El descubrimiento del giro de un agujero negro podría arrojar luz sobre la relatividad general y la vida útil de las estrellas

Uno de los objetivos clave de la astronomía de ondas gravitacionales es comprender y caracterizar los giros binarios de los agujeros negros, según Vijay Varma, becario postdoctoral de Klarman en física en la Facultad de Artes y Ciencias.

Al medir las masas y las velocidades de giro de los sistemas binarios de agujeros negros en los que dos de los objetos astronómicos supercompactos orbitan entre sí, utilizando ondas gravitacionales emitidas a medida que los objetos se fusionan, los investigadores pueden obtener información sobre cuestiones más importantes de la astrofísica, incluida la relatividad general y la vida útil de las estrellas.

En «New spin on LIGO-Virgo binary black hole», publicado en Physical Review Letters el 29 de abril de 2021, Varma y sus colaboradores propusieron una forma novedosa de estudiar los agujeros negros binarios identificando cada uno de sus componentes individuales de agujeros negros por sus espines, en lugar de que sus masas, lo que conduce a una mejor medición de los giros.

Los investigadores aplicaron el nuevo método para analizar datos binarios de agujeros negros recopilados por los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo.

“En lugar de intentar identificar el giro del más pesado y ligero de los dos objetos, como se hace habitualmente, inferimos las propiedades de los objetos con el giro más alto y más bajo”, escribieron los investigadores.

Este reenfoque en los espines de los agujeros negros, en lugar de sus masas, da una nueva importancia a las mediciones de espín en binarios en los que las masas de los dos agujeros negros son casi iguales, «que parecen ser la mayoría», escribieron.

Su hallazgo cambia potencialmente la forma en que los científicos estudian los agujeros negros, que brindan información sobre la relatividad general y nuestro conocimiento de la evolución de las estrellas, entre otras cuestiones importantes. _{La concepción de un artista muestra dos agujeros negros fusionados similares a los detectados por LIGO. Crédito: Aurore Simonnet / LIGO-Caltech-MIT-Sonoma State}

«Nos dimos cuenta de que para los sistemas donde los dos agujeros negros en el binario tienen masas iguales o casi iguales, es difícil medir el giro», dijo Biscoveanu. El equipo reformuló la pregunta para mirar directamente el giro del agujero negro con el giro más alto y el agujero negro con el giro más bajo.

Varma y sus colaboradores (la autora principal Sylvia Biscoveanu, Maximiliano Isi y Salvatore Vitale, todos del Instituto de Tecnología de Massachusetts) se inspiraron para seguir esta línea de investigación mientras estudiaban datos de GW190521, un sistema binario de agujeros negros detectado por LIGO, un instrumento muy sensible. que detecta ondas gravitacionales de objetos astronómicos, incluidos los agujeros negros.

Este sistema es particularmente interesante, dijeron los investigadores, porque es el más masivo detectado hasta la fecha, y también demuestra evidencia de una firma de giro única que no se había observado previamente.

“Estamos especialmente interesados en los sistemas que tienen espines porque llevan mucha información astrofísica que puede decirnos cómo se formaron estos binarios en primer lugar”, dijo Varma , un experto en el desarrollo de ‘modelos sustitutos’, que permiten a los investigadores determinar características de los agujeros negros basadas en simulaciones de supercomputadoras.  Los agujeros negros son increíblemente pesados y densos, dijo Varma, típicamente de 10 a 30 veces más masivos que el sol, a veces más pesados, pero empaquetados en un espacio del tamaño de Hawai.

Biscoveanu comparó la medición de la masa y el giro de un sistema binario de agujeros negros con la medición de la temperatura y la dulzura de dos jugos. “Medirías la temperatura del jugo más frío que estás probando y la dulzura del jugo más dulce”, dijo.

«No trataría de medir la dulzura del jugo más frío porque es una pregunta complicada, especialmente si ambos tienen la misma temperatura».   Los investigadores dijeron que preguntar sobre el agujero negro que gira más rápido ayuda a los investigadores a aprender más sobre los sistemas individuales de agujeros negros binarios, o una población completa de agujeros negros binarios, como los observados a través de ondas gravitacionales por la colaboración LIGO-Virgo.

«Eso tiene implicaciones sobre cómo las estrellas evolucionan y forman agujeros negros», dijo Varma. «Podemos volver a las primeras etapas de la evolución y tratar de comprender los secretos de la astrofísica de los agujeros negros».

Referencia: “New Spin on LIGO-Virgo Binary Black Holes” por Sylvia Biscoveanu, Maximiliano Isi, Salvatore Vitale y Vijay Varma, 29 de abril de 2021, Physical Review Letters . La investigación fue financiada por la Beca Postdoctoral Klarman en A&S, la Fundación Sherman Fairchild, la Fundación Nacional de Ciencias, la Beca Paul and Daisy Soros y la Beca Hubble de la NASA.