Un nuevo estudio ha descubierto que existen dos poblaciones distintas de agujeros negros. Uno se forma a través de modelos establecidos de colapso estelar, y el otro se forma como resultado de repetidas fusiones violentas en densos cúmulos estelares.
Los agujeros negros más grandes del universo se detectan a través de ondas en el espacio-tiempo y no se forman directamente a partir del colapso de estrellas, según una nueva investigación dirigida por la Universidad de Cardiff. En cambio, estos gigantes cósmicos crecen a través de repetidas fusiones violentas dentro de cúmulos estelares densamente poblados.
En este estudio, analizamos la versión 4.0 del Catálogo transitorio de ondas gravitacionales (GWTC-4) compilado por la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA. Este catálogo incluye 153 fusiones de agujeros negros detectadas positivamente. El equipo de investigación tenía como objetivo investigar si los agujeros negros más masivos observados eran en realidad objetos de segunda generación. Este objeto se forma cuando agujeros negros más pequeños se fusionan y vuelven a fusionarse dentro del núcleo denso de un cúmulo de estrellas. En los cúmulos estelares, las estrellas están agrupadas hasta un millón de veces más densamente que en las proximidades del Sol.
Los hallazgos, publicados en Nature Astronomy, revelaron dos poblaciones distintas de agujeros negros. El autor principal, el Dr. Fabio Antonini, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Cardiff, dijo: «La astronomía de ondas gravitacionales ahora está haciendo más que simplemente contar las fusiones de agujeros negros. Estamos aprendiendo cómo crecen los agujeros negros, dónde crecen y cómo crecen. Esto es interesante porque podemos usar esta información para probar nuestra comprensión de cómo evolucionan las estrellas y los cúmulos de estrellas en el Universo».
El equipo de investigación determinó lo siguiente a partir de los datos de ondas gravitacionales:
Una población de baja masa consistente con un agujero negro formado por el colapso de una estrella normal. Una población de gran masa que exhibe un giro característico de fusiones jerárquicas en densos cúmulos estelares.
La Dra. Isobel Romero-Shaw, coautora e investigadora Ernest Rutherford en la Universidad de Cardiff, dijo: «Lo que más nos sorprendió fue la claridad con la que los agujeros negros de gran masa se destacaban como una población separada; a diferencia de los sistemas de menor masa que normalmente giraban lentamente, los sistemas de gran masa tienen rotaciones más rápidas que se dirigen en direcciones aparentemente aleatorias, que es exactamente la señal que se esperaría si los agujeros negros se fusionaran repetidamente en densos cúmulos estelares».
El estudio también proporciona la evidencia más sólida hasta el momento de una «brecha de masa», o el rango de masas de agujeros negros que se predice que estarán ausentes debido a fenómenos de inestabilidad de pares. Esta teoría sugiere que las estrellas muy masivas explotan catastróficamente en lugar de colapsar en agujeros negros, lo que resulta en un rango de masa prohibido para los agujeros negros que se forman directamente a partir de estrellas.
Los investigadores determinaron que esta diferencia de masa comienza en aproximadamente 45 veces la masa del Sol. El Dr. Antonini dijo: «Encontramos evidencia de la brecha de masa de inestabilidad de pares pronosticada desde hace mucho tiempo, un rango de masa en el que se esperaría que las estrellas no dejaran ningún agujero negro. Los detectores de ondas gravitacionales encontraron un agujero negro que parece estar en o cerca de esa brecha, confirmado que tiene alrededor de 45 masas solares».
Reconsiderando el modelo de evolución estelar
Y añadió: «La pregunta clave ahora es: ¿Estos agujeros negros nos dicen que los modelos de evolución estelar están equivocados, o están siendo creados de alguna otra manera? «Este fenómeno parece reflejar la dinámica de los cúmulos estelares. Cuando la masa solar excede aproximadamente 45, la distribución de espín cambia de una manera que es difícil de explicar solo con estrellas binarias normales, pero puede explicarse naturalmente si estos agujeros negros se fusionan temprano en densos cúmulos de estrellas».
Además, el equipo utilizó esta transición para investigar las reacciones nucleares clave involucradas en la quema de helio dentro de estrellas masivas. El coautor, el Dr. Fani Dosopoulou, investigador de la Universidad de Cardiff, dijo: «En el futuro, los datos de ondas gravitacionales pueden ayudar a los científicos a estudiar la física nuclear, porque el límite de masa establecido por la inestabilidad por pares depende de las reacciones nucleares que ocurren en los centros de las estrellas masivas».
Este estudio representa un avance importante en la comprensión del crecimiento y origen de los agujeros negros más masivos del universo, destacando el entorno dinámico de los cúmulos estelares como sitios importantes de formación de cúmulos.
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