más datos, el pico observado en la orientación del espín podría desaparecer. Esto es lo que hace que los documentos sean emocionantes. A diferencia de años anteriores (cuando no había datos) o incluso hace algunos años (cuando todos basaban sus especulaciones en un solo evento), ahora tenemos datos. Y tendremos más datos. Los modelos se refutan, refinan o confirman, y este es un ejemplo práctico de lo que está en progreso.

Cartas de revisión física, 2022, DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.031101

Examen físico D, 2022, DOI: 10.1103/PhysRevD.104.103018 (Acerca de los DOI)

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