epelpad

Ondas gravitatorias desde un cúmulo globular

¿Desde una "Platea de Concierto" de estrellas se generaron ondas gravitacionales de LIGO?

Ondas gravitatorias desde un cúmulo globular
El cúmulo globular Messier 54 visto por el Telescopio Espacial Hubble. Localizado a unos 90.000 años luz de distancia, el objeto podría ser el núcleo lleno de estrellas sacado de una galaxia vecina por la gravedad de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Crédito de la imagen: ESA / Hubble y NASA

Por Adam Hadhazy, para The Kavli Foundation Junio 2, 2017
Adam Hadhazy, escritor y editor de la Fundación Kavli, contribuyó este artículo a las Voces expertas de Space.com: Op-Ed & Insights.



Para su sorpresa, los científicos están encontrando docenas de agujeros negros dentro de las densas colecciones de estrellas llamadas conglomerados globulares. Los astrofísicos están usando un registro de la simulación computarizada para aprender los secretos de los cúmulos, incluyendo si generaron ondulaciones recientemente observadas en el espacio-tiempo.

En 2015, después de un siglo de especulación, el mundo finalmente detectó las ondulaciones evasivas en el tejido del universo conocidas como ondas gravitacionales. Esto ocurrió cuando un experimento de caza de olas llamado LIGO, que actúa como un colosal diapasón, percibió estas ondas lanzadas desde la colisión cataclísmica de dos enormes agujeros negros.

Pero, ¿dónde se producen estas colisiones? Un nuevo artículo sobre la tercera detección de onda gravitacional de LIGO, anunciada el 1 de junio, sugiere que el agujero negro podría haber estado dentro de un hermoso objeto llamado un cúmulo globular - un globo de nieve celestial reluciente lleno de cientos de miles estrellas. En sus centros, se cree que los conglomerados globulares albergan decenas de cientos de agujeros negros -de lejos la mayor concentración de estos objetos exóticos encontrados en cualquier parte del universo.

Los cúmulos globulares podrían muy bien ser una fuente importante de las ondas gravitacionales que los científicos están detectando con LIGO. Estudiar estas olas podría enseñarnos más sobre sus densos orígenes de racimos de estrellas, y en el proceso también arrojar luz sobre la construcción de galaxias, los mayores grupos de estrellas del universo.


link: https://videopress.com/v/eIDzkCAz

En esta simulación, 60 agujeros negros y 500 estrellas interactúan entre sí en el núcleo caótico de un cúmulo globular hasta que dos agujeros negros se combinan para formar un agujero negro binario. Crédito de la simulación: Carl Rodriguez / Visualización del noroeste (Justin Muir, Matt McCrory, Michael Lannum)

La Fundación Kavli habló con tres astrofísicos sobre las muchas oportunidades científicas de los grupos globulares presentes para comprender las colisiones de los agujeros negros, así como el funcionamiento del cosmos más amplio.

Los participantes fueron:

Rainer Spurzem - profesor del Instituto Kavli de Astronomía y Astrofísica en la Universidad de Pekín y la Academia de Ciencias de China. Se especializa en simulaciones por ordenador de sistemas astrofísicos complejos como galaxias y conglomerados globulares.

Carl Rodríguez, becario postdoctoral de Pappalardo y becario postdoctoral del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), así como miembro del Instituto Kavli para Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. Su investigación se centra en los grupos de estrellas densas, incluyendo los cúmulos globulares, así como cómo los agujeros negros se forman y se comportan en estos sistemas atestados.

Jay Strader - un profesor asistente en el departamento de la física y de la astronomía en la universidad de estado de Michigan. Realiza búsquedas de agujeros negros en cúmulos globulares.
Lo que sigue es una transcripción editada de su mesa redonda. Se les ha dado a los participantes la oportunidad de modificar o editar sus comentarios.

Fundación Kavli: Los Observadores de los cielos han admirado el brillo estrellado de los cúmulos globulares durante siglos. ¿Es sorprendente que estos objetos luminosos tengan "corazones" oscuros llenos de agujeros negros, como lo están demostrando simulaciones y observaciones de computadoras recientes?

Carl Rodriguez: No es sorprendente desde el punto de vista de que, siempre y cuando empieces con una gran población de estrellas en cualquier parte del universo, terminarás con estrellas ultra-brillantes y masivas. Estas raras estrellas monstruosas son las que se desploman gravitacionalmente para formar agujeros negros cuando mueren. Debido a que los cúmulos globulares son el hogar de tantas estrellas, los científicos habían imaginado que algunos agujeros negros inevitablemente se producirían en ellos. Sin embargo, hasta hace unos diez años, no teníamos pruebas observacionales que demostraran que estas hordas de agujeros negros estaban allí.

Rainer Spurzem: Siempre ha sido claro que debe haber un montón de agujeros negros en los cúmulos globulares. Pero la gran pregunta ha sido y sigue siendo: ¿Qué les sucede? ¿Se quedan dentro de los cúmulos globulares o se lanzan al espacio poco después de que se forman? ¿Hemos visto evidencias de agujeros negros que se formaron recientemente o que han permanecido dentro de los cúmulos globulares durante miles de millones de años? La suposición solía ser que los cúmulos globulares no podían retener agujeros negros. Pero eso no es lo que simulaciones de computadora por mí y mis colegas, así como en el trabajo de Carl y otros, están mostrando ahora.

Carl Rodriguez: Eso es correcto. En modelos anteriores, la idea era que los agujeros negros caerían esencialmente de la solución, como la forma en que las partículas de polvo pesadas en la atmósfera se depositan lentamente en la superficie de la Tierra. Pero eso no es lo que vemos.

En las simulaciones de computadora más recientes que mi equipo y el equipo de Rainer han estado haciendo de forma independiente, hay mucho más mezcla, y los agujeros negros no se forzan mutuamente fuera del cúmulo globular. Los modelos anteriores no pudieron captar que los agujeros negros tienen una amplia gama de masas, mientras que tratamos con agujeros negros que tienen tan poco como tres veces, y todo el camino hasta 30, 50 o incluso 80 veces la masa del sol. Así que ahora hay un continuo suave. Con eso, no vemos este tipo de separación de petróleo y agua de las estrellas y los agujeros negros en un cúmulo globular.

Jay Strader: Lo bueno es que tienes estas dos líneas de investigación separadas, de teoría y observaciones experimentales. Rainer y Carl están creando simulaciones de computadora basadas en modelos teóricos, mientras que mi equipo está reuniendo evidencia observacional para la existencia de agujeros negros en los cúmulos globulares. Por el momento, estamos llegando a las mismas conclusiones de que los cúmulos globulares pueden mantener sus agujeros negros. Y si ese es el caso, entonces los cúmulos globulares podrían estar donde los agujeros negros a menudo colisionan y crean ondas gravitatorias.

universo
Concepción de un artista de los agujeros negros que alimentan la materia de estrellas compañeras y que envían chorros brillantes al espacio dentro de un racimo globular. Crédito de la imagen: Benjamin de Bivort; Strader, et al .; NRAO / AUI / NSF

TKF: Rainer, la simulación que usted acaba de mencionar en la que está trabajando es la simulación más realista de un cúmulo globular hasta la fecha. Debido a que sugiere que las ondas gravitacionales que hemos estado detectando con LIGO vinieron de dos agujeros negros dentro de un cúmulo globular, ¿cree usted que el misterio de su origen está ahora resuelto?

agujeros negros
La investigación de Rainer Spurzem sobre sistemas estelares densos se basa en sistemas de supercomputación de vanguardia.La investigación de Rainer Spurzem sobre sistemas estelares densos se basa en sistemas de supercomputación de vanguardia.Crédito de la imagen: Rainer Spurzem

Rainer Spurzem: La simulación que realizamos se denomina Proyecto de Simulación DRAGON. Es una simulación increíblemente sofisticada de un cúmulo globular, creada siguiendo un millón de estrellas digitales mientras interactuaban más de 12 mil millones de años, casi la edad del universo. Hace un gran trabajo de simular los cúmulos globulares, y de usarlo, encontramos algunos agujeros negros que coinciden más o menos con los eventos de onda gravitacional que LIGO ha detectado. Pero todavía no podemos estar absolutamente seguros.

Algo que nos falta es un censo real de todos los cúmulos globulares en nuestro vecindario cósmico. Necesitamos saber cuántos están ahí para ver si su número se correlaciona con la tasa esperada de eventos de onda gravitacional que esperamos que LIGO acabe detectando por año. Cuanto más clústeres globulares haya, más probable es que las primeras ondas gravitacionales que LIGO detectó alguna vez fueron de una. Tenemos mucho más trabajo que hacer más allá de DRAGON para averiguar el origen de las ondas gravitacionales detectadas por LIGO.

TKF: Carl, estás investigando cómo los cúmulos globulares probablemente actúan como "fábricas" para hacer pares de agujeros negros. ¿Que has aprendido?

Carl Rodriguez: Los racimos globulares tienen un número significativamente menor de estrellas y agujeros negros de lo que encontrarías en toda una galaxia. Por ejemplo, la Vía Láctea tiene 200 mil millones de estrellas, mientras que los cúmulos globulares tienen quizás sólo un millón de estrellas. Pero cuando se trata de hacer pares de agujeros negros, es la densidad de las estrellas lo que importa, y ahí es donde los cúmulos globulares tienen galaxias. Mientras que la Vía Láctea tiene unos 100.000 años luz de diámetro, dar o tomar, un cúmulo globular es sólo alrededor de 10 años luz de diámetro.

Esta extrema densidad de estrellas permite procesos dinámicos que no ven otros lugares del universo. Los agujeros negros pueden acercarse lo suficiente para que se sometan a interacciones gravitacionales y forman un par, conocido como binario. Usted puede ver que en las galaxias, también, pero es increíblemente raro, mientras que sucede todo el tiempo en los cúmulos globulares.

TKF: También has trazado una manera para que los astrofísicos puedan descubrir la fuente de una onda gravitatoria. ¿Como funciona esto?

Carl Rodriguez: Esto se remonta a mi tesis doctoral, en la que me las arreglé para cambiar el término "pozo negro mosh hoyo" en un documento anterior para describir cómo sería este entorno cósmico. Estaba satisfecho conmigo mismo por eso.

ondas gravitatorias
Carl Rodríguez utiliza modelado informático para sus estudios, examinando cómo las ondas gravitacionales pueden ayudar a explicar la formación estelar, especialmente de las estrellas masivas, en entornos de cluster. Crédito de la imagen: Carl Rodriguez

Los agujeros negros giran a lo largo de un eje central. Cuando orbitan entre sí en un sistema binario, cada uno de los agujeros negros tendrá su propia orientación de giro. Estas orientaciones de giro pueden alinearse con la órbita de los agujeros negros, como dos tops girando uno hacia el otro sobre una mesa plana. O, las orientaciones del giro pueden diferir y ser desalineadas, como las tapas que hacen girar cualquier manera en espacio tridimensional. LIGO puede detectar cuando la fusión de agujeros negros tiene este tipo de desalineaciones. Y en la tercera detección de ondas gravitacionales más reciente, parece que hay pruebas significativas de que los agujeros negros no están alineados con la órbita. Si están girando en absoluto, parece sugerir que están algo anti-alineados con la órbita, tal como se esperaría si vinieran de un grupo. Así que los astrofísicos utilizarán esta información para averiguar si la fusión se produjo en un cúmulo globular o en otro lugar menos caótico en la Vía Láctea.

TKF: ¿Por qué nos importa si las ondas eran el resultado de una fusión de dos agujeros negros dentro de un racimo o no?

Carl Rodriguez:Ser capaz de discriminar estas dos poblaciones de agujeros negros binarios - los dentro y fuera de los cúmulos globulares - sería muy, muy interesante y realmente ayudar a desbloquear el potencial de la astrofísica de onda gravitacional. Si descubrimos, por ejemplo, que la mayoría de estos binarios de agujeros negros proceden de densos conglomerados estelares, entonces podríamos hacer un mapa de la evolución de estos conglomerados y obtener una mejor idea de su formación y comportamiento.

Por otro lado, si podemos discriminar dos poblaciones separadas y demostrar que, digamos, la mitad de los agujeros negros binarios vienen de racimos y la otra mitad provienen de estrellas binarias fuera de los conglomerados, entonces podríamos comenzar a responder preguntas sobre la física de Produciendo las estrellas más masivas del universo.

TKF: ¿Qué más hace que los cúmulos globulares sean tan intrigantes?

Jay Strader: Aprendiendo más acerca de lo que mantiene agrupados globulares, podemos aprender sobre las diferentes condiciones bajo las cuales nacen las estrellas. Los cúmulos globulares se pueden formar con un millón de estrellas cerca uno del otro. La gravedad colectiva de todo ese conjunto estelar puede ayudar a las estrellas a permanecer juntas durante muchos miles de millones de años. Eso es muy diferente de la mayoría de las estrellas en el universo, que pensamos que se formó en grupos de quizás cien o mil estrellas. Generalmente, estos racimos de estrellas se mantienen unidos muy tenuemente por la gravedad, así que rápidamente se dispersan con el tiempo.

También podemos aprender sobre la evolución del universo más amplio. Al principio de su historia, el universo era un lugar muy denso, que pensamos que era muy propicio para formar grandes clusters, incluidos los cúmulos globulares. Podemos probar esa idea examinando las edades y las vidas de los cúmulos globulares.

Rainer Spurzem: Los cúmulos globulares ofrecen pruebas fascinantes de la mecánica celeste, de cómo interactúan cientos de miles o incluso millones de estrellas. También están entre los objetos más antiguos que encontrarás en nuestra galaxia, así como otros, para que puedan ofrecer una ventana única para entender la formación de galaxias.

TKF: Hablando de formación de galaxias, Jay, eres parte de la encuesta SLUGGS, que usa telescopios terrestres para estudiar este tema. ¿Cómo son útiles los racimos globulares para trazar el desarrollo de las galaxias sobre la historia del universo?

cumulos globulares
El trabajo de Jay Strader se adentra en los sistemas de racimos globulares para obtener información sobre la formación de galaxias. Crédito de la imagen: Jay Strader

Jay Strader: Los racimos globulares son objetos relativamente brillantes. Esto los hace más fáciles de observar y estudiar a distancias mayores que otros grupos de estrellas. Esto es importante, ya que al pasar de nuestra Vía Láctea a galaxias cercanas y luego a galaxias más distantes, a menudo resulta imposible estudiar sus estrellas individuales para aprender algo acerca de sus características, como su composición química y edad. Pero todavía puedes hacer esos estudios sobre los conglomerados globulares de estas galaxias. Por lo tanto, los cúmulos globulares le permiten empujar este tipo de estudios, "fósiles", de cómo las galaxias se formaron a distancias sustancialmente mayores, dejándonos aprender mucho más sobre las galaxias en el universo.

Otra forma en que los cúmulos globulares nos informan sobre la formación de galaxias en realidad tiene una conexión con los agujeros negros. Recientemente, hemos descubierto que muchos de los objetos que pensábamos ser los conglomerados globulares más grandes no parecen ser racimos globulares en absoluto. En cambio, parecen ser los restos de galaxias más masivas que fueron desgarradas por otra galaxia, dejando sólo el núcleo de la galaxia original. Algunos de estos núcleos están cargados de estrellas, por lo que parecen pequeñas, estrelladas pepitas - muy similar a un cúmulo globular. Pero tienen un solo agujero negro supermasivo en su centro, como tenemos en el centro de nuestra propia galaxia de la Vía Láctea. Podemos estudiar estos restos para entender los agujeros negros supermasivos y cómo las galaxias interactúan a lo largo de la vida del universo.

Rainer Spurzem: Hay un objeto llamado Omega Centauri en nuestra propia galaxia que podría ser uno de estos restos de una galaxia más masiva. Omega Centauri ha sido durante mucho tiempo considerado el mayor cúmulo globular de la Vía Láctea y contiene 10 millones de estrellas.

Jay Strader: Está bien. También es casi seguro que el cúmulo globular Messier 54 cerca de la Vía Láctea es en realidad el núcleo de un vecino galáctico, la Galaxia Elíptica enana de Sagitario. Hay algunos otros grupos que son candidatos como galaxias anteriores que fueron comidas por la Vía Láctea.

TKF: Volviendo a la simulación de DRAGON, Rainer, ¿qué esperaban ustedes y sus colegas para aprender acerca de los conglomerados globulares, y se mostraron sorpresas?

Rainer Spurzem: Sorprendentemente, hubo pocas sorpresas! Eso nos mostró que estamos en el camino correcto en la comprensión general de los cúmulos globulares. La simulación de DRAGON tuvo éxito en encajar con las observaciones de los cúmulos globulares reales, tomadas por el Telescopio Espacial Hubble, por ejemplo. El racimo simulado también retiene docenas de agujeros negros.

DRAGON es un punto final de una lucha muy larga para simular un millón de cuerpos móviles e interactuantes. En 1990, los científicos pensaron que podría hacerse con potentes computadoras en 10 años. ¡No fue tan fácil! Incluso después de desarrollar los códigos de computación, todavía necesitábamos una máquina que pudiera funcionar con ellos.

Volviendo casi una década, mis colegas y yo comenzamos a usar un superordenador en los Observatorios Astronómicos Nacionales de la Academia China de Ciencias, que yo había ayudado a adquirir y es una de las razones por las que vine por primera vez a China. Colaboramos con investigadores del Max Planck Computing and Data Facility del Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania. Esta colaboración chino-europea permitió el proyecto de simulación DRAGON, y un estudiante mío, Long Wang, encabezó el esfuerzo. Finalmente llegamos a nuestro objetivo de ejecutar la simulación.

TKF: Jay, en lugar de un superordenador, estás estudiando estos agujeros negros usando datos de radio recopilados por Very Large Array, un telescopio terrestre. ¿Cómo estos instrumentos le permiten "ver" y probar agujeros negros?

Jay Strader: Bueno, con un agujero negro, está justo ahí en el nombre - no puedes verlo. Así que lo que estás buscando es evidencia indirecta. Eso podría ser una estrella compañera o gas que rodea el agujero negro y se calienta por ella.

Estas firmas no le dicen si un objeto es un agujero negro o algo más llamado una estrella de neutrones - los remanentes densos de estrellas que no eran lo suficientemente masivas como para producir un agujero negro cuando murieron. Así que mi trabajo con el Very Large Array, que es este gran radiotelescopio en Nuevo México, lo viste en la película "Contacto", aprovecha el hecho de que los agujeros negros emiten chorros de radio que son sustancialmente más brillantes que cualquier chorro que salga De las estrellas de neutrones. Eso es lo que nos indica los agujeros negros candidatos.

Luego miramos con el Telescopio Espacial Hubble, que tiene la visión más nítida, lo que nos permite asociar esos chorros de radio con estrellas individuales. Una vez que hayamos hecho eso, podemos decir si esa estrella podría estar en un sistema binario con un agujero negro. Finalmente, estudiamos esa estrella para ver si su movimiento proporciona evidencia dinámica de que el objeto con el que está emparejado es en realidad un agujero negro.

TKF ¿Cuáles son algunas de las otras grandes preguntas abiertas sobre los cúmulos globulares y sus agujeros negros, y cómo podemos responderles?

Jay Strader: Estamos encontrando agujeros negros candidatos dentro de los racimos globulares de la Vía Láctea, y actualmente estamos trabajando en confirmarlos. Una gran pregunta que tengo es, ¿cuáles son las relaciones entre los objetos que estamos encontrando y la población total de agujeros negros en estos grupos? ¿Cuántos no estamos encontrando? La mayoría de los agujeros negros dentro de un cúmulo globular probablemente no van a ser observables, así que ¿cómo estimamos la tasa global en la que los agujeros negros forman pares que podrían ser detectables por LIGO?

Rainer Spurzem: Recientemente hemos aprendido que los cúmulos globulares pueden albergar múltiples generaciones de estrellas, lo que significa que no todas las estrellas del racimo nacieron al mismo tiempo. Eso va en contra de nuestros modelos estándar, que dicen que las estrellas en los cúmulos globulares deben tener aproximadamente la misma edad.

La otra pregunta es la rotación en los cúmulos globulares. Es un misterio, porque cuando miramos los cúmulos globulares ahora, todos ellos son esféricos. Pero cuando se formaron, debieron haber tenido una rotación natural, y no esperabas que se lanzaran en grupos tan estrechos y redondos de estrellas. Algún proceso les permitió perder la rotación y formar esferas. Eso ha sido muy descuidado.

Carl Rodríguez: En ciertos grupos globulares antiguos que no han evolucionado dinámicamente mucho con otros conglomerados o galaxias, teóricamente deberías tener agujeros negros muy, muy masivos, tan grandes como 50 veces la masa del sol o incluso más grandes. Creo que sería muy interesante ver si pudiéramos echar un vistazo a uno de esos monstruos dentro de uno de estos racimos no evolucionados, porque nunca hemos visto indirectamente un agujero negro como ese.

Rainer Spurzem: Algo que es más fascinante es que en el espacio intergaláctico entre grupos de galaxias, puede haber decenas de miles de cúmulos globulares que simplemente flotan libremente allí. Si esto es común, significaría que puede haber muchos, muchos más clústeres globulares alrededor de lo que habíamos pensado anteriormente.

— Adam Hadhazy, Spring 2017


---------------------------
With a little help from Google Translate for Business

1 comentario - Ondas gravitatorias desde un cúmulo globular

jim_keller_ -1
el verso de las ondas gravitacionales, las ondas humeantes
betelijah
buena... la anotación