Desvelan el origen de la fusión de agujeros negros en galaxias como la nuestra

Un equipo de científicos de la Universidad de Ginebra (UNIGE), en Suiza, y la Northwestern University y la Universidad de Florida, ambas en Estados Unidos, han desvelado mediante herramientas de simulación el origen de la fusión de agujeros negros en galaxias como la Vía Láctea y arroja luz sobre su enigmática naturaleza, de acuerdo con la revista"Nature Astronomy".

Los agujeros negros poseen una inmensa atracción gravitatoria tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. La detección pionera de ondas gravitacionales en 2015, causadas por la coalescencia de dos agujeros negros, abrió una nueva ventana al universo. Desde entonces, docenas de observaciones de este tipo han desencadenado la búsqueda entre los astrofísicos para comprender sus orígenes astrofísicos.

Gracias a los recientes avances del código POSYDON en la simulación de poblaciones de estrellas binarias, el equipo de científicos ha predicho la existencia de agujeros negros binarios masivos de 30 masas solares en galaxias similares a la Vía Láctea, desafiando así las teorías anteriores.

Los agujeros negros de masa estelar son objetos celestes nacidos del colapso de estrellas con masas de unas pocas a pocos cientos de veces la de nuestro Sol. Su campo gravitatorio es tan intenso que ni la materia ni la radiación pueden eludirlos, lo que dificulta enormemente su detección.

Por eso, cuando el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) detectó en 2015 las diminutas ondulaciones en el espaciotiempo producidas por la fusión de dos agujeros negros, se consideró un momento decisivo. Según los astrofísicos, los dos agujeros negros en fusión que originaron la señal tenían unas 30 veces la masa del Sol y se encontraban a mil 500 millones de años luz de distancia.

La colaboración POSYDON ha realizado importantes avances en la simulación de poblaciones de estrellas binarias. Este trabajo está ayudando a dar respuestas más precisas y a conciliar las predicciones teóricas con los datos observacionales.

"Como es imposible observar directamente la formación de agujeros negros binarios en fusión, es necesario basarse en simulaciones que reproduzcan sus propiedades observacionales. Para ello, simulamos los sistemas de estrellas binarias desde su nacimiento hasta la formación de los sistemas de agujeros negros binarios", explica Simone Bavera, investigadora postdoctoral del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y autora principal de este estudio.

Interpretar los orígenes de los agujeros negros binarios en fusión, como los observados en 2015, requiere comparar las predicciones de los modelos teóricos con las observaciones reales --prosigue--. La técnica utilizada para modelizar estos sistemas se conoce como "síntesis de poblaciones binarias".

Añade que "esta técnica simula la evolución de decenas de millones de sistemas estelares binarios con el fin de estimar las propiedades estadísticas de la población de fuentes de ondas gravitacionales resultante. Sin embargo, para conseguirlo en un plazo razonable, los investigadores se han basado hasta ahora en modelos que utilizan métodos aproximados para simular la evolución de las estrellas y sus interacciones binarias".

"De ahí que la simplificación excesiva de la física estelar simple y binaria conduzca a predicciones menos precisas", explica Anastasios Fragkos, profesor adjunto del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE.

POSYDON ha superado estas limitaciones. Diseñado como software de código abierto, aprovecha una gran biblioteca precalculada 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 un superordenador, por lo que esta técnica de simulación no es directamente aplicable a la síntesis de poblaciones binarias.

"Sin embargo, al precomputar una biblioteca de simulaciones que cubren todo el espacio de parámetros de las condiciones iniciales, POSYDON puede utilizar este amplio conjunto de datos junto con métodos de aprendizaje automático para predecir la evolución completa de sistemas binarios en menos de un segundo. Esta velocidad es comparable a la de los códigos de síntesis rápida de poblaciones de generaciones anteriores, pero con mayor precisión", explica Jeffrey Andrews, profesor adjunto del Departamento de Física de la UF.

"Los modelos anteriores a POSYDON predecían una tasa de formación insignificante de agujeros negros binarios en fusión en galaxias similares a la Vía Láctea, y en particular no preveían la existencia de agujeros negros en fusión tan masivos como 30 veces la masa de nuestro sol. POSYDON ha demostrado que tales agujeros negros masivos podrían existir en galaxias similares a la Vía Láctea", explica Vicky Kalogera, Catedrática Distinguida de Física y Astronomía Daniel I. Linzer del Departamento de Física y Astronomía de la Northwestern, directora del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) y coautora de este estudio.

Los modelos anteriores sobrestimaban ciertos aspectos, como la expansión de las estrellas masivas, que influye en su pérdida de masa y en las interacciones binarias. Estos elementos son ingredientes clave que determinan las propiedades de los agujeros negros en fusión.

Gracias a simulaciones detalladas y totalmente autoconsistentes de la estructura estelar y las interacciones binarias, POSYDON logra predicciones más precisas de las propiedades de los agujeros negros binarios en fusión, como sus masas y giros.

Este estudio es el primero en utilizar el software POSYDON de código abierto para investigar la fusión de agujeros negros binarios. Aporta nuevos conocimientos sobre los mecanismos de formación de agujeros negros fusionados en galaxias como la nuestra.

El equipo de investigación está desarrollando actualmente una nueva versión de POSYDON, que incluirá una biblioteca más amplia de simulaciones estelares y binarias detalladas, capaz de simular binarias en una gama más amplia de tipos de galaxias.