Las binarias estelares y de agujero negro realizan un macabro de Dans

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Aunque nuestro Sol solitario es un solitario estelar, es mucho más común que las estrellas sean miembros de sistemas binarios en los que dos estrellas se orbitan entre sí en una espectacular danza de fuego. Del mismo modo, cuando un dúo bailado de agujeros negros supermasivos se reúne después de que sus galaxias anfitrionas hayan colisionado, nace un solo agujero negro que pesa sobre la masa combinada de los dos agujeros negros supermasivos separados que se fusionaron para convertirse en uno. Pero, ¿qué sucede cuando las binarias estelares y las binarias de los agujeros negros convergen en un valioso culto cósmico? La aparición de una danza tan destructiva es mucho peor para los bailarines que lo que sucede cuando una estrella solitaria se acerca demasiado a las garras de arrebato gravitacional de un agujero negro sistemático y se rompe. En febrero de 2019, los astrónomos publicaron un nuevo estudio que lleva este triste drama celestial aún más lejos, mostrando la salida violenta cuando un dúo de estrellas bailando interactúa con un par de agujeros negros supermasivos.

La teoría de los eventos de interrupción de las mareas (TDE, por sus siglas en inglés) se propuso por primera vez en 1970, y se ha visto fortalecida por descubrimientos más recientes de muchos candidatos observados. De acuerdo con la teoría de TDE , cuando un binario supermasivo de agujero negro se encuentra con un binario estelar , resulta en una explosión espectacular. Estas erupciones poderosas y brillantes a menudo surgen de lo que antes eran regiones oscuras, y muchos astrónomos piensan que se originan a partir de la acumulación de escombros después de que una estrella desafortunada haya sido destrozada por las despiadadas garras gravitacionales de un agujero negro supermasivo.

Sin embargo, este escenario un tanto simple no explica todas las señales similares a las interrupciones que se han observado. Por esta razón, la pregunta persistente sigue siendo: ¿estas erupciones son causadas por interacciones más complejas que también pueden estar ocurriendo?

Con esto en mente, un equipo de astrónomos liderado por el Dr. Eric Coughlin, quien era entonces un miembro postdoctoral de Einstein en la Universidad de California en Berkeley (UCB), explora un modelo significativamente más complicado de interrupción de las mareas: los fuegos artificiales que podrían ocurrir. Si un dúo supermasivo de agujeros negros encuentra un binario estelar.

Cuanto más, el Merrier

Los corazones supermasivos de la oscuridad y las estrellas binarias son habitantes comunes del universo observable. Se cree que los agujeros negros supermasivos acechan con avidez dentro de los centros de cada gran galaxia en el Cosmos, incluida nuestra propia Vía Láctea. La actual bestia gravitatoria inactiva que se encuentra en el centro de nuestra galaxia es un peso ligero, al menos en lo que respecta a los agujeros negros supermasivos . Se le ha llamado Sagitario A * (pronunciado sagittarius-A-star) y pesa “solo” millones de masas solares, en contraste con muchos otros de su tipo que pesan miles de millones de veces la masa de nuestra Estrella.

Se predice que nuestra gran Vía Láctea en espiral colisionará con la galaxia de Andrómeda , otro gran miembro en espiral de nuestro grupo local de galaxias, en aproximadamente 3.75 mil millones de años. Cuando esto suceda, el dúo de bestias supermasivas que residen en los corazones secretos de ambas galaxias se fusionará, y el monstruo gravitacional resultante nacido de esta colisión pesará en la fuerte masa combinada de los dos agujeros negros separados. Si bien esta colisión, que se pronostica que ocurrirá en el lejano futuro de nuestra Galaxia, no necesariamente interrumpirá a muchos de los residentes celestiales de la Vía Láctea, algunos modelos recientes han demostrado que nuestro Sistema Solar puede no ser tan afortunado. El desastre catastrófico podría desalojar a nuestro Sol, que luego se alejará a gritos de su ubicación, llevando el resto de nuestro Sistema Solar junto con él para el viaje.

El universo es turbulento. Los enormes corazones de oscuridad yacen escondidos en cada galaxia, esperando que su próxima comida divague trágicamente en su poderosa trampa gravitacional. Por desgracia, cualquier cosa lo bastante desafortunada para viajar demasiado cerca de un agujero negro voraz está condenada a ser devorada. Los objetos capturados son incapaces de liberarse del atractivo gravitatorio extremadamente fuerte del agujero negro depredador . Ni siquiera la luz puede liberarse si pasa el terrible punto de no retorno llamado horizonte de eventos.

Los agujeros negros ya estaban presentes cuando el Universo era muy joven. Nubes compuestas de gas y estrellas desafortunadas saltan hacia abajo, mientras giran en el vórtice que rodea el agujero negro, nunca para regresar de la vorágine remolino que rodea a esta bestia gravitacional. A medida que el material se desplaza hacia su inevitable condena, forma una tormenta salvaje de material deslumbrante que rodea el agujero negro , el disco de acreción masivo. En el universo antiguo, estos brillantes discos de acreción deslumbraron el espacio-tiempo en forma de quásares. De hecho, Sagittarius-a-Star probablemente atravesó una deslumbrante fase de cuásar en su flamante juventud hace miles de millones de años.

El deslumbrante material que compone el disco de acreción se calienta cada vez más , a medida que produce una tormenta de radiación, especialmente a medida que viaja cada vez más cerca del horizonte de eventos. El horizonte de eventos se encuentra en la región más interna del disco de acreción.

En el siglo XVIII, el científico inglés John Michell (1724-1793) y el físico francés Pierre-Simon Laplace (1749-1827) consideraron la posibilidad de que en la naturaleza pudieran existir entidades extrañas como los agujeros negros. Albert Einstein, en su Teoría de la relatividad general (1915) más tarde hizo la predicción de objetos que poseían campos gravitatorios tan poderosos que se consumiría cualquier cosa lo suficientemente injustificada como para viajar demasiado cerca de sus guaridas. Sin embargo, la idea de que tales bestias extrañas pudieran realmente habitar en el zoológico celestial parecía tan extravagante en el momento en que Einstein rechazó el concepto, aunque sus propios cálculos sugirieron lo contrario.

En 1916, el físico y astrónomo alemán Karl Schwarzschild (1873-1916) ideó la primera solución moderna a la Relatividad General que describe un agujero negro. Sin embargo, su interpretación como una región del espacio, de la que absolutamente nada puede escapar, no se entendió durante otros cincuenta años. Hasta ese momento, los agujeros negros eran considerados meras rarezas matemáticas. De hecho, no fue hasta la década de 1960 que el trabajo teórico demostró que los agujeros negros son una predicción genérica de la Relatividad General.

Los agujeros negros vienen en diferentes tamaños. Empaque suficiente masa en una región lo suficientemente pequeña y nacerá un agujero negro cada vez. Además de la variedad supermasiva , se sabe que los hoyos negros de masa estelar y masa intermedia habitan en el Cosmos de hoy. Cuando una estrella especialmente masiva se queda sin su suministro necesario de combustible de fusión nuclear , se convierte en supernova y se colapsa en un agujero negro de masa estelar .

La mayoría de las estrellas en el Universo, tanto grandes como pequeñas, son miembros de sistemas binarios. Nuestro Sol es una estrella voluntaria hoy, pero bien puede haber nacido con un gemelo, como la mayoría de las otras estrellas. Las estrellas nacen en una de las muchas nubes moleculares frías y oscuras, principalmente compuestas de hidrógeno molecular, que acosan a nuestra galaxia en gran número. Cuando una mancha particularmente densa dentro de una estrella molecular , una hermosa nube molecular alcanza una masa, tamaño o densidad crítica, comienza a colapsarse bajo la fuerza implacable de su propia gravedad. A medida que esta nube colapsada, denominada nebulosa solar, se vuelve cada vez más débil, los movimientos aleatorios de gas presentes originalmente en la nube promueven la dirección del momento angular de la nebulosa. La conservación del momento angular da como resultado un aumento de la velocidad de rotación a medida que el radio de la nebulosa se hace más pequeño. Esta rotación hace que la nube se aplane de una manera que se ha comparado con la forma en que una gota de masa de pizza giratoria se convierte en un disco plano . El colapso inicial lleva aproximadamente 100.000 años. Después de ese tiempo, la estrella bebé alcanza una temperatura superficial similar a la de una estrella de secuencia principal (quema de hidrógeno) de la misma masa. Nace una estrella, generalmente con uno o más hermanos estelares porque estas burbujas de nacimiento de estrellas tienden a fragmentarse. Cada fragmento individual produce una estrella bebé. Por esta razón, se piensa que hace mucho tiempo, el hermano estelar de nuestro Solitario Solitario probablemente se fue a alguna región lejana de nuestra Galaxia, para no volver jamás.

Los astrónomos saben que cuando una estrella desafortunada viaja demasiado cerca de un agujero negro, es triturada por la poderosa gravedad del agujero negro. Pero como las binarias de los agujeros negros y las binarias estelares son habitantes comunes del Cosmos, pueden reunirse con frecuencia, y ahí es cuando las cosas se vuelven más interesantes.

¿Qué sucede cuando un par de estrellas en un sistema binario se encuentra con un dúo supermasivo de agujeros negros ? Como dice el dicho, cuanto más, mejor.

Una “danza de la muerte” celestial

El Dr. Coughlin y su equipo realizaron cientos de miles de simulaciones de supercomputadoras de las interacciones gravitacionales que pueden ocurrir entre los dúos supermasivos de agujeros negros y los sistemas estelares binarios. Basándose en sus simulaciones, los astrónomos concluyeron que hay muchos resultados posibles para tales interacciones celestiales complicadas.

La mayoría de estas reuniones dan como resultado dos escenarios posibles: o bien todo el binario estelar intacto se desaloja del sistema o las estrellas se expulsan una a la vez. El último escenario solo podría ocurrir después de que el sistema binario estelar haya sido destruido. Sin embargo, el equipo también encontró varios otros posibles resultados interesantes:

1. Captura de colinas , en la que una de las estrellas desafortunadas es lanzada gritando fuera del sistema, mientras que la otra estrella es capturada en órbita alrededor de uno de los miembros del agujero negro binario.

2. Eventos de Interrupción de Marea Única y Doble (TDE) , en los cuales una o ambas estrellas están completamente destrozadas. Las consecuencias de esta catástrofe en particular serían que el material de las estrellas se acumularía en el binario supermasivo agujero negro.

3. Star Mergers , donde el dúo estelar pierde momento angular y, como resultado, choca y se fusiona. Este escenario particular resultaría de la interacción con, y la expulsión definitiva, del agujero negro binario.

El Dr. Coughlin y su equipo señalan que las tres posibilidades más exóticas son potencialmente muy útiles. Esto se debe a que crearían señales de tatuajes que son consistentes con ciertas observaciones. Además, estas señales pueden indicar a los astrónomos qué deben buscar en futuras observaciones.

Por ejemplo, un TDE doble podría explicar claramente el transitorio brillante, de doble pico denominado ASASSN-15th. La inspiración acelerada de un binario estelar podría explicar algunas señales transitorias ricas en calcio que el equipo detectó. Esto ocurriría luego de que el binario estelar ya haya sido expulsado de su galaxia anfitriona por el binario supermasivo. De acuerdo con este modelo, las dos estrellas individuales que alguna vez fueron miembros del binario malogrado , ambas expulsadas de su galaxia por separado, pueden ser detectables más tarde como estrellas de hipervelocidad que muestran propiedades espectroscópicas afines a pesar de que ahora son miles de luz. años de diferencia.

Los numerosos resultados posibles que son provocados por los encuentros entre las estrellas binarias y los binarios supermasivos de agujeros negros sugieren que estas posibilidades deberían investigarse más a fondo. Además, los nuevos modelos pueden ayudar a los astrónomos a descubrir lo que se han estado perdiendo.

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