Astrónomos de la Universidad de Oxford y del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) han esbozado una nueva técnica para descubrir uno de los objetos más esquivos del universo: pares de agujeros negros supermasivos estrechamente unidos.
Se espera que estos dúos de agujeros negros gigantes se formen de forma natural después de las fusiones de galaxias. Si bien los astrónomos han identificado algunos pares de agujeros negros supermasivos muy separados, ha resultado más difícil encontrar aquellos que orbitan mucho más cerca uno del otro.
En un estudio publicado por el Dr. carta de revisión físicaLos investigadores sugieren buscar una señal distinta. A medida que los agujeros negros orbitan entre sí, su inmensa gravedad puede magnificar repetidamente la luz de las estrellas detrás de ellos, produciendo repetidos destellos que pueden revelar sistemas ocultos.
Las fusiones de galaxias producen binarios de agujeros negros supermasivos
La mayoría de las galaxias contienen un agujero negro supermasivo en su centro. Cuando las galaxias chocan y eventualmente se fusionan, sus agujeros negros centrales pueden unirse gravitacionalmente, creando lo que los científicos llaman un agujero negro binario supermasivo.
Estos sistemas son importantes para comprender cómo evolucionan las galaxias con el tiempo. También se espera que generen algunas de las ondas gravitacionales más fuertes del universo.
Los futuros observatorios de ondas gravitacionales basados en el espacio deberían poder detectar estas binarias directamente. Sin embargo, una nueva investigación sugiere que los astrónomos no tienen que esperar. Los estudios del cielo existentes y futuros pueden potencialmente detectarlos a través de sus efectos sobre la luz visible.
“Los agujeros negros supermasivos actúan como telescopios naturales”, dijo el Dr. Miguel Jumalacaregui del Instituto Max Planck de Física Gravitacional. “Debido a su gran masa y tamaño compacto, desvían fuertemente la luz transitoria. La luz de las estrellas de la misma galaxia anfitriona puede enfocarse en imágenes extraordinariamente brillantes, un fenómeno conocido como lentes gravitacionales”.
Cómo las lentes gravitacionales crean destellos brillantes
Un único agujero negro supermasivo puede magnificar dramáticamente una estrella de fondo, pero sólo cuando la alineación es casi perfecta.
Un sistema binario se comporta de manera diferente. Como los dos agujeros negros actúan como lentes gravitacionales, la región donde puede ocurrir una expansión extrema se vuelve mucho más grande. Este par crea una característica en forma de diamante conocida como curva cáustica, donde las estrellas pueden brillar dramáticamente.
En teoría, una estrella puntiforme perfecta puede ampliarse infinitamente. En realidad, el tamaño finito de la estrella pone un límite a lo brillante que puede ser el efecto.
“La probabilidad de que la luz de las estrellas se expanda mucho aumenta considerablemente en un agujero binario en comparación con un agujero negro”, dijo Bence Kossis, profesor de física en la Universidad de Oxford y coautor del estudio.
Los destellos estelares repetidos pueden revelar agujeros negros ocultos
A diferencia de un único agujero negro, un agujero negro binario cambia continuamente.
A medida que dos agujeros negros orbitan entre sí, pierden gradualmente energía al emitir ondas gravitacionales, un proceso predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein. Con el tiempo, esto hace que los agujeros negros se acerquen y orbiten más rápido.
El estudiante de posgrado Hanxi Wang está en el grupo del profesor Caustic y dirigió el estudio: “La curva cáustica gira y cambia de forma a medida que la binaria se mueve, extendiéndose por el gran volumen de estrellas detrás de ella. Si una estrella brillante está dentro de esta región, puede producir un destello extraordinariamente brillante cada vez que la cáustica pasa sobre ella. Esto crea una luz limpia que parpadea repetidamente. Una firma binaria de agujero negro supermasivo”.
Debido a que la estructura cáustica cambia constantemente, los destellos resultantes ocurrirán repetidamente, creando un patrón reconocible que los astrónomos pueden buscar.
Inferencias sobre la masa y la órbita de los agujeros negros
El equipo descubrió que el momento y la intensidad de estos destellos deberían seguir tendencias predecibles en lugar de aparecer al azar.
A medida que las ondas gravitacionales reducen lentamente la órbita, cambian sutilmente la forma y la velocidad de la curva cáustica. Estos cambios dejan una firma mensurable tanto en el brillo como en la frecuencia del flash.
Al analizar estos patrones, los investigadores pueden inferir propiedades importantes de los binarios ocultos, incluida la masa del agujero negro y detalles de su evolución orbital.
Vera C. Se espera que nuevos y poderosos observatorios, incluido el Observatorio Rubin y el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace, amplíen drásticamente la búsqueda de estos eventos de lentes repetitivos en los próximos años.
“La perspectiva de detectar binarios de agujeros negros supermasivos en espiral años antes de que los futuros detectores de ondas gravitacionales espaciales entren en funcionamiento es extremadamente emocionante”, concluyó el profesor Kossis. “Esto abre la puerta a verdaderos estudios de agujeros negros con múltiples mensajeros, lo que nos permitirá investigar la gravedad y la física de los agujeros negros de formas completamente nuevas”.
