Una nueva simulación arroja luz sobre los agujeros negros supermasivos en espiral

Un nuevo modelo está acercando a los científicos a la comprensión de los tipos de señales de luz que se producen cuando dos agujeros negros súper masivos, que son de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, se dirigen en espiral hacia una colisión. Por primera vez, una nueva simulación por ordenador que incorpora completamente los efectos físicos de la teoría general de la relatividad de Einstein muestra que el gas en tales sistemas brillará predominantemente en luz ultravioleta y de rayos X. 

Casi todas las galaxias del tamaño de nuestra Vía Láctea o más grandes contienen un agujero negro monstruoso en su centro. Las observaciones muestran que las fusiones de galaxias ocurren con frecuencia en el universo, pero hasta ahora nadie ha visto una fusión de estos agujeros negros gigantes. 

Esta animación gira 360 grados alrededor de una versión congelada de la simulación en el plano del disco. Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA.

"Sabemos que las galaxias con agujeros negros supermasivos se combinan todo el tiempo en el universo, pero solo vemos una pequeña fracción de galaxias con dos de ellos cerca de sus centros", dijo Scott Noble, astrofísico en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt. Maryland. “Los pares que sí vemos no emiten fuertes señales de ondas gravitacionales porque están demasiado lejos el uno del otro. Nuestro objetivo es identificar, solo con luz, pares aún más cercanos a partir de los cuales se puedan detectar señales de ondas gravitacionales en el futuro ". 

Un documento que describe el análisis del equipo de la nueva simulación se publicó el martes 2 de octubre en The Astrophysical Journal y ahora está disponible en línea. 

El gas brilla intensamente en esta simulación por ordenador de agujeros negros supermasivos a solo 40 órbitas de la fusión. Modelos como este pueden eventualmente ayudar a los científicos a identificar ejemplos reales de estos poderosos sistemas binarios. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA

Los científicos han detectado la fusión de agujeros negros de masa estelar, que van desde alrededor de tres a varias docenas de masas solares, utilizando el Observatorio de Ondas Gravitacionales de Interferómetro Láser (LIGO) de la National Science Foundation . Las ondas gravitacionales son ondas del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Se crean cuando los objetos en órbita masiva, como los agujeros negros y las estrellas de neutrones, forman espirales y se fusionan. 

Las fusiones supermasivas serán mucho más difíciles de encontrar que sus primos de masa estelar. Una razón por la que los observatorios terrestres no pueden detectar las ondas gravitacionales de estos eventos es porque la Tierra misma es demasiado ruidosa, debido a las vibraciones sísmicas y los cambios gravitacionales de las perturbaciones atmosféricas. Los detectores deben estar en el espacio, como la Antena Espacial del Interferómetro Láser (LISA) dirigida por la ESA (la Agencia Espacial Europea).) y previsto para su lanzamiento en la década de 2030. Los observatorios que monitorean conjuntos de estrellas superdensas que giran rápidamente, llamadas púlsares, pueden detectar ondas gravitacionales de fusiones de monstruos. Al igual que los faros, los púlsares emiten haces de luz de tiempo regular que parpadean dentro y fuera de la vista a medida que giran. Las ondas gravitacionales podrían causar leves cambios en la sincronización de esos destellos, pero hasta ahora los estudios no han producido ninguna detección. 

Pero los binarios supermasivos que se acercan a la colisión pueden tener una cosa de la que carecen los binarios de masa estelar: un entorno rico en gas. Los científicos sospechan que la explosión de supernova que crea un agujero negro estelar también destruye la mayor parte del gas circundante. El agujero negro consume lo poco que queda tan rápidamente que no queda mucho para brillar cuando ocurre la fusión. 

Los binarios supermasivos, por otro lado, resultan de fusiones de galaxias. Cada gran agujero negro trae consigo una comitiva de nubes de polvo y gas, estrellas y planetas. Los científicos creen que una colisión de galaxias impulsa gran parte de este material hacia los agujeros negros centrales, que lo consumen en una escala de tiempo similar a la necesaria para que el binario se fusione. A medida que los agujeros negros se acercan, las fuerzas magnéticas y gravitacionales calientan el gas restante, produciendo luz que los astrónomos poder ver. 

"Es muy importante avanzar en dos pistas", dijo la coautora Manuela Campanelli, directora del Centro de Relatividad y Gravitación Computacional en el Instituto de Tecnología de Rochester en Nueva York, quien inició este proyecto hace nueve años. “El modelado de estos eventos requiere sofisticadas herramientas de cómputo que incluyen todos los efectos físicos producidos por dos agujeros negros supermasivos que se orbitan entre sí a una fracción de la velocidad de la luz. Saber qué señales de luz se esperan de estos eventos ayudará a las observaciones modernas a identificarlos. El modelado y las observaciones se integrarán entre sí, ayudándonos a comprender mejor lo que está sucediendo en los corazones de la mayoría de las galaxias ". 

La nueva simulación muestra tres órbitas de un par de agujeros negros supermasivos a solo 40 órbitas de la fusión. Los modelos revelan que la luz emitida en esta etapa del proceso puede estar dominada por la luz UV con algunos rayos X de alta energía, similar a lo que se ve en cualquier galaxia con un agujero negro supermasivo bien alimentado. 

Tres regiones de gas emisor de luz brillan cuando los agujeros negros se fusionan, todos conectados por corrientes de gas caliente: un anillo grande que rodea todo el sistema, llamado el disco circumbinario, y dos más pequeñas alrededor de cada agujero negro, llamadas mini discos. Todos estos objetos emiten predominantemente luz ultravioleta. Cuando el gas fluye a un mini disco a alta velocidad, la luz UV del disco interactúa con la corona de cada agujero negro, una región de partículas subatómicas de alta energía por encima y por debajo del disco. Esta interacción produce rayos X. Cuando la tasa de acreción es menor, la luz UV se atenúa en relación con los rayos X. 

Sobre la base de la simulación, los investigadores esperan que los rayos X emitidos por una fusión cercana sean más brillantes y más variables que los rayos X que se ven en los agujeros negros supermasivos individuales. El ritmo de los cambios se vincula tanto a la velocidad orbital del gas ubicado en el borde interior del disco circumbinario como a la de los agujeros negros que se fusionan. 

Este video de 360 ​​grados coloca al espectador en medio de dos agujeros negros supermasivos que giran alrededor de 18.6 millones de millas (30 millones de kilómetros) de distancia, con un período orbital de 46 minutos. La simulación muestra cómo los agujeros negros distorsionan el fondo estrellado y capturan la luz, produciendo siluetas de agujeros negros. Una característica distintiva llamada anillo de fotones describe los agujeros negros. Todo el sistema tendría alrededor de 1 millón de veces la masa del Sol. Créditos: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA; fondo, ESA / Gaia / DPAC

"La forma en que ambos agujeros negros desvían la luz da lugar a complejos efectos de lentes, como se ve en la película cuando un agujero negro pasa frente al otro", dijo Stéphane d'Ascoli, estudiante de doctorado en la École Normale Supérieure de París y autora principal. del papel. "Algunas características exóticas fueron una sorpresa, como las sombras en forma de ceja que un agujero negro crea ocasionalmente cerca del horizonte del otro". 

La simulación se han ejecutado en el Centro Nacional de Supercomputación Aplicaciones ' superordenador Blue Waters en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . El modelado de tres órbitas del sistema tomó 46 días en 9.600 núcleos de computación. Campanelli dijo que la colaboración recientemente se otorgó un tiempo adicional en Blue Waters para continuar desarrollando sus modelos. 

La simulación original estimó las temperaturas del gas. El equipo planea refinar su código para modelar cómo los parámetros cambiantes del sistema, como la temperatura, la distancia, la masa total y la tasa de acreción, afectarán la luz emitida. Están interesados ​​en ver qué sucede con el gas que se desplaza entre los dos agujeros negros, así como en el modelado de períodos de tiempo más largos. 

"Necesitamos encontrar señales a la luz de las binarias supermasivas de agujeros negros lo suficientemente distintivos como para que los astrónomos puedan encontrar estos sistemas raros entre la multitud de brillantes agujeros negros supermasivos", dijo el coautor Julian Krolik, astrofísico de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore. "Si podemos hacer eso, podríamos descubrir la fusión de agujeros negros supermasivos antes de que los vea un observatorio de ondas gravitacionales basadas en el espacio". 

Fuente: NASA's Goddard Space Flight Center