Un nou software revela els orígens de la fusió de forats negres en galàxies com la Via Làctia

POSYDON és un software de codi obert recentment llançat que es fa servir per generar simulacions detallades d’estrelles individuals i binàries per predir l’evolució de sistemes binaris aïllats. S’ha utilitzat per primera vegada per investigar la fusió de forats negres binaris, proporcionant nous coneixements sobre els mecanismes de formació de la fusió de forats negres a galàxies com la Via Làctia.

Els forats negres, una de les entitats més captivadores del cosmos, tenen una atracció gravitatòria tan forta que ni tan sols la llum es pot escapar. La detecció d’ones gravitacionals el 2015, provocades per la fusió de dos forats negres, va obrir una finestra nova a l’univers. Des de llavors, un gran nombre d’observacions han portat els i les científiques a tractar de comprendre els orígens astrofísics d’aquests forats negres. Gràcies als importants avenços recents del codi POSYDON a la simulació de poblacions d’estels binàries, un equip internacional de científics liderat per la Universitat de Ginebra (UNIGE) i amb la participació de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), l’Institut d’Estudis Espa­cials de Catalunya (IEEC), la Universitat del Nord-oest i la Universitat de Florida (UF) van predir l’existència de forats negres binaris de 30 masses solars en galàxies similars a la Via Làctia, desafiant teories anteriors. Aquests resultats es publiquen avui a Nature Astronomy.

Els forats negres de massa estel·lar són objectes celestes que neixen del col·lapse d’estrelles que tenen masses de fins a centenars de vegades la massa del nostre sol. El seu camp gravitatori és tan intens que ni la matèria ni la radiació no els poden evadir, cosa que en dificulta enormement la detecció. Per tant, el fet que les ones produïdes per la fusió de dos forats negres fossin detectades el 2015 per l’Observatori de detecció d’ones gravitacionals amb interferòmetre làser (LIGO) va ser un moment decisiu. Segons l’equip, els dos forats negres que es van fusionar a l’origen del senyal tenien unes 30 vegades la massa del sol i eren a 1.500 milions d’anys llum de distància.

Quins mecanismes produeixen aquests forats negres? Són el producte de l’evolució de dues estrelles, semblants al nostre Sol però significativament més massives, que evolucionen dins un sistema binari? O són el resultat de forats negres en cúmuls d’estrelles densament poblades que es troben per casualitat? O podria estar involucrat un mecanisme més exòtic? Totes aquestes qüestions continuen sent objecte de debat actualment.

La col·laboració de POSYDON, que inclou institucions com l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), la Universitat de Ginebra (UNIGE), la Universitat del Nord-oest i la Universitat de Florida (UF), ha aconseguit avenços significatius en la simulació de poblacions d’estrelles binàries. Aquest treball ajuda a proporcionar respostes més precises i reconciliar les prediccions teòriques amb les dades de les observacions. “Com que és impossible veure directament la formació de forats negres binaris en fusionar-se, cal confiar en simulacions que reprodueixin les seves propietats d’observació. Fem això simulant els sistemes d’estrelles binàries des del naixement fins a la formació dels sistemes de forats negres binaris”, explica Simone Bavera, investigador postdoctoral del Departament d’Astronomia de la Facultat de Ciències de la UNIGE i autora principal d’aquest estudi.

“Això és només el principi. La capacitat de POSYDON per aprofundir en la formació i l’evolució de la fusió de forats negres binaris ens dona l’esperança d’interpretar futures observacions d’ones gravitacionals. A més, proporciona un marc per comprendre la física de les estrelles massives, siguin aïllades o que formin part d’un sistema binari, i les seves fascinants manifestacions, com les binàries de raigs X, les supernoves de tipus Ia, les explosions de raigs gamma i més”, afirma Konstantinos Kovlakas, investigador postdoctoral de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i membre de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC).

Forçant els límits de les simulacions

Interpretar els orígens de la fusió de forats negres binaris, com els vists el 2015, requereix comparar les prediccions del model teòric amb les observacions reals. La tècnica utilitzada per modelar aquests sistemes es coneix com a “síntesi de població binària”. “Aquesta tècnica simula l’evolució de desenes de milions de sistemes estel·lars binaris per estimar les propietats estadístiques de la població de fonts d’ones gravitacionals resultants. Tot i això, per aconseguir-ho en un marc de temps raonable, els i les investigadors/es fins ara s’han basat en models que fan servir mètodes aproximats per simular l’evolució de les estrelles i les seves interaccions binàries. Per tant, la simplificació excessiva de la física estel·lar única i binària condueix a prediccions menys precises”, explica Anastasios Fragkos, professor adjunt al Departament d’Astronomia de la Facultat de Ciències de la UNIGE.

POSYDON ha superat aquestes limitacions. Dissenyat com a programari de codi obert, aprofita un gran catàleg ja calculat de simulacions detallades d’estrelles individuals i binàries per predir l’evolució de sistemes binaris aïllats. Cadascuna d’aquestes simulacions detallades pot trigar fins a 100 hores de CPU a executar-se en una supercomputadora, cosa que fa que aquesta tècnica de simulació no s’apliqui directament a la síntesi de població binària.

Tot i això, en calcular prèviament un catàleg de simulacions que cobreix tot l’espai de paràmetres de les condicions inicials, POSYDON pot utilitzar aquest ampli conjunt de dades juntament amb mètodes d’aprenentatge automàtic per predir l’evolució completa dels sistemes binaris en menys d’un segon. Aquesta velocitat és comparable a la de codis de síntesi de població ràpida de la generació anterior, però amb més precisió”, explica Jeffrey Andrews, professor adjunt al Departament de Física de la UF.

Introduint un nou model

“Els models anteriors a POSYDON van predir una taxa de formació insignificant de forats negres binaris fusionats en galàxies similars a la Via Làctia i, en particular, no van anticipar l’existència de forats negres fusionats amb una massa de fins a 30 vegades la massa del nostre Sol. POSYDON ha demostrat que aquests forats negres massius podrien existir en galàxies similars a la Via Làctia”, explica Vicky Kalogera, professora distingida de física i astronomia de la Universitat Daniel I. Linzer al Departament de Física i Astronomia de la Universitat Northwestern, directora del Centre d’Exploració i Investigació Interdisciplinària a Astrofísica (CIERA), i coautora d’aquest estudi.

Els models anteriors van sobreestimar certs aspectes, com l’expansió d’estrelles massives, cosa que afecta la pèrdua de massa i les interaccions binàries. Aquests elements són ingredients clau que determinen les propietats de la fusió de forats negres. Gràcies a les simulacions detallades d’estructura estel·lar i d’interacció binària totalment coherents, POSYDON aconsegueix prediccions més precises de la fusió de les propietats dels forats negres binaris, com les masses i els espins.

Aquest estudi és el primer a utilitzar el programari POSYDON de codi obert recentment llançat per investigar la fusió de forats negres binaris. Proporciona nous coneixements sobre els mecanismes de formació de la fusió de forats negres a galàxies com la nostra. L’equip de recerca actualment està desenvolupant una nova versió de POSYDON, que inclourà una biblioteca més gran de simulacions estel·lars i binàries detallades, capaç de simular binàries en una gamma més àmplia de tipus de galàxies.

Article de referència:
The formation of merging black holes with masses beyond 30 M at solar metallicity, Nature Astronomy (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-02018-5

Comunicació ICE-CSIC