Las ondas en la tela del espacio y el tiempo ofrecen nuevas pistas sobre la forma de los agujeros negros

Los agujeros negros son uno de los objetos más fascinantes del Universo. En su superficie, conocida como el “horizonte de sucesos”, la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Por lo general, los agujeros negros son criaturas silenciosas y silenciosas que se tragan cualquier cosa que se les acerque demasiado; Sin embargo, cuando dos agujeros negros chocan y se fusionan, producen uno de los eventos más catastróficos del Universo: en una fracción de segundo, un fenómeno altamente deformado. calabozo nace y libera enormes cantidades de energía a medida que se asienta en su forma final. Este fenómeno brinda a los astrónomos una oportunidad única de observar agujeros negros que cambian rápidamente y explorar la gravedad en su forma más extrema.

Aunque los agujeros negros en colisión no producen luz, los astrónomos pueden observar los ondas gravitacionales – ondas en la tela del espacio y el tiempo – que rebotan en ellas. Los científicos especulan que, después de una colisión, el comportamiento del agujero negro remanente es clave para comprender la gravedad y debería estar codificado en las ondas gravitacionales emitidas.

Ilustración del artista de la cúspide de un agujero negro. Crédito: C. Evans; JC Bustillo

En el artículo publicado en Física de las comunicaciones (Nature), un equipo de científicos liderado por el ex alumno de OzGrav, el profesor Juan Calderón Bustillo, ahora ‘La Caixa Junior Leader – Marie Curie Fellow’ en el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (Santiago de Compostela, España), ha revelado cómo las ondas gravitacionales codificar la forma de los agujeros negros fusionados a medida que se asientan en su forma final.

El estudiante graduado y coautor Christopher Evans del Instituto de Tecnología de Georgia (EE. UU.) Dice: “Realizamos simulaciones de colisiones de agujeros negros usando supercomputadoras y luego comparamos la forma rápidamente cambiante del agujero negro remanente con las ondas gravitacionales que emite. Descubrimos que estas señales son mucho más ricas y complejas de lo que comúnmente se piensa, lo que nos permite aprender más sobre la forma enormemente cambiante del agujero negro final “.

Primero, ambos agujeros negros se orbitan entre sí, acercándose lentamente, durante la etapa inspiral. En segundo lugar, los dos agujeros negros se fusionan, formando un agujero negro distorsionado. Finalmente, el agujero negro alcanza su forma final. b: Frecuencia de las señales de ondas gravitacionales observadas desde la parte superior de la colisión (más a la izquierda) y desde varias posiciones en su ecuador (en reposo) en función del tiempo. La primera señal muestra la típica señal de “chirrido”, en la que la frecuencia aumenta en función del tiempo. Los otros tres muestran que, después de la colisión (en t = 0) la frecuencia cae y vuelve a subir, produciendo un segundo “chirrido”. Crédito: C. Evans, J. Calderón Bustillo

Las ondas gravitacionales de los agujeros negros en colisión son señales muy simples conocidas como “chirridos”. A medida que los dos agujeros negros se acercan, emiten una señal de frecuencia y amplitud crecientes que indica la velocidad y el radio de la órbita. Según el profesor Calderón Bustillo, “el tono y la amplitud de la señal aumentan a medida que los dos agujeros negros se acercan cada vez más rápido. Después de la colisión, el último agujero negro remanente emite una señal con un tono constante y una amplitud decreciente, como el sonido de una campana al sonar “. Este principio es consistente con todas las observaciones de ondas gravitacionales hasta ahora, cuando se estudia la colisión desde arriba.

Sin embargo, el estudio encontró que sucede algo completamente diferente si la colisión se observa desde el “ecuador” del agujero negro final. “Cuando observamos los agujeros negros desde su ecuador, encontramos que el agujero negro final emite una señal más compleja, con un tono que sube y baja unas cuantas veces antes de morir”, explica el profesor Calderón Bustillo. “En otras palabras, el agujero negro realmente emite varios pitidos”.

Detalle de la forma del agujero negro remanente después de la colisión de un agujero negro, con una ‘forma de castaño’. Las regiones de fuerte emisión de ondas gravitacionales (en amarillo) se agrupan cerca de su cúspide. Este agujero negro gira haciendo que la cúspide apunte a todos los observadores a su alrededor. Crédito: C. Evans, J. Calderón Bustillo

El equipo descubrió que esto está relacionado con la forma del agujero negro final, que actúa como una especie de faro de ondas gravitacionales: “Cuando los dos agujeros negros originales, ‘padres’ son de diferentes tamaños, el agujero negro final parece inicialmente un castaño, con una cúspide en un lado y una espalda más ancha y lisa en el otro ”, dice Bustillo. “Resulta que el agujero negro emite ondas gravitacionales más intensas a través de sus regiones más curvas, que son las que rodean su cúspide. Esto se debe a que el agujero negro remanente también está girando y su cúspide y su espalda apuntan repetidamente a todos los observadores, produciendo múltiples chirridos “.

El coautor, el profesor Pablo Laguna, ex presidente de la Facultad de Física de Georgia Tech y ahora profesor de la Universidad de Texas en Austin, señaló que “mientras que una relación entre las ondas gravitacionales y el comportamiento del agujero negro final se ha conjeturado durante mucho tiempo , nuestro estudio proporciona el primer ejemplo explícito de este tipo de relación “.

Referencia: 8 de octubre de 2020, Física de las comunicaciones.
DOI: 10.1038 / s42005-020-00446-7