Descubierta una pareja de agujeros negros supermasivos camino de colisionar

Pareja titanica: una galaxia a aproximadamente 2,5 billones de años luz de distancia tiene un par de agujeros negros supermasivos (recuadro). Las ubicaciones de los agujeros negros están iluminadas por gas cálido y estrellas brillantes que rodean los objetos. El hallazgo mejora las estimaciones de cuándo los astrónomos detectarán por primera vez el fondo de ondas gravitacionales generado por los agujeros negros supermasivos. Crédito: A.D. Goulding et al./Astrophysical Journal Letters 2019

Los astrónomos han visto un par distante de agujeros negros titánicos encaminados a una colisión.

La masa de cada agujero negro es más de 800 millones de veces la de nuestro sol. A medida que los dos se acercan gradualmente en una espiral de muerte, comenzarán a enviar ondas gravitacionales a través del espacio-tiempo. Esas ondulaciones cósmicas se unirán al ruido de fondo aún no detectado de las ondas gravitacionales de otros agujeros negros supermasivos.

Incluso antes de la colisión prevista, las ondas gravitacionales que emanan del par de agujeros negros supermasivos harán que los detectados previamente de las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones sean mucho más pequeños.

"Los binarios supermasivos de agujeros negros producen las ondas gravitacionales más fuertes del universo", dice la co-descubridora Chiara Mingarelli, investigadora científica asociada en el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York. Las ondas gravitacionales de pares de agujeros negros supermasivos "son un millón de veces más fuertes que las detectadas por LIGO".

El estudio fue dirigido por Andy Goulding, un investigador asociado de la Universidad de Princeton. Goulding, Mingarelli y colaboradores de Princeton y el Laboratorio de Investigación Naval de los EE. UU. En Washington, D.C. e informan sobre el descubrimiento el 10 de julio en The Astrophysical Journal Letters.

Los dos agujeros negros supermasivos son especialmente interesantes porque están a unos 2.500 millones de años luz de la Tierra. Dado que mirar objetos distantes en astronomía es como mirar hacia atrás en el tiempo, el par pertenece a un universo 2.500 millones de años más joven que el nuestro. Casualmente, es aproximadamente la misma cantidad de tiempo que los astrónomos estiman que los agujeros negros tardarán en comenzar a producir poderosas ondas gravitacionales.

En el universo actual, los agujeros negros ya están emitiendo estas ondas gravitacionales, pero incluso a la velocidad de la luz, las ondas no nos alcanzarán durante miles de millones de años. El dúo sigue siendo útil, sin embargo. Su descubrimiento puede ayudar a los científicos a estimar cuántos agujeros negros supermasivos cercanos están emitiendo ondas gravitacionales que podemos detectar en este momento.

Detectar el fondo de la onda gravitacional ayudará a resolver algunas de las incógnitas más importantes de la astronomía, como la frecuencia con que las galaxias se fusionan y si los pares de agujeros negros supermasivos se fusionan o se atascan en un vals casi infinito uno alrededor del otro.

"Es una gran vergüenza para la astronomía que no sepamos si los agujeros negros supermasivos se fusionan", dice la coautora del estudio Jenny Greene, profesora de ciencias astrofísicas en Princeton. "Para todos en la física observacional de los agujeros negros, este es un rompecabezas de larga duración que debemos resolver".

Los agujeros negros supermasivos contienen millones o incluso miles de millones de moles en masa. Casi todas las galaxias, incluida la Vía Láctea, contienen al menos uno de los gigantes en su núcleo. Cuando las galaxias se fusionan, sus agujeros negros supermasivos se encuentran y comienzan a orbitarse unos a otros. Con el tiempo, esta órbita se contrae a medida que el gas y las estrellas pasan entre los agujeros negros y roban energía.

Sin embargo, una vez que los agujeros negros supermasivos se acercan lo suficiente, este robo de energía casi se detiene. Algunos estudios teóricos sugieren que los agujeros negros se estancan a aproximadamente 1 parsec (aproximadamente 3,2 años luz). Esta desaceleración dura casi indefinidamente y se conoce como el problema final de Parsec. En este escenario, solo grupos muy raros de tres o más agujeros negros supermasivos resultan en fusiones.

Los astrónomos no pueden simplemente buscar parejas paralizadas porque mucho antes de que los agujeros negros estén separados por un parsec, están demasiado cerca para distinguirlos como dos objetos separados. Además, no producen fuertes ondas gravitacionales hasta que superan el obstáculo final de parsec y se acercan. (Observados tal como eran hace 2.500 millones de años, los nuevos agujeros negros supermasivos aparecen a unos 430 parsecs de separación).

Si el problema final de Parsec no existe, entonces los astrónomos esperan que el universo esté lleno con el clamor de las ondas gravitacionales de los pares de agujeros negros supermasivos. "Este ruido se llama el fondo de la onda gravitacional, y es un poco como un coro caótico de grillos cantando en la noche", dice Goulding. "No se puede distinguir un grillo de otro, pero el volumen del ruido te ayuda a calcular cuántos grillos hay por ahí". (Cuando dos agujeros negros supermasivos finalmente chocan y se combinan, envían un chirrido atronador que empequeñece a todos los demás. Sin embargo, tal evento es breve y extraordinariamente raro, por lo que los científicos no esperan detectar uno a corto plazo.)

Las ondas gravitacionales generadas por pares de agujeros negros supermasivos están fuera de las frecuencias actualmente observables por experimentos como LIGO y Virgo. En su lugar, los cazadores de ondas gravitacionales se basan en matrices de estrellas especiales llamadas púlsares que actúan como metrónomos. Las estrellas que giran rápidamente emiten ondas de radio en un ritmo constante. Si una onda gravitacional que pasa se estira o comprime el espacio entre la Tierra y el púlsar, el ritmo se aleja ligeramente.

La detección del fondo de ondas gravitacionales mediante uno de estos arreglos de temporización de púlsares requiere paciencia y muchas estrellas monitoreadas. El ritmo de un solo púlsar se puede interrumpir solo en unos pocos cientos de nanosegundos durante una década. Cuanto más alto sea el ruido de fondo, mayor será la interrupción del tiempo y más pronto se realizará la primera detección.

Goulding, Greene y los otros astrónomos de observación en el equipo detectaron los dos titanes con el Telescopio Espacial Hubble. Aunque los agujeros negros supermasivos no son directamente visibles a través de un telescopio óptico, están rodeados por brillantes grupos de estrellas luminosas y gas caliente arrastrado por el poderoso tirón gravitacional. Para su época en la historia, la galaxia que alberga al recién descubierto par de agujeros negros supermasivos "es básicamente la galaxia más luminosa del universo", dice Goulding. Es más, el núcleo de la galaxia está disparando dos columnas de gas inusualmente colosales. Después de que los investigadores apuntaron el Telescopio Espacial Hubble a la galaxia para descubrir los orígenes de sus espectaculares nubes de gas, descubrieron que el sistema no contenía uno sino dos agujeros negros masivos.

Luego, los observacionalistas se unieron a los físicos de ondas gravitacionales Mingarelli y al estudiante graduado de Princeton Kris Pardo para interpretar el hallazgo en el contexto del fondo de ondas gravitacionales. El descubrimiento proporciona un punto de anclaje para estimar cuántos pares de agujeros negros supermasivos están dentro de la distancia de detección de la Tierra. Las estimaciones anteriores se basaban en modelos informáticos de la frecuencia con que las galaxias se combinan, en lugar de observaciones reales de pares de agujeros negros supermasivos.

Basados ​​en los hallazgos, Pardo y Mingarelli predicen que en un escenario optimista hay cerca de 112 agujeros negros supermasivos cercanos que emiten ondas gravitacionales. Por lo tanto, la primera detección del fondo de ondas gravitacionales de los agujeros negros supermasivos debería ocurrir dentro de los próximos cinco años aproximadamente. Si no se hace tal detección, eso sería evidencia de que el problema final de Parsec puede ser insuperable. El equipo está actualmente mirando otras galaxias similares a la que alberga al recién descubierto par de agujeros negros supermasivos. Encontrar parejas adicionales les ayudará a afinar sus predicciones.

Fuente: Simons Foundation,