viernes, 8 de noviembre de 2013

¿Pueden formarse dos agujeros negros a partir del colapso de una sola estrella?

Las diversas etapas encontrados durante el colapso de una estrella supermasiva en fragmentación. Cada panel muestra la distribución de la densidad en el plano ecuatorial. La estrella está girando tan rápidamente que la configuración en el inicio de la caída (panel superior izquierdo) es cuasi-toroidal. La simulación termina después de que el agujero negro se ha creado (panel inferior derecho).Cristiano Reisswig / Caltech.
Los agujeros negros, estos enigmáticos objetos tan masivo que ni siquiera la luz puede escapar de ellos dada su enorme fuerza de gravedad, poseen una gran variedad de tamaños. En un extremo de esta escala se encuentran los agujeros negros estelares, de masa estelar, y que se forman durante la muerte de las estrellas. En el extremo opuesto se encuentran los de mayor tamaño, los agujeros negros supermasivos que contienen hasta mil millones de veces la masa de nuestro Sol. Durante miles de millones de años, los pequeños agujeros negros pueden aumentar su tamaño lentamente acretando la masa de las estrellas de alrededor o bien mediante la fusión con otros agujeros negros, hasta formar cuerpos supermasivos. Pero hoy en día, no somos capaces de explicar la existencia de los agujeros negros supermasivos que existían en el universo temprano y que se formaron menos de mil millones de años después del Big Bang.

 Pero una nueva investigación promovida por científicos del Caltech, el Instituto de Tecnología de California, pueden ayudar a resolver este problema.

Ciertos modelos de crecimiento de agujeros negros supermasivos se basan en la presencia de agujeros negros “semilla” fruto de la muerte de estrellas muy tempranas. Estos agujeros negros semillas ganaron masa y aumentaron su tamaño acretando los materiales presentes a su alrededor o mediante la fusión con otros agujeros negros. “Pero en estos modelos anteriores, simplemente, no había tiempo suficiente para que ningún agujero negro supermasivo alcanzase su escala tan pronto después del nacimiento del universo”, comentó Christian Reisswig. “El crecimiento de los agujeros negros supermasivos en las escalas del universo joven sólo parece posible si la masa ‘semilla’ del objeto colapsado ya era lo suficientemente grande”.



Para investigar los orígenes de los agujeros negros supermasivos tempranos, Reisswig, en colaboración con Christian Ott, del Caltech, y sus colegas, se centraron en un modelo con la participación de estrellas supermasivas. Se cree que estas exóticas estrellas gigantes habrían existido por un breve tiempo en el universo temprano. A diferencia de las estrellas ordinarias, las estrellas supermasivas se estabilizan contra la gravedad por su propia radiación de fotones. En una estrella muy masiva, la radiación de fotones -el flujo hacia el exterior de los fotones que se generan debido a las altas temperaturas del interior de la estrella- empuja el gas de la estrella hacia el exterior en oposición a la fuerza de la gravedad, que tira del gas de regreso hacia el interior. Cuando los dos fuerzas son iguales, este equilibrio se llama equilibrio hidrostático.


Durante su vida, una estrella supermasiva se enfría lentamente debido a la pérdida de energía causada a través de la emisión de radiación de fotones. A medida que la estrella se enfría, se vuelve más compacta y su densidad central aumenta lentamente. Este proceso dura un par de millones de años hasta que la estrella alcanza una compacidad suficiente como para que la inestabilidad gravitacional se establezca y para que la estrella inicie el colapso gravitacional, dice Reisswig.

Estudios anteriores predijeron que cuando colapsan las estrellas supermasivas, mantienen una forma esférica que posiblemente se aplana debido a la rápida rotación. Esta forma se llama una configuración simétrica al eje. Incorporando el hecho de que las estrellas que giran muy rápidamente son propensas a pequeñas perturbaciones, Reisswig y sus colegas predijeron que estas perturbaciones pueden causar que las estrellas se desvíen hacia formas no axisimétricas durante el colapso. Estas perturbaciones, diminutas al principio, crecerían rápidamente, causando en última instancia que el gas del interior de la estrella en colapso se agrupe para formar fragmentos de alta densidad.

Estos fragmentos orbitan el centro de la estrella y se vuelven cada vez más densos, ya que recogen la materia durante el colapso, aumentando también su temperatura. Y luego, comenta Reisswig, “se dispara un efecto interesante”. A temperaturas lo suficientemente altas, no habría la energía necesaria disponible para unir a los electrones con sus antipartículas, los positrones, lo que se conoce como pares electrón-positrón. La creación de pares electrón-positrón causaría una pérdida de presión, que aceleraría aún más el colapso, y como resultado, finalmente, los dos fragmentos en órbita llegan a ser tan densos que se podría formar un agujero negro en cada grupo. El par de agujeros negros podría entonces girar en espiral uno alrededor del otro antes de fundirse para convertirse en un único agujero negro de gran tamaño. "Este es un nuevo descubrimiento ", dijo Reisswig. "Nadie ha predicho nunca que una sola estrella en colapso podría producir un par de agujeros negros que se fusionan."

Reisswig y sus colegas utilizaron sistemas informáticos para simular una estrella supermasiva que se encuentra al borde del colapso. Con la simulación realizaron un video realizado mediante la combinación de millones de puntos que representan datos numéricos sobre la densidad, campos gravitacionales y otras propiedades de los gases que componen el colapso de las estrellas.

Aunque el estudio incluyó simulaciones por ordenador, y por lo tanto es meramente teórico, en la práctica, la formación y fusión de pares de agujeros negros puede producir una tremendamente poderosa radiación gravitacional —ondulaciones en el tejido del espacio y el tiempo, viajando a la velocidad de la luz— que es probable que sean visibles en el borde de nuestro universo, dice Reisswig. Observatorios como LIGO (Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales), manejado en común por Caltech, están buscando signos de la radiación gravitacional que se predijo por primera vez por Albert Einstein en su teoría general de la relatividad. Serán necesarias futuros observatorios de ondas gravitatorias en el espacio, dice Reisswig, para detectar los tipos de ondas gravitacionales que confirmen estos hallazgos recientes.

Ott comenta que estos resultados tienen importantes implicaciones para la cosmología. “La señal emitida mediante ondas gravitatorias y su potencial detección informarán a los investigadores sobre el proceso de formación de los primeros agujeros negros supermasivos en el universo temprano, y pueden solucionar algunas importantes preguntas —y plantear nuevas— sobre la historia de nuestro universo”, dijo.




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