POSYDON es un software de código abierto recientemente lanzado que se utiliza para generar simulaciones detalladas de estrellas individuales y binarias para predecir la evolución de sistemas binarios aislados. Se ha utilizado por primera vez para investigar la fusión de agujeros negros binarios, proporcionando nuevos conocimientos sobre los mecanismos de formación de la fusión de agujeros negros en galaxias como la Vía Láctea.
Los agujeros negros, una de las entidades más cautivadoras del cosmos, tienen una atracción gravitatoria tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. La detección de ondas gravitacionales en 2015, provocadas por la fusión de dos agujeros negros, abrió una nueva ventana al universo.
Desde entonces, un gran número de observaciones han llevado a los y las científicas a tratar de comprender los orígenes astrofísicos de estos agujeros negros. Gracias a los importantes avances recientes del código POSYDON en la simulación de poblaciones de estrellas binarias, un equipo internacional de científicos liderado por la Universidad de Ginebra (UNIGE) y con la participación del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), la Universidad del Noroeste y la Universidad de Florida (UF) predijeron la existencia de agujeros negros binarios de 30 masas solares en galaxias similares a la Vía Láctea, desafiando teorías anteriores. Estos resultados se publican hoy en Nature Astronomy.
Los agujeros negros de masa estelar son objetos celestes que nacen del colapso de estrellas que tienen masas de hasta cientos de veces la masa de nuestro sol. Su campo gravitatorio es tan intenso que ni la materia ni la radiación pueden evadirlos, lo que dificulta enormemente su detección. Por lo tanto, el hecho de que las ondas producidas por la fusión de dos agujeros negros fueran detectadas en 2015 por el Laser Interferometry Gravitational-waves Observatory (LIGO) fue un momento decisivo. Según el equipo, los dos agujeros negros que se fusionaron en el origen de la señal tenían unas 30 veces la masa del sol y se encontraban a 1.500 millones de años luz de distancia.
¿Qué mecanismos producen estos agujeros negros? ¿Son el producto de la evolución de dos estrellas, similares a nuestro Sol pero significativamente más masivas, que evolucionan dentro de un sistema binario? ¿O son el resultado de agujeros negros en cúmulos de estrellas densamente poblados que se encuentran por casualidad? ¿O podría estar involucrado un mecanismo más exótico? Todas estas cuestiones siguen siendo objeto de debate en la actualidad.
La colaboración POSYDON, que incluye instituciones como el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), la Universidad de Ginebra (UNIGE), la Universidad del Noroeste y la Universidad de Florida (UF), ha logrado avances significativos en la simulación de poblaciones de estrellas binarias. Este trabajo está ayudando a proporcionar respuestas más precisas y reconciliar las predicciones teóricas con los datos de las observaciones. «Como es imposible observar directamente la formación de agujeros negros binarios al fusionarse, es necesario confiar en simulaciones que reproduzcan sus propiedades de observación. Hacemos esto simulando los sistemas de estrellas binarias desde su nacimiento hasta la formación de los sistemas de agujeros negros binarios», explica Simone Bavera, investigador posdoctoral del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y autora principal de este estudio.
«Esto es sólo el principio. La capacidad de POSYDON para profundizar en la formación y evolución de la fusión de agujeros negros binarios nos da la esperanza de interpretar futuras observaciones de ondas gravitacionales. Además, proporciona un marco para comprender la física de las estrellas masivas, ya sea aisladas o que formen parte de un sistema binario, y sus fascinantes manifestaciones, como las binarias de rayos X, las supernovas de tipo Ia, las explosiones de rayos gamma y más”, afirma Konstantinos Kovlakas, investigador postdoctoral del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y miembro del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC).
Forzando los límites de las simulaciones
Interpretar los orígenes de la fusión de agujeros negros binarios, como los observados en 2015, requiere comparar las predicciones del modelo teórico con las observaciones reales. La técnica utilizada para modelar estos sistemas se conoce como «síntesis de población binaria». «Esta técnica simula la evolución de decenas de millones de sistemas estelares binarios para estimar las propiedades estadísticas de la población de fuentes de ondas gravitacionales resultantes. Sin embargo, para lograr esto en un marco de tiempo razonable, los y las investigadores/as hasta ahora se han basado en modelos que utilizan métodos aproximados para simular la evolución de las estrellas y sus interacciones binarias. Por lo tanto, la simplificación excesiva de la física estelar para sistemas de una sola estrella y de binarias conduce a predicciones menos precisas», explica Anastasios Fragkos, profesor adjunto en el Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE.
POSYDON ha superado estas limitaciones. Diseñado como software de código abierto, aprovecha un gran catálogo ya calculado de simulaciones detalladas de estrellas individuales y binarias para predecir la evolución de sistemas binarios aislados. Cada una de estas simulaciones detalladas puede usar hasta 100 horas de CPU en ejecutarse en una supercomputadora, lo que hace que esta técnica de simulación no se aplique directamente a la síntesis de población binaria.
«Sin embargo, al calcular previamente una catálogo de simulaciones que cubre todo el espacio de parámetros de las condiciones iniciales, POSYDON puede utilizar este amplio conjunto de datos junto con métodos de aprendizaje automático para predecir la evolución completa de los sistemas binarios en menos de un segundo. Esta velocidad es comparable a la de códigos de síntesis de población rápida de la generación anterior, pero con mayor precisión», explica Jeffrey Andrews, profesor adjunto en el Departamento de Física de la UF.
Introduciendo un nuevo modelo
«Los modelos anteriores a POSYDON predijeron una tasa de formación insignificante de agujeros negros binarios fusionados en galaxias similares a la Vía Láctea y, en particular, no anticiparon la existencia de agujeros negros fusionados con una masa de hasta 30 veces la masa de nuestro Sol. POSYDON ha demostrado que esos agujeros negros masivos podrían existir en galaxias similares a la Vía Láctea», explica Vicky Kalogera, profesora distinguida de física y astronomía de la Universidad Daniel I. Linzer en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Northwestern, directora del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA), y coautora de este estudio.
Los modelos anteriores sobreestimaron ciertos aspectos, como la expansión de estrellas masivas, lo que afecta a su pérdida de masa y a las interacciones binarias. Estos elementos son ingredientes clave que determinan las propiedades de la fusión de agujeros negros. Gracias a las simulaciones detalladas de estructura estelar y de interacción binaria totalmente coherentes, POSYDON logra predicciones más precisas de la fusión de las propiedades de los agujeros negros binarios, como sus masas y espines.
Este estudio es el primero en utilizar el software POSYDON de código abierto recientemente lanzado para investigar la fusión de agujeros negros binarios. Proporciona nuevos conocimientos sobre los mecanismos de formación de la fusión de agujeros negros en galaxias como la nuestra. El equipo de investigación está desarrollando actualmente una nueva versión de POSYDON, que incluirá una biblioteca más grande de simulaciones estelares y binarias detalladas, capaz de simular binarias en una gama más amplia de tipos de galaxias.
Artículo de referencia:
The formation of merging black holes with masses beyond 30 M at solar metallicity, Nature Astronomy (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-02018-5
Comunicación ICE-CSIC
Un agujero negro de 31,5 de masa solar con un agujero negro compañero de 8,38 de masa solar visto frente a su nube molecular (generado por ordenador) antes de la fusión. La banda distante de la Vía Láctea se puede ver hacia la parte inferior izquierda de los agujeros negros. La luz se deforma cerca de los agujeros negros debido a su fuerte gravedad. Créditos: Aaron M. Geller / Northwestern University CIERA & NUIT-RCS; ESO / S. Brunier.