Los agujeros negros en los cúmulos estelares revuelven el tiempo y el espacio

Representación artística del estallido de ondas gravitacionales resultantes de la colisión de un par colisionante de agujeros negros. Crédito: Colaboración científica LIGO(LSC)/NASA.

Dentro de una década los científicos podrían ser capaces de detectar la concentración de decenas de pares de agujeros negros cada año, según un equipo de astrónomos del Argelander-Institut fuer Astronomie de la Universidad de Bonn, que publica sus hallazgos en un artículo en Noticias Mensuales de la Royal Astronomical Society.
Mediante la modelización del comportamiento de las estrellas en los cúmulos, el equipo de Bonn descubrió que ellos son un medio ideal para que los agujeros negros confluyan. Estos eventos de fusión producen ondas en el tiempo y el espacio (ondas gravitacionales) que podrían ser detectadas por instrumentos, desde comienzos de 2015.

Los cúmulos estelares se encuentran distribuidos en toda nuestra galaxia y en otras galaxias y la mayoría de las estrellas se cree que se formaron en ellos. Los más pequeños, llamados "cúmulos abiertos" tienen sólo unos pocos miembros estelares, mientras que los más grandes, los "cúmulos globulares", tienen hasta varios millones de estrellas. Las estrellas más masivas en los cúmulos utilizan su combustible de hidrógeno con relativa rapidez (en tan sólo unos pocos millones de años). Los núcleos de estas estrellas colapsan, dando lugar a una violenta explosión de supernova en la que las capas externas de la estrella son expulsadas al espacio. La explosión deja un remanente estelar con el campo gravitacional tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar, formándose así un agujero negro.

Cuando las estrellas están tan cerca unas de otras como lo están en los cúmulos, la probabilidad de colisiones y fusiones entre de todo tipo entre ellas, incluyendo los agujeros negros, es mucho mayor. Estos últimos se hunden en el centro del cúmulo, donde se forma un núcleo que está formado completamente de agujeros negros. En el núcleo, los agujeros negros experimentan una serie de interacciones, a veces formando pares binarios y, a veces, siendo expulsados del cúmulo por completo.

Ahora el Dr. Sambaran Banerjee, ha trabajado con sus colegas de la Universidad de Bonn, el Dr. Holger Baumgardt y el profesor Pavel Kroupa para desarrollar la primera simulación auto-consistente del movimiento de un agujero negro en cúmulos estelares.

Los científicos reunieron sus propios cúmulos de estrellas en una supercomputadora de alto rendimiento, y calcularon la forma en que evolucionarían, rastreando el movimiento de cada estrella y agujero negro dentro de ellos.

De acuerdo a una predicción clave de la Teoría General de la relatividad de Einstein, los agujeros negros binarios revuelven el espacio-tiempo alrededor de ellos, generando ondas que se propagan lejos como las ondas en la superficie de un lago. Estas ondas de curvatura en espacio-tiempo son conocidas como ondas gravitacionales y distorsionan temporalmente cualquier objeto que atraviesan. Pero hasta la fecha nadie ha tenido éxito en su detección.

En los núcleos de los cúmulos estelares, los agujeros negros binarios están lo suficientemente juntos para ser importantes fuentes de ondas gravitacionales. Si los agujeros negros en un sistema binario de fusión se combinan, un pulso aún más fuerte de ondas gravitacionales se irradia lejos del sistema.

Sobre la base de los nuevos resultados, la próxima generación de observatorios de ondas gravitacionales, como el Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (Advanced LIGO), puede detectar decenas de estos eventos cada año, a una distancia de casi 5000 millones de años luz (en comparación, nuestra conocida vecina, la Galaxia de Andrómeda, está a unos 2,5 millones de años luz de distancia).

Advanced LIGO estará en funcionamiento en 2015 y si el equipo de Bonn está en lo correcto, a partir de entonces podemos esperar una nueva era de la astronomía de ondas gravitacionales.

Sambaran comenta, "Los físicos han buscado ondas gravitacionales durante más de medio siglo. Pero hasta ahora ellas se han mostrado evasivas. Si tenemos razón entonces no sólo las ondas gravitacionales serán encontradas sino que la Relatividad General pasará una prueba clave y los astrónomos pronto tendrán un modo completamente nuevo de estudiar el Universo. Parece adecuado que casi exactamente 100 años después de que Einstein publicó su teoría, los científicos sean capaces de usar este fenómeno exótico para mirar algunos de los acontecimientos más exóticos en el cosmos."

Fuente:
• Black Holes in Star Clusters stir up Time and Space

Información relacionada:
• LIGO

Datos útiles:
• Agujero negro
• Teoría General de la relatividad