Els forats negres més grans neixen en cúmuls estel·lars densos arran de fusions violentes

Els forats negres més massius de l’Univers, detectats gràcies a les ondulacions que generen en l’espaitemps, no van néixer directament del col·lapse d’estrelles, segons un nou estudi. En lloc d’això, aquests gegants còsmics es van desenvolupar a través d’una sèrie de fusions repetides i extremament violentes en cúmuls estel·lars molt densos, segons sosté un equip internacional d’investigadors en un article publicat avui a la revista Nature Astronomy.

L’estudi, liderat per la Universitat de Cardiff, va analitzar la versió 4.0 del Catàleg de Transitoris d’Ones Gravitacionals (GWTC-4, per les sigles en anglès) de la col·laboració LIGO–Virgo–KAGRA, el qual conté 153 deteccions prou fiables de fusions de forats negres. L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) ha participat en aquest estudi a través d’investigadors de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB).

L’equip volia posar a prova la hipòtesi que els forats negres més pesants del catàleg GWTC-4 són objectes de segona generació, és a dir, formats quan uns forats negres previs es van fusionar i, posteriorment, es van tornar a fusionar en els nuclis densos de cúmuls estel·lars, on les estrelles poden arribar a estar un milió de vegades més concentrades que al voltant del Sol. Les seves troballes indaguen en l’origen dels forats negres més pesants detectats mitjançant ones gravitatòries i revelen dues poblacions ben diferenciades.

«L’astronomia d’ones gravitatòries ara fa alguna cosa més que comptar fusions de forats negres», explica l’autor principal, Fabio Antonini, de l’Escola de Física i Astronomia de la Universitat de Cardiff. «Està començant a revelar com creixen els forats negres, on ho fan i què ens indica aquest fet sobre la vida i la mort de les estrelles massives».

«La capacitat d’assenyalar directament els cúmuls estel·lars com l’origen d’aquestes fusions ens obre l’apassionant possibilitat de fer servir les ones gravitatòries com una eina completament nova per conèixer la formació i l’evolució primerenca dels cúmuls estel·lars densos que es van crear a l’Univers primitiu», afirma el coautor Mark Gieles, professor d’investigació ICREA a l’IEEC i a l’ICCUB.

En les dades d’ones gravitatòries, l’equip va identificar, d’una banda, una població de menor massa compatible amb el col·lapse estel·lar ordinari i, d’altra banda, una població de major massa els espins de la qual es mostren exactament com s’esperaria si aquests forats negres s’haguessin format a partir de fusions repetides amb altres forats negres dins de grups d’estrelles concorreguts, en lloc d’haver nascut directament d’estrelles aïllades.

«El que més ens va sorprendre va ser la claredat amb què els forats negres de gran massa destaquen com una població independent», recorda la coautora Isobel Romero-Shaw, investigadora Ernest Rutherford a la Universitat de Cardiff.

«A diferència dels sistemes de menor massa que vam analitzar, els quals generalment tenien una rotació lenta, els sistemes de major massa són compatibles amb espins més ràpids i orientats en direccions aparentment aleatòries», afegeix. «Aquesta és la signatura exacta que s’esperaria si els forats negres s’haguessin fusionat repetidament en cúmuls estel·lars densos. Això fa que la hipòtesi de l’origen en cúmuls sigui molt més contundent del que ho era amb els catàlegs anteriors».

L’estudi també aporta la prova més sòlida obtinguda fins ara de l’existència d’un «buit de massa» (mass gap), una franja on les estrelles extremament massives exploten de manera catastròfica en lloc de col·lapsar en forats negres. Aquesta teoria, prevista fa temps, descriu un rang de masses prohibit per als forats negres creats directament a partir d’estrelles, en el qual s’espera que les estrelles molt massives quedin totalment destruïdes abans de poder formar un forat negre.

L’equip situa aquest rang en una població de forats negres d’origen estel·lar a partir de 45 vegades la massa del Sol. Antonini va assenyalar: «En el nostre estudi trobem indicis del buit de massa per inestabilitat de parells que s’havia predit fa temps. Els detectors d’ones gravitatòries han aconseguit trobar forats negres que semblen situar-se dins d’aquest buit o a prop seu, el qual ubiquem al voltant de les 45 masses solars».

«Per tant, la pregunta clau ara és: aquests forats negres ens estan indicant que els nostres models d’evolució estel·lar són erronis, o bé s’estan formant d’una altra manera?», es pregunta Antonini. «Els forats negres més grans de la mostra actual semblen parlar-nos de la dinàmica dels cúmuls, i no només de l’evolució estel·lar».

I afegeix: «Per sobre de les 45 masses solars, la distribució de l’espín canvia d’una manera que és difícil d’explicar només amb binaris estel·lars normals, però que s’explica de manera natural si aquests forats negres ja han passat per fusions prèvies en cúmuls densos».

L’equip també va utilitzar aquesta transició per llançar llum sobre una reacció nuclear important que intervé en la fusió de l’heli a l’interior de les estrelles massives. «En el futur, les dades d’ones gravitatòries podrien ajudar els científics a estudiar la física nuclear, perquè el límit de massa establert per la inestabilitat de parells depèn de les reaccions nuclears que tenen lloc en els nuclis de les estrelles massives», va concloure la coautora Fani Dosopoulou, investigadora associada a la Universitat de Cardiff.