En enero de 2016, los investigadores del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) hicieron historia cuando anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales. Con el apoyo de la National Science Foundation (NSF) y operado por Caltech y MIT, LIGO se dedica a estudiar las olas predichas por la Teoría de la Relatividad General de Einstein y causadas por las fusiones de agujeros negros.
Según un nuevo estudio realizado por un equipo de astrónomos del Centro de Cosmología de la Universidad de California en Irvine, tales fusiones son mucho más comunes de lo que pensábamos. Después de realizar un estudio del cosmos destinado a calcular y clasificar los agujeros negros, el equipo de UCI determinó que podría haber hasta 100 millones de agujeros negros en la galaxia, un hallazgo que tiene implicaciones significativas para el estudio de las ondas gravitacionales.
El estudio que detalla sus hallazgos, titulado "Contando los agujeros negros: la población remanente estelar cósmica y las implicaciones para LIGO", apareció recientemente en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society. Dirigido por Oliver D. Elbert, un estudiante de postdoctorado del departamento de Física y Astronomía de UC Irvine, el equipo realizó un análisis de las señales de ondas gravitacionales que LIGO detectó.
Su estudio comenzó hace aproximadamente un año y medio, poco después de que LIGO anunciara la primera detección de ondas gravitacionales. Estas ondas fueron creadas por la fusión de dos agujeros negros distantes, cada uno de los cuales era equivalente en masa a unos 30 soles. Como James Bullock, profesor de física y astronomía en UC Irvine y coautor del artículo, explicó en un comunicado de prensa de UCI:
“Fundamentalmente, la detección de ondas gravitacionales fue un gran problema, ya que fue una confirmación de una predicción clave de la teoría general de la relatividad de Einstein. Pero luego miramos más de cerca la astrofísica del resultado real, una fusión de dos agujeros negros de 30 masas solares. Eso fue simplemente asombroso y nos hizo preguntar: "¿Qué tan comunes son los agujeros negros de este tamaño y con qué frecuencia se fusionan?"
Tradicionalmente, los astrónomos han opinado que los agujeros negros tendrían aproximadamente la misma masa que nuestro Sol. Como tal, buscaron interpretar las múltiples detecciones de ondas gravitacionales realizadas por LIGO en términos de lo que se sabe sobre la formación de galaxias. Más allá de esto, también buscaron crear un marco para predecir futuras fusiones de agujeros negros.
A partir de esto, concluyeron que la Vía Láctea albergaría hasta 100 millones de agujeros negros, de los cuales 10 millones tendrían una masa estimada de aproximadamente 30 masas solares, es decir, similares a las que se fusionaron y crearon las primeras ondas gravitacionales detectadas por LIGO en 2016. Mientras tanto, las galaxias enanas, como la Draco Dwarf, que orbita a una distancia de aproximadamente 250,000 ly desde el centro de nuestra galaxia, albergarían unos 100 agujeros negros.
Determinaron además que hoy en día, la mayoría de los agujeros negros de baja masa (~ 10 masas solares) residen dentro de galaxias de 1 billón de masas solares (galaxias masivas) mientras que los agujeros negros masivos (~ 50 masas solares) residen dentro de galaxias que tienen alrededor de 10 mil millones de masas solares. (es decir, galaxias enanas). Después de considerar la relación entre la masa de la galaxia y la metalicidad estelar, interpretaron el recuento de agujeros negros de una galaxia en función de su masa estelar.
Además, también buscaron determinar con qué frecuencia ocurren los agujeros negros en pares, con qué frecuencia se fusionan y cuánto tiempo tomaría. Su análisis indicó que solo una pequeña fracción de los agujeros negros necesitaría participar en fusiones para acomodar lo que LIGO observó. También ofreció predicciones que mostraron cómo agujeros negros aún más grandes podrían fusionarse en la próxima década.
Como explicó Manoj Kaplinghat, también profesor de física y astronomía de la UCI y segundo coautor del estudio:
“Mostramos que solo del 0,1 al 1 por ciento de los agujeros negros formados tienen que fusionarse para explicar lo que vio LIGO. Por supuesto, los agujeros negros tienen que acercarse lo suficiente como para fusionarse en un tiempo razonable, lo cual es un problema abierto ... Si las ideas actuales sobre la evolución estelar son correctas, nuestros cálculos indican que las fusiones de incluso agujeros negros de 50 masas solares serán ser detectado en unos pocos años ".
En otras palabras, nuestra galaxia podría estar repleta de agujeros negros, y las fusiones podrían estar ocurriendo de manera regular (en relación con las escalas de tiempo cosmológicas). Como tal, podemos esperar que sean posibles muchas más detecciones de ondas de gravedad en los próximos años. Esto no debería sorprender, ya que LIGO ha realizado dos detecciones adicionales desde el invierno de 2016.
Con muchos más por venir, los astrónomos tendrán muchas oportunidades para estudiar las fusiones de agujeros negros, ¡sin mencionar la física que los impulsa!
