Comportamiento de giro de agujero negro binario revelado usando técnicas novedosas

La investigación realizada en la Universidad de Cornell ha descubierto a partir de datos de ondas gravitatorias los primeros signos potenciales de resonancias de rotación de órbita en agujeros negros binarios, un paso hacia la comprensión de los mecanismos de las supernovas y otras grandes preguntas en astrofísica.

«Estas resonancias se predijeron hace más de una década usando la teoría de la relatividad general de Einstein», dijo el astrofísico Vijay Varma. Varma, ex becario postdoctoral de Klarman en la Facultad de Artes y Ciencias (A&S), analiza las ondas gravitacionales detectadas por el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) y el detector de ondas gravitacionales Virgo para aprender más sobre los agujeros negros binarios. «Encontramos los primeros ‘indicios’ de las resonancias en los datos de ondas gravitacionales de LIGO y Virgo».

La velocidad a la que gira un agujero negro revela mucho sobre su historia, dijo Varma: para los agujeros negros dispuestos en un par interactivo, llamado binario, la dirección del giro de cada agujero negro también es reveladora, especialmente en relación entre sí.

En «Consejos de resonancias de giro-órbita en la población de agujeros negros binarios», publicado el 19 de enero en Cartas de revisión física, Varma y sus colaboradores informan que los giros de los dos agujeros negros, cuando se proyectan en el plano orbital, tienden a ser antiparalelos entre sí, lo que puede ser una firma de resonancias de giro-órbita. Se necesitan más observaciones para confirmar estas tendencias, dijo Varma.

Varma realizó gran parte de esta investigación mientras era miembro de Klarman; ahora es becario Marie Curie en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional. Los colaboradores de este trabajo incluyen a Syliva Biscoveanu, Maximiliano Isi y Salvatore Vitale del Instituto de Tecnología de Massachusetts, y Will Farr del Instituto Flatiron.

«Los efectos de resonancia son omnipresentes en los sistemas físicos. Ocurren cuando dos procesos en un sistema ocurren en frecuencias especialmente relacionadas», dijo Saul Teukolsky, profesor de física Hans A. Bethe (A&S), mentor de la facultad de Varma en Cornell. «En los sistemas de agujeros negros que está estudiando Vijay, se predice que la resonancia ocurrirá entre el movimiento giratorio de los agujeros negros y su movimiento orbital, y deja una huella en las ondas gravitacionales producidas. Este trabajo muestra que si analizamos los datos inteligentemente , estamos mucho más cerca de probar esta predicción de la Relatividad General de lo que pensábamos».

Los agujeros negros normalmente giran (giran) porque se forman a partir de estrellas moribundas que giran a sí mismas, dijo Varma. Cuando dos agujeros negros de este tipo se orbitan entre sí en un binario, sus espines interactúan con la órbita.

Los agujeros negros binarios pierden energía debido a las ondas gravitacionales, lo que hace que los agujeros negros se acerquen y finalmente se fusionen, dijo Varma. Algunos giros de agujeros negros binarios están alineados a lo largo o en oposición al momento angular orbital, lo que lleva a una fusión «suave» en un plano fijo. Pero otros agujeros negros binarios tienen giros inclinados con respecto al momento angular orbital, lo que desencadena una intrincada interacción llamada precesión.

«Cuando los giros se inclinan con respecto al momento angular orbital, la órbita se desplaza como un trompo que gira a lo largo de un eje inclinado», dijo Varma.

Las resonancias de giro-órbita pueden ocurrir en binarios en precesión, pero esto depende de la naturaleza del mecanismo de supernova que produce los agujeros negros a partir de sus progenitores estelares, dijo Varma. Si la emisión de la supernova no es simétrica en todas las direcciones, el agujero negro obtiene una velocidad de retroceso al nacer, que es similar al retroceso de un arma disparada.

«Si los retrocesos de la supernova son lo suficientemente grandes, la binaria puede terminar en una resonancia de órbita giratoria», dijo Varma. «Estas son configuraciones especiales donde las direcciones de giro en el plano orbital son paralelas o antiparalelas».

Se pensó que los detectores de ondas gravitacionales de LIGO y Virgo no eran lo suficientemente sensibles como para detectar evidencia de resonancias de giro-órbita. Sin embargo, Varma y sus colaboradores aplicaron dos trucos de recopilación de datos para detectar estos primeros indicios.

Primero, Varma aplicó modelos informáticos basados ​​en simulaciones de agujeros negros.

«Vijay es un experto mundial en el desarrollo de lo que se llama ‘modelos sustitutos'», dijo Teukolsky en una entrevista de 2020.

Varma dijo: «Estos modelos capturan con precisión el efecto de los giros de las simulaciones numéricas. Nos permiten extraer la mayor cantidad posible de esta información de las observaciones de ondas gravitacionales».

En segundo lugar, los investigadores aprendieron a medir los giros justo antes de que los agujeros negros se fusionaran, en lugar de la práctica estándar de medir los giros muchas órbitas antes de la fusión. Este método de medición de espín tardío es el tema de un artículo complementario, «Medición de la orientación de espín del plano orbital del agujero negro binario», publicado el 19 de enero en Revisión física D.

«Estamos comenzando a probar las resonancias de giro-órbita, lo que originalmente pensamos que era imposible hasta que lleguen los detectores de próxima generación en la década de 2030», dijo Varma. «Nuestra esperanza es que al estudiar estas resonancias de giro-órbita, podamos aprender más sobre el mecanismo de la supernova, que sigue siendo un misterio perdurable».