Los agujeros negros giratorios pueden preferir inclinarse en sincronía

Estaba muy emocionado cuando LIGO, el observatorio gigante de ondas gravitacionales de dos orejas en los EE. UU., detectó la primeras ondas gravitacionales. Cuándo Virgo se conectó, la triangulación de señales de ondas gravitacionales se hizo posible y la astronomía de ondas gravitacionales se hizo realidad.

Una vez que la emoción inicial de ver eventos individuales se desvaneció, era solo cuestión de tiempo y estadísticas antes de que los científicos comenzaran a extraer nuevos conocimientos de los datos. Un par de papeles nuevos ha analizado las estadísticas de fusión de agujeros negros, y los resultados de los artículos sugieren que podría haber algo inusual en la distribución de los giros de los agujeros negros.

La reveladora espiral de la muerte

Las ondas gravitacionales son el resultado del movimiento de masas a través del espacio y el tiempo. La masa estira el espacio y el tiempo, provocando un efecto dominó, muy parecido a la ola de proa de un barco que se mueve a través del agua. Y, al igual que una ola de proa, cuanto más pesada y rápida es la masa, más grande es la ola. A diferencia del agua, el espacio-tiempo es muy rígido, por lo que se necesita más que un transatlántico para crear una onda gravitatoria perceptible.

Esto significa que solo podemos observar ondas gravitacionales de objetos muy pesados ​​que se mueven extremadamente rápido. Los pares de agujeros negros que se encuentran en los momentos finales de una espiral mortal y una colisión definitivamente cumplen con este requisito. En las últimas órbitas, los dos agujeros negros tienen velocidades que son una fracción respetable de la velocidad de la luz.

esto produce masivo ondas gravitacionales, que, cuando nos alcanzan, son ondas que alargan la distancia entre Nueva York y Los Ángeles unos pocos femtómetros. En perspectiva, un átomo de hidrógeno está en el orden de 100.000 femtómetros.

Durante décadas, todo esto fue una cuestión de teoría. Pero eventualmente logramos construir detectores que nos permitieron probar esta teoría. Comprensiblemente, las primeras detecciones fueron recibidas con gran entusiasmo. Ahora, tenemos catálogos de eventos de ondas gravitacionales que pueden extraerse de datos.

Primero giras, luego orbitas

Cuando los dos agujeros negros se orbitan entre sí, su órbita define un plano, y la dirección de la órbita termina en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario a las agujas del reloj en el plano. Los dos agujeros negros también pueden estar girando, pero ese giro no tiene que estar en el plano o tener la misma dirección que la rotación orbital. De hecho, según los investigadores, no hay razón para pensar que el giro del agujero negro no sea aleatorio.

Sin embargo, también se ha predicho que, en un sistema binario, los dos giros de los agujeros negros estarán antialineados. Por ejemplo, si un agujero negro gira en el sentido de las agujas del reloj a 90 grados del plano de la órbita, el segundo girará en el sentido contrario a las agujas del reloj a 90 grados del plano de la órbita.

Si los giros de los agujeros negros están desalineados con su órbita, entonces los giros de los agujeros negros precederán como trompos mientras mantienen su antialineación. En las circunstancias adecuadas, esto también puede introducir un bamboleo en el plano de la órbita y la posibilidad de una especie de resonancia, llamada resonancia de giro-órbita. (Aquí es donde la orientación del espín hace que cambie la orientación de la órbita, lo que luego hace que cambie la orientación del espín y así sucesivamente).

Hasta ahora, estas ideas solo se han estado investigando en modelos, pero, ahora que tenemos un catálogo de fusiones de agujeros negros, finalmente podemos comenzar a buscar evidencia.

Una patada sorprendentemente pequeña

El equipo de investigación utilizó un modelo estadístico para tratar de propagar hacia atrás las ondas gravitacionales observadas a las posibles orientaciones de giro de los agujeros negros. Los investigadores asumieron dos posibles distribuciones de giros: distribuidas uniformemente (no) y una orientación en pico (una orientación preferida).

El resultado en ambos casos mostró que se prefería la antialineación de los giros de los agujeros negros. Esto confirma (aunque débilmente) las predicciones del modelo que también conducen a la resonancia espín-órbita. Incluso en el caso de suponer que el giro del agujero negro no tiene una orientación preferida, los datos favorecieron una orientación de 45 grados con respecto al plano de la órbita.

Eso es un poco sorprendente, dado que, hasta ahora, ningún modelo ha predicho una orientación de giro preferida. En ambos casos, sin embargo, el número de fusiones sigue siendo demasiado bajo para permitir conclusiones sólidas, así que considere esto como algo muy preliminar.

Los investigadores también investigaron cómo la orientación del giro influiría en el estado final del agujero negro fusionado. La producción de ondas gravitacionales da una patada (piense en la tercera ley de Newton para agujeros negros) al agujero negro posterior a la fusión. Algunos de los modelos con resonancias de espín-órbita habían predicho que este impulso podría superar los 5.000 km/s. Esto es el equivalente al gorila de la galaxia agarrando el agujero negro por el pescuezo y arrojándolo vigorosamente al vacío intergaláctico.

Aunque las predicciones de alineación de espín son bastante débiles, esto todavía se traduce en una predicción bastante fuerte para una patada bien definida de unos 300 km/s. Aparentemente, solo las moradas astronómicas más refinadas lo expulsarán por fusionarse mientras giran (cúmulos globulares, de hecho).

Por supuesto, con más datos, el pico observado en la orientación del espín podría desaparecer. Esto es lo que hace que el papel sea emocionante. A diferencia de años anteriores, cuando no había datos, o incluso hace unos años, donde todos basaban sus especulaciones en un solo evento, ahora tenemos datos. Y obtendremos más datos. Los modelos están siendo refutados, refinados o confirmados, y este es un buen ejemplo de eso en proceso.

Cartas de revisión física, 2022, DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.031101 (Acerca de los DOI)

Revisión física D, 2022, DOI: 10.1103/PhysRevD.104.103018