Las ondas en el tejido 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, llamada «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 agujero negro nace y libera enormes cantidades de energía a medida que toma su forma final. Este fenómeno brinda a los astrónomos una oportunidad única de observar agujeros negros en rápida evolución y explorar la gravedad en su forma más extrema.

Aunque los agujeros negros en colisión no producen luz, los astrónomos pueden observar la ondas gravitacionales – ondas en la tela del espacio y el tiempo – que rebotan en ellas. Los científicos creen que después de una colisión, el comportamiento del agujero negro restante es esencial para comprender la gravedad y debe codificarse 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 (Saint- Santiago de Compostela, España) – reveló cómo las ondas gravitacionales codifican la forma de los agujeros negros que se fusionan a medida que toman su forma final.

Christopher Evans, estudiante de posgrado y coautor del Instituto de Tecnología de Georgia (EE. UU.), Dice: “Realizamos simulaciones de colisión de agujeros negros usando supercomputadoras y luego comparamos la forma cambiante del agujero negro residual. a las ondas gravitacionales que emite. Hemos descubierto que estas señales son mucho más ricas y complejas de lo que generalmente pensamos, lo que nos permite aprender más sobre la forma cambiante del agujero negro final.

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

Las ondas gravitacionales de los agujeros negros en colisión son señales muy simples llamadas «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, “La altura 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 agujero negro restante emite una señal con altura constante y amplitud decreciente, como el sonido de una campana golpeada. 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 emitía una señal más compleja, con una altura que sube y baja varias veces antes de morir», explica el profesor Calderón Bustillo. «En otras palabras, el agujero negro en realidad chirría varias veces».

Detalle de la forma del agujero negro que queda tras la colisión de un agujero negro, con «forma de castaño». Las regiones de fuerte emisión de ondas gravitacionales (en amarillo) se agrupan cerca de su cúspide. Este agujero negro gira, apuntando la cúspide hacia todos los observadores a su alrededor. Créditos: 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 baliza de ondas gravitacionales: “Cuando los dos agujeros negros originales, ‘padres’ son de diferentes tamaños, el agujero negro final parece inicialmente a una castaña, con una cúspide en un lado y una espalda más ancha y lisa en el otro ”, explica 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 restante también gira y su cúspide y punto de retorno repetidamente a todos los observadores, produciendo varios tweets.

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 «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