En un par de agujeros negros supermasivos fusionados, un nuevo método para medir el vacío


Hace tres años, la primera imagen de un agujero negro sorprendió al mundo. Un pozo negro de la nada encerrado por un anillo de luz ardiente. Esa imagen icónica del agujero negro en el centro de la galaxia Messier 87 se enfocó gracias al Event Horizon Telescope, una red global de antenas de radio sincronizadas que actúan como un telescopio gigante.

En esta simulación de una fusión de un agujero negro supermasivo, el agujero negro desplazado hacia el azul más cercano al espectador amplifica el agujero negro desplazado hacia el rojo en la parte posterior a través de lentes gravitacionales. Los investigadores descubrieron una clara caída en el brillo cuando el agujero negro más cercano pasaba frente a la sombra de su contraparte, una observación que podría usarse para medir el tamaño de ambos agujeros negros y probar teorías alternativas de la gravedad. Crédito: Jordy Davelaar

Ahora, un par de investigadores de Columbia han ideado una forma potencialmente más fácil de mirar hacia el abismo. Descrito en estudios complementarios en Physical Review Letters y Physical Review D, su técnica de imagen podría permitir a los astrónomos estudiar agujeros negros más pequeños que el de M87, un monstruo con una masa de 6.500 millones de soles, albergado en galaxias más distantes que M87, que a 55 millones de luz -años de distancia, todavía está relativamente cerca de nuestra propia Vía Láctea.

La técnica tiene sólo dos requisitos. Primero, necesitas un par de agujeros negros supermasivos en proceso de fusión. En segundo lugar, debe mirar a la pareja en un ángulo casi lateral. Desde este punto de vista lateral, cuando un agujero negro pasa frente al otro, debería poder ver un destello de luz brillante a medida que el anillo brillante del agujero negro más lejano se magnifica por el agujero negro más cercano a usted, un fenómeno conocida como lente gravitacional.

El efecto de lente es bien conocido, pero lo que los investigadores descubrieron aquí fue una señal oculta: una disminución distintiva en el brillo correspondiente a la «sombra» del agujero negro en la parte posterior. Esta atenuación sutil puede durar desde unas pocas horas hasta unos pocos días, dependiendo de cuán masivos sean los agujeros negros y cuán estrechamente entrelazadas estén sus órbitas. Si mide cuánto dura la inmersión, dicen los investigadores, puede estimar el tamaño y la forma de la sombra proyectada por el horizonte de eventos del agujero negro, el punto sin salida, donde nada escapa, ni siquiera la luz.

En esta simulación de un par de agujeros negros supermasivos que se fusionan, el agujero negro más cercano al espectador se acerca y, por lo tanto, aparece azul (fotograma 1), amplificando el agujero negro desplazado hacia el rojo en la parte posterior a través de lentes gravitacionales. A medida que el agujero negro más cercano amplifica la luz del agujero negro más lejano (fotograma 2), el espectador ve un destello de luz brillante. Pero cuando el agujero negro más cercano pasa por delante del abismo, o la sombra, del agujero negro más lejano, el espectador ve una ligera caída en el brillo (fotograma 3). Esta caída de brillo (3) se muestra claramente en los datos de la curva de luz debajo de las imágenes. Crédito: Jordy Devalaar

«Tomó años y un gran esfuerzo por parte de docenas de científicos hacer esa imagen de alta resolución de los agujeros negros M87», dijo el primer autor del estudio, Jordy Davelaar, un postdoctorado en Columbia y el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron. «Ese enfoque solo funciona para los agujeros negros más grandes y cercanos: el par en el corazón de M87 y potencialmente nuestra propia Vía Láctea».

Una simulación de lentes gravitacionales en un par de agujeros negros supermasivos que se fusionan. Crédito: Jordy Devalaar
Agregó: «Con nuestra técnica, mides el brillo de los agujeros negros a lo largo del tiempo, no necesitas resolver cada objeto espacialmente. Debería ser posible encontrar esta señal en muchas galaxias».

La sombra de un agujero negro es su característica más misteriosa e informativa. «Ese punto oscuro nos informa sobre el tamaño del agujero negro, la forma del espacio-tiempo que lo rodea y cómo la materia cae en el agujero negro cerca de su horizonte», dijo el coautor Zoltan Haiman, profesor de física en Columbia.

Las sombras de los agujeros negros también pueden contener el secreto de la verdadera naturaleza de la gravedad, una de las fuerzas fundamentales de nuestro universo. La teoría de la gravedad de Einstein, conocida como relatividad general, predice el tamaño de los agujeros negros. Los físicos, por lo tanto, los han buscado para probar teorías alternativas de la gravedad en un esfuerzo por reconciliar dos ideas contrapuestas sobre cómo funciona la naturaleza: la relatividad general de Einstein, que explica fenómenos a gran escala como los planetas en órbita y el universo en expansión, y la física cuántica, que explica cómo pequeñas partículas como electrones y fotones pueden ocupar múltiples estados a la vez.

Los investigadores se interesaron en la erupción de agujeros negros supermasivos después de detectar un par de agujeros negros supermasivos en el centro de una galaxia lejana en el universo primitivo. El telescopio espacial Kepler de búsqueda de planetas de la NASA estaba buscando las pequeñas caídas en el brillo correspondientes a un planeta que pasa frente a su estrella anfitriona. En cambio, Kepler terminó detectando las llamaradas de lo que Haiman y sus colegas afirman que son un par de agujeros negros que se fusionan.

Llamaron a la galaxia distante «Spikey» por los picos de brillo provocados por sus supuestos agujeros negros que se magnifican entre sí en cada rotación completa a través del efecto de lente. Para obtener más información sobre la llamarada, Haiman construyó un modelo con su postdoctorado, Davelaar.

Sin embargo, estaban confundidos cuando su par de agujeros negros simulados producía una caída inesperada, pero periódica, en el brillo cada vez que uno orbitaba frente al otro. Al principio, pensaron que era un error de codificación. Pero una verificación adicional los llevó a confiar en la señal.

Mientras buscaban un mecanismo físico para explicarlo, se dieron cuenta de que cada descenso en el brillo coincidía con el tiempo que tardaba el agujero negro más cercano al espectador en pasar frente a la sombra del agujero negro en la parte posterior.

Los investigadores actualmente están buscando otros datos del telescopio para tratar de confirmar la caída que vieron en los datos de Kepler para verificar que Spikey, de hecho, alberga un par de agujeros negros que se fusionan. Si todo sale bien, la técnica podría aplicarse a un puñado de otros pares sospechosos de fusionar agujeros negros supermasivos entre los 150 que se han detectado hasta ahora y están esperando confirmación.

A medida que se pongan en marcha telescopios más potentes en los próximos años, pueden surgir otras oportunidades. El Observatorio Vera Rubin, que se inaugurará este año, tiene la vista puesta en más de 100 millones de agujeros negros supermasivos. Será posible seguir explorando agujeros negros cuando el detector de ondas gravitacionales de la NASA, LISA, se lance al espacio en 2030.

«Incluso si solo una pequeña fracción de estos binarios de agujeros negros tiene las condiciones adecuadas para medir nuestro efecto propuesto, podríamos encontrar muchas de estas inmersiones de agujeros negros», dijo Davelaar.

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