Los agujeros negros pueden ganar masa debido a la misma expansión del universo

La primera imagen renderizada de un agujero negro, iluminado por materia que cae. En este estudio, los investigadores han propuesto un modelo en el que estos objetos pueden ganar masa sin la adición de materia: pueden acoplarse cosmológicamente al crecimiento del propio universo. Crédito: Jean-Pierre Luminet, “Imagen de un agujero negro esférico con un disco de acreción delgado”, Astronomy and Astrophysics 75 (1979): 228–35.
La primera imagen renderizada de un agujero negro, iluminado por materia que cae. En este estudio, los investigadores han propuesto un modelo en el que estos objetos pueden ganar masa sin la adición de materia: pueden acoplarse cosmológicamente al crecimiento del propio universo. Crédito: Jean-Pierre Luminet, “Imagen de un agujero negro esférico con un disco de acreción delgado”, Astronomy and Astrophysics 75 (1979): 228–35.

Durante los últimos 6 años, los observatorios de ondas gravitacionales han estado detectando fusiones de agujeros negros, verificando una predicción importante de la teoría de la gravedad de Albert Einstein. 

Pero hay un problema: muchos de estos agujeros negros son inesperadamente grandes. 

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Hawaii en Mānoa, la Universidad de Chicago y la Universidad de Michigan en Ann Arbor, han propuesto una solución novedosa a este problema: los agujeros negros crecen junto con la expansión del universo.

Desde la primera observación de la fusión de agujeros negros realizada por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser ( LIGO ) en 2015, los astrónomos se han visto sorprendidos repetidamente por sus grandes masas. 

Aunque no emiten luz, las fusiones de agujeros negros se observan a través de la emisión de ondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio-tiempo que fueron predichas por la teoría de la relatividad general de Einstein. 

Los físicos originalmente esperaban que los agujeros negros tuvieran masas menos de unas 40 veces la del Sol, porque los agujeros negros fusionados surgen de estrellas masivas, que no pueden mantenerse juntas si crecen demasiado.  

Los observatorios LIGO y Virgo, sin embargo, han encontrado muchos agujeros negros con masas superiores a la de 50 soles, algunos tan masivos como 100 soles. 

Se han propuesto numerosos escenarios de formación para producir agujeros negros tan grandes, pero ningún escenario único ha sido capaz de explicar la diversidad de fusiones de agujeros negros observadas hasta ahora, y no hay acuerdo sobre qué combinación de escenarios de formación es físicamente viable. 

Este nuevo estudio, publicado en Astrophysical Journal Letters , es el primero en mostrar que las masas de agujeros negros grandes y pequeños pueden resultar de una sola vía, en la que los agujeros negros ganan masa a partir de la expansión del propio universo.

Comparación de las observaciones de la fusión de agujeros negros con las predicciones del nuevo modelo. El eje horizontal muestra la masa total de ambos agujeros negros en cualquier fusión individual, en relación con la masa del Sol. El eje vertical da una medida de qué tan lejos en el pasado se observó la fusión, donde un corrimiento al rojo (denotado z) de 1 corresponde a cuando el Universo tenía la mitad de su tamaño actual y z = 0 es hoy. Las observaciones de LIGO — Virgo se muestran como cruces negras, con cruces más pequeñas que representan mediciones con incertidumbres más pequeñas. Las predicciones para los agujeros negros en un universo estático (no en expansión) se muestran en la región naranja, y el sombreado más oscuro representa más objetos predichos. Estos se contrastan con las predicciones de los agujeros negros acoplados cosmológicamente en un universo en crecimiento, que se muestran en la región azul. Crédito: Universidad de Hawaii

Los astrónomos suelen modelar agujeros negros dentro de un universo que no puede expandirse. “Es una suposición que simplifica las ecuaciones de Einstein porque un universo que no crece tiene mucho menos evaluar ”, dijo Kevin Croker, profesor del Departamento de Física y Astronomía de la UH Mānoa. “Sin embargo, existe una compensación: las predicciones solo pueden ser razonables durante un período de tiempo limitado. “

Debido a que los eventos individuales detectables por LIGO- Virgo solo duran unos segundos, cuando se analiza un evento individual, esta simplificación es sensata. 

Pero estas mismas fusiones se están gestando potencialmente durante miles de millones de años. 

Durante el tiempo que transcurre entre la formación de un par de agujeros negros y su eventual fusión, el universo crece profundamente. 

Si se consideran cuidadosamente los aspectos más sutiles de la teoría de Einstein, entonces surge una posibilidad sorprendente: las masas de agujeros negros podrían crecer al unísono con el universo, un fenómeno que Croker y su equipo llaman acoplamiento cosmológico.

El ejemplo más conocido de material acoplado cosmológicamente es la luz misma, que pierde energía a medida que crece el universo. “Pensamos considerar el efecto contrario”, dijo el coautor de la investigación y profesor de Física y Astronomía de UH Mānoa, Duncan Farrah. “¿Qué observaría LIGO-Virgo si los agujeros negros estuvieran acoplados cosmológicamente y ganaran energía sin necesidad de consumir otras estrellas o gas? “

Para investigar esta hipótesis, los investigadores simularon el nacimiento, la vida y la muerte de millones de pares de estrellas grandes. 

Los pares en los que ambas estrellas murieron para formar agujeros negros se relacionaron con el tamaño del universo, comenzando en el momento de su muerte. 

A medida que el universo continuó creciendo, las masas de estos agujeros negros crecieron a medida que avanzaban en espiral entre sí. 

El resultado no solo fue más agujeros negros masivos cuando se fusionaron, sino también muchas más fusiones. 

Cuando los investigadores compararon los datos de LIGO-Virgo con sus predicciones, coincidieron razonablemente bien. “Tengo que decir que no sabía qué pensar al principio”, dijo el coautor de la investigación y profesor de la Universidad de Michigan, Gregory Tarlé. “Fue una idea tan simple, me sorprendió que funcionara tan bien. “

Según los investigadores, este nuevo modelo es importante porque no requiere ningún cambio en nuestra comprensión actual de la formación, evolución o muerte estelar. 

El acuerdo entre el nuevo modelo y nuestros datos actuales proviene simplemente de reconocer que los agujeros negros realistas no existen en un universo estático. 

Los investigadores tuvieron cuidado de enfatizar, sin embargo, que el misterio de LIGO, los enormes agujeros negros de Virgo, está lejos de estar resuelto. 

“Muchos aspectos de la fusión de los agujeros negros no se conocen en detalle, como los entornos de formación dominantes y los intrincados procesos físicos que persisten a lo largo de sus vidas”, dijo el coautor de la investigación y becario del Hubble de la NASA, el Dr. Michael Zevin. “Si bien usamos una población estelar simulada que refleja los datos que tenemos actualmente, hay mucho margen de maniobra. Podemos ver que el acoplamiento cosmológico es una idea útil, pero aún no podemos medir la fuerza de este acoplamiento. “

El coautor de la investigación y profesor de Física y Astronomía de UH Mānoa, Kurtis Nishimura, expresó su optimismo por las futuras pruebas de esta nueva idea: “A medida que los observatorios de ondas gravitacionales continúen mejorando las sensibilidades durante la próxima década, la mayor cantidad y calidad de datos permitirá nuevos análisis técnicas. Esto se medirá lo suficientemente pronto. “

Referencia:  “Cosmologically Coupled Compact Objects: A Single-parameter Model for LIGO–Virgo Mass and Redshift Distributions” by Kevin S. Croker, Michael Zevin, Duncan Farrah, Kurtis A. Nishimura and Gregory Tarlé, 3 November 2021, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac2fad

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