Las pistas sobre los orígenes de un agujero negro se pueden encontrar en la forma en que gira. Esto es especialmente cierto para los binarios, en los que dos agujeros negros circulan juntos antes de fusionarse. El giro y la inclinación de los respectivos agujeros negros justo antes de fusionarse pueden revelar si los gigantes invisibles surgieron de un disco galáctico silencioso o de un cúmulo de estrellas más dinámico.
Los astrónomos esperan descubrir cuál de estas historias de origen es más probable mediante el análisis de los 69 binarios confirmados detectados hasta la fecha. Pero un nuevo estudio encuentra que, por ahora, el catálogo actual de binarios no es suficiente para revelar nada fundamental sobre cómo se forman los agujeros negros.
En un estudio que aparece en la revista Letras de astronomía y astrofísica, Los físicos del MIT muestran que cuando todos los binarios conocidos y sus espines se integran en modelos de formación de agujeros negros, las conclusiones pueden verse muy diferentes, según el modelo particular utilizado para interpretar los datos.
Por lo tanto, los orígenes de un agujero negro se pueden «girar» de diferentes maneras, dependiendo de las suposiciones de un modelo sobre cómo funciona el universo.
«Cuando cambias el modelo y lo haces más flexible o haces suposiciones diferentes, obtienes una respuesta diferente sobre cómo se formaron los agujeros negros en el universo», dice la coautora del estudio Sylvia Biscoveanu, una estudiante graduada del MIT que trabaja en el Laboratorio LIGO. «Mostramos que las personas deben tener cuidado porque aún no estamos en la etapa con nuestros datos en la que podemos creer lo que nos dice el modelo».
Los coautores del estudio incluyen a Colm Talbot, un postdoctorado del MIT; y Salvatore Vitale, profesor asociado de física y miembro del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT.
Una historia de dos orígenes
Se cree que los agujeros negros en los sistemas binarios surgen a través de uno de dos caminos. La primera es a través de la «evolución binaria de campo», en la que dos estrellas evolucionan juntas y eventualmente explotan en supernovas, dejando atrás dos agujeros negros que continúan dando vueltas en un sistema binario. En este escenario, los agujeros negros deberían tener espines relativamente alineados, ya que habrían tenido tiempo, primero como estrellas, luego como agujeros negros, para jalar y tirar entre sí en orientaciones similares. Si los agujeros negros de un binario tienen aproximadamente el mismo giro, los científicos creen que deben haber evolucionado en un entorno relativamente tranquilo, como un disco galáctico.
Los binarios de agujeros negros también pueden formarse a través del «ensamblaje dinámico», donde dos agujeros negros evolucionan por separado, cada uno con su propia inclinación y giro distintos. Mediante algunos procesos astrofísicos extremos, los agujeros negros eventualmente se unen, lo suficientemente cerca como para formar un sistema binario. Este emparejamiento dinámico probablemente no ocurriría en un disco galáctico silencioso, sino en un entorno más denso, como un cúmulo globular, donde la interacción de miles de estrellas puede hacer que dos agujeros negros se unan. Si los agujeros negros de un binario tienen giros orientados al azar, probablemente se formaron en un cúmulo globular.
Pero, ¿qué fracción de binarios se forman a través de un canal versus el otro? La respuesta, creen los astrónomos, debería estar en los datos y, en particular, en las mediciones de los giros de los agujeros negros.
Hasta la fecha, los astrónomos han derivado los giros de los agujeros negros en 69 binarios, que han sido descubiertos por una red de detectores de ondas gravitacionales que incluye LIGO en los EE. UU. y su contraparte italiana Virgo. Cada detector escucha señales de ondas gravitacionales, reverberaciones muy sutiles a través del espacio-tiempo que quedan de eventos astrofísicos extremos, como la fusión de agujeros negros masivos.
Con cada detección binaria, los astrónomos han estimado las propiedades del agujero negro respectivo, incluyendo su masa y giro. Han trabajado las medidas de espín en un modelo generalmente aceptado de formación de agujeros negros, y encontraron signos de que los binarios podrían tener tanto un espín alineado preferido como espines aleatorios. Es decir, el universo podría producir binarios tanto en discos galácticos como en cúmulos globulares.
«Pero queríamos saber, ¿tenemos suficientes datos para hacer esta distinción?». dice Biscoveanu. «Y resulta que las cosas son complicadas e inciertas, y es más difícil de lo que parece».
Girando los datos
En su nuevo estudio, el equipo del MIT probó si los mismos datos producirían las mismas conclusiones cuando se trabajaron en modelos teóricos ligeramente diferentes de cómo se forman los agujeros negros.
El equipo primero reprodujo las mediciones de espín de LIGO en un modelo ampliamente utilizado de formación de agujeros negros. Este modelo asume que una fracción de los binarios en el universo prefieren producir agujeros negros con espines alineados, mientras que el resto de los binarios tienen espines aleatorios. Descubrieron que los datos parecían estar de acuerdo con las suposiciones de este modelo y mostraban un pico donde el modelo predecía que debería haber más agujeros negros con giros similares.
Luego modificaron ligeramente el modelo, alterando sus suposiciones de modo que predijera una orientación ligeramente diferente de los giros preferidos de los agujeros negros. Cuando trabajaron con los mismos datos en este modelo modificado, encontraron que los datos cambiaron para alinearse con las nuevas predicciones. Los datos también hicieron cambios similares en otros 10 modelos, cada uno con una suposición diferente de cómo prefieren girar los agujeros negros.
«Nuestro artículo muestra que su resultado depende completamente de cómo modele su astrofísica, en lugar de los datos en sí», dice Biscoveanu.
«Necesitamos más datos de los que pensábamos, si queremos hacer una afirmación que sea independiente de las suposiciones astrofísicas que hacemos», agrega Vitale.
¿Cuántos datos más necesitarán los astrónomos? Vitale estima que una vez que la red LIGO se reinicie a principios de 2023, los instrumentos detectarán un nuevo binario de agujero negro cada pocos días. Durante el próximo año, eso podría sumar cientos de mediciones más para agregar a los datos.
«Las medidas de los giros que tenemos ahora son muy inciertas», dice Vitale. «Pero a medida que construimos muchos de ellos, podemos obtener mejor información. Entonces podemos decir, sin importar el detalle de mi modelo, los datos siempre me cuentan la misma historia, una historia que luego podríamos creer».
Esta investigación fue apoyada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias.
