Colosales agujeros negros bailando en el corazón de la galaxia


Encerrados en un vals cósmico épico a 9 mil millones de años luz de distancia, dos agujeros negros supermasivos parecen estar orbitando uno alrededor del otro cada dos años. Cada uno de los dos cuerpos gigantes tiene masas que son cientos de millones de veces más grandes que la de nuestro sol, y los objetos están separados por una distancia de aproximadamente 50 veces la que separa a nuestro sol de Plutón. Cuando la pareja se fusione en aproximadamente 10.000 años, se espera que la colisión titánica sacuda el espacio y el tiempo, enviando ondas gravitacionales a través del universo.

Un equipo de astrónomos dirigido por Caltech ha descubierto evidencia de que este escenario tiene lugar dentro de un objeto ferozmente energético conocido como cuásar. Los cuásares son núcleos activos de galaxias en los que un agujero negro supermasivo extrae material de un disco que lo rodea. En algunos cuásares, el agujero negro supermasivo crea un chorro que sale disparado casi a la velocidad de la luz. El cuásar observado en el nuevo estudio, PKS 2131-021, pertenece a una subclase de cuásares llamados blazars en los que el chorro apunta hacia la Tierra. Los astrónomos ya sabían que los cuásares podrían poseer dos agujeros negros supermasivos en órbita, pero ha resultado difícil encontrar evidencia directa de esto.

El concepto de este artista muestra dos agujeros negros supermasivos candidatos en el corazón de un cuásar llamado PKS 2131-021. En esta vista del sistema, se puede ver la gravedad del agujero negro en primer plano (derecha) torciendo y distorsionando la luz de su compañero, que tiene un chorro poderoso. Cada agujero negro tiene aproximadamente cien millones de veces la masa de nuestro sol, siendo el agujero negro en primer plano un poco menos masivo. Crédito: Caltech/R. Herido (IPAC)

En un informe publicado en The Astrophysical Journal Letters, los investigadores argumentan que PKS 2131-021 es ahora el segundo candidato conocido para un par de agujeros negros supermasivos atrapados en el acto de fusionarse. El primer par de candidatos, dentro de un quásar llamado OJ 287, se orbitan entre sí a mayores distancias, dando vueltas cada nueve años frente a los dos años que tarda el par PKS 2131-021 en completar una órbita.

La evidencia reveladora provino de observaciones de radio de PKS 2131-021 que abarcan 45 años. Según el estudio, un poderoso chorro que emana de uno de los dos agujeros negros dentro de PKS 2131-021 se desplaza de un lado a otro debido al movimiento orbital del par. Esto provoca cambios periódicos en el brillo de la luz de radio del cuásar. Cinco observatorios diferentes registraron estas oscilaciones, incluido el Radio Observatorio Owens Valley (OVRO) de Caltech, el Observatorio Radioastronómico de la Universidad de Michigan (UMRAO), el Observatorio Haystack del MIT, el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), el Radio Observatorio Metsähovi en Finlandia y el Wide -Field Infrared Survey Explorer (WISE) satélite espacial.

La combinación de los datos de radio produce una curva de luz sinusoidal casi perfecta que no se parece a nada observado antes en los cuásares.

«Cuando nos dimos cuenta de que los picos y valles de la curva de luz detectados recientemente coincidían con los picos y valles observados entre 1975 y 1983, supimos que algo muy especial estaba pasando», dice Sandra O’Neill, autora principal del nuevo estudio. y un estudiante de pregrado en Caltech cuyo mentor es Tony Readhead, profesor emérito de astronomía Robinson.

Ondas en el espacio y el tiempo

La mayoría de las galaxias, si no todas, poseen monstruosos agujeros negros en sus núcleos, incluida nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Cuando las galaxias se fusionan, sus agujeros negros se «hunden» en el centro de la galaxia recién formada y finalmente se unen para formar un agujero negro aún más masivo. A medida que los agujeros negros giran uno hacia el otro, perturban cada vez más el tejido del espacio y el tiempo, enviando ondas gravitacionales, que fueron predichas por primera vez por Albert Einstein hace más de 100 años.

El LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser) de la Fundación Nacional de Ciencias, administrado conjuntamente por Caltech y el MIT, detecta ondas gravitacionales de pares de agujeros negros de hasta decenas de veces la masa de nuestro sol. Sin embargo, los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias tienen entre millones y miles de millones de veces la masa de nuestro sol y emiten frecuencias de ondas gravitacionales más bajas que las detectadas por LIGO.

En el futuro, los conjuntos de sincronización de púlsares, que consisten en un conjunto de estrellas muertas pulsantes monitoreadas con precisión por radiotelescopios, deberían poder detectar las ondas gravitacionales de los agujeros negros supermasivos de este peso. (La próxima misión de la Antena espacial del interferómetro láser, o LISA, detectaría la fusión de agujeros negros cuyas masas son entre 1000 y 10 millones de veces mayores que la masa de nuestro sol). Hasta ahora, no se han registrado ondas gravitacionales de ninguna de estas fuentes más pesadas. pero PKS 2131-021 proporciona el objetivo más prometedor hasta el momento.

Mientras tanto, las ondas de luz son la mejor opción para detectar agujeros negros supermasivos coalescentes.

El primero de estos candidatos, OJ 287, también exhibe variaciones periódicas de luz de radio. Estas fluctuaciones son más irregulares y no sinusoidales, pero sugieren que los agujeros negros se orbitan entre sí cada nueve años. Los agujeros negros dentro del nuevo cuásar, PKS 2131-021, se orbitan entre sí cada dos años y están separados por 2.000 unidades astronómicas, unas 50 veces la distancia entre nuestro sol y Plutón, o de 10 a 100 veces más cerca que el par en OJ 287. (Una unidad astronómica es la distancia entre la Tierra y el sol).

Revelando la curva de luz de 45 años

Readhead dice que los descubrimientos se desarrollaron como una «buena novela de detectives», comenzando en 2008 cuando él y sus colegas comenzaron a usar el telescopio de 40 metros en OVRO para estudiar cómo los agujeros negros convierten el material del que se «alimentan» en chorros relativistas, o chorros que viajan a velocidades hasta un 99,98 por ciento el de la luz. Habían estado monitoreando el brillo de más de 1,000 blazares para este propósito cuando, en 2020, notaron un caso único.

«PKS 2131 variaba no solo periódicamente, sino también sinusoidalmente», dice Readhead. «Eso significa que hay un patrón que podemos rastrear continuamente a lo largo del tiempo». La pregunta, dice, se convirtió en cuánto tiempo ha estado ocurriendo este patrón de onda sinusoidal.

Luego, el equipo de investigación revisó los datos de radio de archivo para buscar picos anteriores en las curvas de luz que coincidieran con las predicciones basadas en las observaciones más recientes de OVRO. En primer lugar, los datos de Very Long Baseline Array de NRAO y UMRAO revelaron un pico de 2005 que coincidía con las predicciones. Los datos de UMRAO mostraron además que no hubo ninguna señal sinusoidal durante 20 años antes de ese momento, hasta 1981, cuando se observó otro pico predicho.

«La historia se habría detenido allí, ya que no nos dimos cuenta de que había datos sobre este objeto antes de 1980», dice Readhead. «Pero luego, Sandra retomó este proyecto en junio de 2021. Si no fuera por ella, este hermoso hallazgo estaría en el estante».

O’Neill comenzó a trabajar con Readhead y el segundo autor del estudio, Sebastian Kiehlmann, un postdoctorado en la Universidad de Creta y ex científico del personal de Caltech, como parte del programa de becas de investigación de pregrado de verano (SURF) de Caltech. O’Neill comenzó la universidad con una especialización en química, pero eligió el proyecto de astronomía porque quería mantenerse activa durante la pandemia. «Me di cuenta de que estaba mucho más entusiasmada con esto que con cualquier otra cosa en la que había trabajado», dice.

Con el proyecto nuevamente sobre la mesa, Readhead buscó en la literatura y descubrió que el Observatorio Haystack había realizado observaciones de radio de PKS 2131-021 entre 1975 y 1983. Estos datos revelaron otro pico que coincidía con sus predicciones, esta vez en 1976.

«Este trabajo muestra el valor de realizar un seguimiento preciso de estas fuentes durante muchos años para realizar descubrimientos científicos», dice el coautor Roger Blandford, Académico Distinguido de Moore en Astrofísica Teórica en Caltech, que actualmente se encuentra en un año sabático de la Universidad de Stanford.

Como un reloj

Readhead compara el sistema del chorro que se mueve de un lado a otro con el tictac de un reloj, donde cada ciclo o período de la onda sinusoidal corresponde a la órbita de dos años de los agujeros negros (aunque el ciclo observado es en realidad de cinco años debido a la luz). siendo estirado por la expansión del universo). Este tictac se vio por primera vez en 1976 y continuó durante ocho años antes de desaparecer durante 20 años, probablemente debido a cambios en la alimentación del agujero negro. El tic-tac ha vuelto hace 17 años.

«El reloj siguió corriendo», dice, «la estabilidad del período durante esta brecha de 20 años sugiere fuertemente que este blazar alberga no un agujero negro supermasivo, sino dos agujeros negros supermasivos que se orbitan entre sí».

La física subyacente a las variaciones sinusoidales fue al principio un misterio, pero Blandford ideó un modelo simple y elegante para explicar la forma sinusoidal de las variaciones.

«Sabíamos que esta hermosa onda sinusoidal nos decía algo importante sobre el sistema», dice Readhead. «El modelo de Roger nos muestra que es simplemente el movimiento orbital lo que hace esto. Antes de que Roger lo descubriera, nadie había imaginado que un sistema binario con un jet relativista tendría una curva de luz como esta».

Kiehlmann dice que su «estudio proporciona un modelo sobre cómo buscar tales binarios blazar en el futuro».

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