Un equipo formado por persoal do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) e a Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK) acaba de publicar en The Astrophysical Journal un artigo no que se propón un novo método para reconstruír a ‘árbore xenealóxica’ dos buracos negros. Un dos autores principais deste traballo é Juan Calderón Bustillo, investigador  Ramón y Cajal no IGFAE, centro mixto da Universidade de Santiago de Compostela e a Xunta de Galicia.

O enfoque desta investigación ofrece unha maneira de inferir as propiedades dos buracos negros ‘proxenitores’ das fusións protagonizadas por estes fenómenos cósmicos, un dos eventos máis brutais que se poden observar no universo. Froito destas fusións xéranse as ondas gravitacionais, unha especie de ‘engurras’ no espazo-tempo que viaxan á velocidade da luz, e que na actualidade poden detectarse a través dos detectores desenvolvidos por colaboracións internacionais como Virgo, Kagra ou LIGO, na que participa o IGFAE.

Descifrando a árbore xenealóxica dos buracos negros

Mediante a análise das ondas gravitacionales é posible obter información sobre os buracos negros fusionados, como as súas masas, o sentido do seu xiro e outras pistas sobre as súas orixes. Na maioría dos casos, os buracos negros fórmanse a partir dos restos de estrelas masivas que colapsaron baixo a súa propia gravidade, unha vez esgotan o seu combustible nuclear.

Con todo, segundo as teorías astrofísicas, existe unha especie de ‘baleiro’ no cal os buracos negros non poden formarse directamente a partir do colapso estelar, e que se coñece como ‘ intervalo de masas de inestabilidade de pares’. Crese que os buracos negros dentro deste intervalo orixínanse a partir de fusións xerárquicas, é dicir, fusións sucesivas de buracos negros ‘ancestrais’ máis pequenos, cada un dos cales forma un buraco negro progresivamente máis masivo. Conforman, desta maneira, unha especie de árbore xenealóxica no que este artigo pretende mergullarse.

Aínda que esta explicación parece sinxela, o proceso non é trivial. Para que un buraco negro participe en fusións sucesivas, debe permanecer ligado á súa contorna hospedadora, como unha galaxia ou un cúmulo estelar denso. Con todo, os buracos negros producidos en fusións adquiren unha velocidade de retroceso, ou ‘patada’, que pode alcanzar miles de quilómetros por segundo, a miúdo suficiente para expulsalos da maioría das contornas que o acollen. Por exemplo, nos cúmulos globulares, que se consideran hospedadores clave para as fusións de buracos negros, a velocidade de escape é de só uns 50 km/s. Aínda que o xiro e a masa dos buracos negros poden medirse directamente a partir dos sinais de ondas gravitacionais, a velocidade de retroceso depende das propiedades dos ‘antepasados’ dos buracos negros en fusión, que non se poden observar directamente.

“Con este tipo de estudo, non só podemos adiviñar os antepasados dos buracos negros que observamos. Tamén podemos adiviñar en que tipo de contorna (se é que a hai!) puido ter lugar este proceso. Se ningunha contorna é viable e estes buracos negros non poden ser o resultado de fusións anteriores, quizá teñamos que volver expornos a evolución estelar ou considerar que quizá non esteamos a observar buracos negros en absoluto”, afirma Juan Calderón.

Análise do misterioso sinal GW190521

O equipo aplicou esta técnica ao misterioso sinal de ondas gravitacionais GW190521, que implica a un buraco negro que cae nese ‘baleiro de masas prohibido’. “Descubrimos que, segundo as propiedades que certos grupos atoparon para este buraco negro, é pouco probable que se formase nun Cúmulo Globular debido ás grandes ‘patadas’ que este buraco negro pode herdar”, afirma Carlos Araújo, estudante de mestrado no Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) e antigo alumno de licenciatura na USC, tamén autor do artigo.

“De feito, as contornas con maiores velocidades de escape, como os Núcleos Galácticos Activos ou os Cúmulos Estelares Nucleares parecen máis plausibles, debido á súa capacidade para reter buracos negros con grandes velocidades de escape. Isto concorda cos estudos existentes que suxiren que GW190521 produciuse nun Núcleo Galáctico Activo”, afirma Henry Wong, antigo estudante de CUHK e agora científico de datos no sector privado.

“Descubrimos que podemos acceder á patada de nacemento do buraco negro porque está estreitamente ligada ao seu espín. Por desgraza, hoxe en día non podemos medir os espines con moita precisión, o que constitúe un dos factores limitantes do noso estudo. A medida que LIGO e Virgo sigan aumentando a súa sensibilidade e entren en funcionamento novos detectores de terceira xeración, o noso método proporcionará información máis detallada sobre a xenealoxía dos buracos negros que observamos”, afirma Ania Liu, coautora do estudo e estudante de doutoramento na CUHK.