Los agujeros negros crecen a medida que el universo se expande, encuentra un estudio

Desde el primera observación de la fusión del agujero negro en 2015, los astrofísicos se han visto sorprendidos repetidamente por sus grandes masas. Originalmente esperaban que los agujeros negros tuvieran masas menos de unas 40 veces la del Sol. Sin embargo, los observatorios LIGO y Virgo han encontrar muchos agujeros negros con masas superiores a 50 masas solares, algunos tan masivos como 100 masas solares. A nuevo estudio publicado en el Cartas de revistas astrofísicas es el primero en mostrar que masas de agujeros negros, grandes y pequeños, pueden resultar de un solo camino, en el que los agujeros negros ganan masa a través de la expansión del propio Universo.

Una vista del disco de acreción alrededor del agujero negro supermasivo, con estructuras en forma de chorro que fluyen desde el disco. La masa extrema del agujero negro se curva en el espacio-tiempo, lo que permite ver el lado más alejado del disco de acreción como una imagen por encima y por debajo del agujero negro. Crédito de la imagen: Science Communication Lab, DESY.

“Los astrónomos suelen modelar agujeros negros dentro de un universo que no se expande. Ésta es una hipótesis que simplifica las ecuaciones de Albert Einstein, porque un universo que no crece tiene mucho menos que seguir ”, dijo el profesor Kevin Croker, astrónomo del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Hawai en Manoa.

«Sin embargo, existe una compensación: las predicciones solo pueden ser razonables durante un período de tiempo limitado».

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Debido a que los eventos individuales detectables por LIGO-Virgo duran solo unos segundos, al analizar un solo evento, esta simplificación tiene sentido. Pero estas mismas fusiones han estado potencialmente en proceso durante miles de millones de años.

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Durante el tiempo entre la formación de un par de agujeros negros y su eventual fusión, el Universo crece profundamente.

Si se examinan cuidadosamente los aspectos más sutiles de la teoría de Einstein, surge una posibilidad sorprendente: las masas de agujeros negros podrían crecer al mismo ritmo que el Universo, un fenómeno que el profesor Croker y sus colegas denominan «acoplamiento cosmológico».

El ejemplo más conocido de material acoplado cosmológico es la luz misma, que pierde energía a medida que el Universo crece.

“Pensamos en buscar el efecto contrario. ¿Qué observaría LIGO-Virgo si los agujeros negros estuvieran acoplados cosmológicamente y ganaran energía sin necesidad de consumir otras estrellas o gases? dijo el profesor Duncan Farrah, astrónomo del Departamento de Física y Astronomía y del Instituto de Astronomía de la Universidad de Hawai’i en Manoa.

Para estudiar esta hipótesis, los investigadores simularon el nacimiento, la vida y la muerte de millones de pares de estrellas grandes.

Todos los pares donde las dos estrellas murieron para formar agujeros negros se vincularon luego al tamaño del Universo, desde el momento de su muerte.

A medida que el Universo continuó creciendo, las masas de estos agujeros negros aumentaron a medida que se acercaban entre sí.

El resultado no solo fue más agujeros negros masivos cuando se fusionaron, sino también muchas más fusiones.

Cuando los científicos compararon los datos de LIGO-Virgo con sus predicciones, se llevaron bastante bien.

“Este nuevo modelo es importante porque no requiere ningún cambio en nuestra comprensión actual de cómo se forman, evolucionan o mueren las estrellas”, dijeron.

«El acuerdo entre el nuevo modelo y nuestros datos actuales proviene simplemente del reconocimiento de que los agujeros negros realistas no existen en un universo estático».

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Kevin S. Croker et al. 2021. Objetos compactos cosmológicamente acoplados: un modelo de parámetro único para distribuciones de masa y desplazamiento al rojo LIGO-Virgo. ApJL 921, L22; doi: 10.3847 / 2041-8213 / ac2fad

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