Orígenes de la fusión de agujeros negros en galaxias como la nuestra

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

Por lo tanto, cuando las diminutas ondas en el espacio-tiempo producidas por la fusión de dos agujeros negros fueron detectadas en 2015 por el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO), fue aclamado como un momento decisivo.

Según los astrofísicos, los dos agujeros negros que se fusionaron en el origen de la señal tenían unas 30 veces la masa del sol y se encontraban a 1.500 millones de años luz de distancia.

Tubo de haz detector LIGO – foto ilustrativa. Crédito de la imagen: Jeff Keyzer vía FlickrCC BY-SA 2.0

Uniendo la teoría y la observación

¿Qué mecanismos producen estos agujeros negros? ¿Son el producto de la evolución de dos estrellas, similares a nuestro sol pero significativamente más masivas, que evolucionan dentro de un sistema binario? ¿O son el resultado de agujeros negros en cúmulos de estrellas densamente poblados que se encuentran por casualidad? ¿O podría estar involucrado un mecanismo más exótico? Todas estas cuestiones siguen siendo objeto de acalorados debates en la actualidad.

La colaboración POSYDON, un equipo de científicos de instituciones como Northwestern, la Universidad de Ginebra (UNIGE) y la Universidad de Florida (UF), ha logrado avances significativos en la simulación de poblaciones de estrellas binarias. Este trabajo está ayudando a proporcionar respuestas más precisas y reconciliar las predicciones teóricas con los datos de observación.

“Como es imposible observar directamente la formación de agujeros negros binarios fusionados, es necesario confiar en simulaciones que reproduzcan sus propiedades observacionales”, dijo Simone Bavera, investigadora postdoctoral en el departamento de astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y líder autor del estudio.

«Hacemos esto simulando los sistemas de estrellas binarias desde su nacimiento hasta la formación de los sistemas binarios de agujeros negros».

La concepción de un artista muestra dos agujeros negros fusionados similares a los detectados por LIGO. Crédito: Aurore Simonnet/LIGO-Caltech-MIT-Estado de Sonoma

Empujando los límites de la simulación

Interpretar los orígenes de la fusión de agujeros negros binarios, como el observado en 2015, requiere comparar las predicciones del modelo teórico con las observaciones reales. La técnica utilizada para modelar estos sistemas se conoce como «síntesis de población binaria».

“Esta técnica simula la evolución de decenas de millones de sistemas estelares binarios para estimar las propiedades estadísticas de la población fuente de ondas gravitacionales resultante”, dijo Anastasios Fragkos, profesor asistente en el departamento de astronomía de la Facultad de Ciencias de UNIGE.

“Sin embargo, para lograr esto en un marco de tiempo razonable, los investigadores hasta ahora se han basado en modelos que utilizan métodos aproximados para simular la evolución de las estrellas y sus interacciones binarias”, dijo. «Por lo tanto, la simplificación excesiva de la física estelar única y binaria conduce a predicciones menos precisas».

POSYDON ha superado estas limitaciones. Diseñado como software de código abierto, aprovecha una gran biblioteca precomputada de simulaciones detalladas de estrellas únicas y binarias para predecir la evolución de sistemas binarios aislados.

Cada una de estas simulaciones detalladas puede tomar hasta 100 horas de la unidad central de procesamiento (CPU) para ejecutarse en una supercomputadora, lo que hace que esta técnica de simulación no sea directamente aplicable para la síntesis de población binaria.

“Sin embargo, al calcular previamente una biblioteca de simulaciones que cubre 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 los sistemas binarios en menos de un segundo”, dijo Jeffrey Andrews, asistente profesor del departamento de física de la UF.

“Esta velocidad es comparable a la de los códigos de síntesis de población rápida de la generación anterior, pero con una precisión mejorada”.

Presentando un nuevo modelo

POSIDONun importante proyecto de desarrollo de código, significa DESPUÉSpulación SYntesis con DSimulaciones detalladas de evolución binariaENs. Kalogera y Tassos Fragos, ex Ph.D. estudiante del grupo de Kalogera, son co-investigadores principales del proyecto, que comenzó en Northwestern en 2019 con el apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza.

Fragos, ahora con la Universidad de Ginebra, es coautor del estudio. La Universidad de Florida se unió a la colaboración este año.

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

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

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

Fuente: Northwestern University