Cómo los agujeros negros danzantes se acercan lo suficiente como para fusionarse

Las numerosas fusiones de agujeros negros detectadas por los observatorios de ondas gravitacionales han revelado que los agujeros negros chocan entre sí con mucha más frecuencia de lo que pensábamos. Ahora, una nueva investigación sugiere una forma para que los agujeros negros se fusionen rápidamente: deben quedar atrapados en el disco de acreción de un compañero supermasivo.

Es relativamente fácil, astrofísicamente hablando, acercar dos agujeros negros. O nacen de esa manera como descendientes de un sistema estelar binario, o se encuentran al azar en las profundidades del espacio interestelar. Y una vez en órbita, pueden permanecer así, dando vueltas indefinidamente.

Incluso antes de la detección de las ondas gravitacionales de las fusiones de agujeros negros, los astrónomos sabían que los agujeros negros en órbitas binarias eventualmente tenían un final fatal. Sabemos que las galaxias grandes crecen a partir de la fusión colectiva de muchas galaxias más pequeñas y que casi todas las galaxias del universo albergan un agujero negro gigante en su centro. Pero en su mayoría, cada galaxia tiene un solo agujero negro gigante, lo que nos dice que si las galaxias se fusionan, también deben hacerlo sus agujeros negros.

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Pero lograr que los agujeros negros choquen entre sí es todo un desafío. Para acercar dos objetos en órbita entre sí, debe absorber energía e impulso del sistema. Dado que el espacio es bastante libre de fricción, este es un trabajo difícil. Los sistemas planetarios hacen esto todo el tiempo, pero generalmente implica la emisión de radiación o la presencia de gas. Los agujeros negros no tienen esa opción.

Las ondas gravitacionales pueden extraer energía e impulso de un sistema binario, pero dado que las ondas gravitacionales son tan débiles, este proceso solo funciona bien cuando los dos agujeros negros ya están muy juntos. Esto se conoce como el «problema del parsec final», donde los astrónomos han reconocido la dificultad de acercar lo suficiente los agujeros negros binarios para permitir que las ondas gravitacionales hagan el resto del trabajo de impulsar la fusión.

Resuelve el último problema de parsec.

A lo largo de los años, los astrónomos han ideado una variedad de formas de resolver el problema del parsec finito. Estos mecanismos generalmente han involucrado la presencia de un tercer objeto mucho más allá de la órbita mutua del par binario. Si las condiciones son adecuadas, con las orientaciones y velocidades adecuadas, el tercer compañero puede tirar suavemente del binario y estirar su órbita. Ese estiramiento aumenta la elipticidad de la órbita del agujero negro binario. Con el aumento de la elipticidad, los agujeros negros comienzan a pasar más y más tiempo juntos. Una vez que alcanzan una distancia crítica, las ondas gravitacionales cierran la brecha y los agujeros negros finalmente se fusionan.

Pero ese escenario requiere una configuración precisa para el tercer compañero, y eso podría no ser suficiente. Con base en todas las observaciones de ondas gravitacionales, los astrónomos estiman que hay entre 15 y 38 fusiones de agujeros negros cada año dentro de cada gigaparsec cúbico de volumen en el universo (alrededor de 1/12000 del volumen total del universo observable), y mecanismos que depender de un tercer compañero produce menos de la mitad de ese número.

En un nuevo artículo publicado en la base de datos de preimpresión arXiv (se abre en una pestaña nueva), los científicos proponen una nueva forma de fusión de los agujeros negros. También utiliza una configuración un tanto específica, pero es mucho más genérica que la dependencia de un tercer compañero distante.

La instalación comienza cerca de un agujero negro supermasivo. Esta no es una idea descabellada, porque los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de las galaxias, que están llenas de estrellas y, por lo tanto, de muchos agujeros negros más pequeños. Como ocurre con la mayoría de las cosas cerca del centro de la galaxia, probablemente podamos encontrar muchos agujeros negros binarios orbitando fácilmente el supermasivo central.

Los autores del artículo descubrieron que si el binario está inclinado en relación con su órbita alrededor del agujero negro supermasivo, existe la posibilidad de una fusión. Primero, el par binario debe tener precesión, lo que significa que el eje de su rotación orbital se tambalea con el tiempo. Si la velocidad de esa precesión coincide con el período orbital alrededor del agujero negro supermasivo central, entonces su enorme gravedad atraerá regularmente al binario, lo que hará que aumente su excentricidad y aumenten las posibilidades de una eventual fusión.

Pero ese tipo de coincidencia solo puede ocurrir si la órbita del binario alrededor del agujero negro supermasivo central es la correcta, y tiene que ser una coincidencia muy afortunada. Afortunadamente, los autores descubrieron que la naturaleza puede encargarse de eso. Dondequiera que nazcan los agujeros negros binarios, si están en el disco del agujero negro supermasivo, migrarán lentamente hacia adentro.

Independientemente de su órbita inicial, eventualmente encontrarán una distancia en la que su período orbital coincida con su período de precesión. Si permanecen en esa órbita el tiempo suficiente, la gravedad del agujero negro supermasivo central tendrá tiempo suficiente para aumentar la excentricidad.

Los autores encontraron que este era un escenario bastante genérico. Al ejecutar muchas simulaciones de las propiedades y condiciones iniciales de los agujeros negros, descubrieron que los agujeros negros binarios se fusionan de manera rutinaria.

Todavía no está claro si este es el mecanismo principal por el cual se llevan a cabo las fusiones, o si es solo una de muchas formas. Independientemente, el trabajo muestra cuán complicada puede ser la vida de los agujeros negros y las muchas formas en que pueden bailar en la oscuridad.

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