Un nuevo modelo está acercando a los científicos a comprender los tipos de señales de luz que se producen cuando dos agujeros negros supermasivos, que son de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, espiral hacia una colisión. Por primera vez, una nueva simulación por computadora 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 rayos X.

Casi todas las galaxias del tamaño de nuestra propia 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.

"Sabemos que las galaxias con agujeros negros supermasivos centrales se combinan todo el tiempo en el universo, sin embargo, solo vemos una pequeña fracción de galaxias con dos de ellas cerca de sus centros, "dijo Scott Noble, un astrofísico en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Los pares que 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 artículo que describe el análisis del equipo de la nueva simulación se publicó el martes, 2 de octubre en el Diario astrofísico y ahora está disponible en línea.

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 del 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 objetos en órbita masiva como agujeros negros y estrellas de neutrones se juntan en espiral y se fusionan.

Las fusiones supermasivas serán mucho más difíciles de encontrar que sus primos de masa estelar. Una de las razones por las que los observatorios terrestres no pueden detectar ondas gravitacionales de estos eventos es porque la Tierra misma es demasiado ruidosa, temblores de vibraciones sísmicas y cambios gravitacionales de perturbaciones atmosféricas. Los detectores deben estar en el espacio, como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) liderada por la ESA (la Agencia Espacial Europea) y cuyo lanzamiento está previsto para la década de 2030. Observatorios que monitorean conjuntos de giros rápidos, Las estrellas superdensas llamadas púlsares pueden detectar ondas gravitacionales de fusiones de monstruos. Como faros Los púlsares emiten rayos de luz temporizados regularmente que parpadean dentro y fuera de la vista a medida que giran. Las ondas gravitacionales podrían causar ligeros cambios en la sincronización de esos destellos, pero hasta ahora los estudios no han arrojado 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 rápido que no queda mucho para brillar cuando se produce la fusión.

Binarios supermasivos, por otra parte, resultado de fusiones de galaxias. Cada agujero negro de gran tamaño trae consigo un séquito de nubes de gas y polvo, 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. Mientras los agujeros negros se acercan, Las fuerzas magnéticas y gravitacionales calientan el gas restante, producción de luz que los astrónomos deberían poder ver.

"Es muy importante proceder en dos pistas, "dijo la coautora Manuela Campanelli, director del Centro de Relatividad y Gravitación Computacional en el Instituto de Tecnología de Rochester en Nueva York, quien inició este proyecto hace nueve años. "Modelar estos eventos requiere herramientas computacionales sofisticadas que incluyan todos los efectos físicos producidos por dos agujeros negros supermasivos que orbitan entre sí a una fracción de la velocidad de la luz. Saber qué señales de luz esperar de estos eventos ayudará a las observaciones modernas a identificarlos. las observaciones se alimentarán unas a otras, ayudándonos a comprender mejor lo que está sucediendo en el corazón 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 ultravioleta 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 gran anillo que rodea todo el sistema, llamado disco circumbinario, y dos más pequeños alrededor de cada agujero negro, llamados mini discos. Todos estos objetos emiten predominantemente luz ultravioleta. Cuando el gas fluye hacia un mini disco a gran velocidad, la luz ultravioleta 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 ultravioleta se atenúa en relación con los rayos X.

Basado en la simulación, los investigadores esperan que los rayos X emitidos por una fusión cercana sean más brillantes y más variables que los rayos X vistos desde agujeros negros supermasivos individuales. El ritmo de los cambios se relaciona tanto con la velocidad orbital del gas ubicado en el borde interior del disco circumbinario como con la de los agujeros negros fusionados.

"La forma en que ambos agujeros negros desvían la luz da lugar a efectos de lentes complejos, 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 artículo. "Algunas características exóticas fueron una sorpresa, como las sombras en forma de ceja que ocasionalmente crea un agujero negro cerca del horizonte del otro ".

La simulación se ejecutó en la supercomputadora Blue Waters del Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Modelar tres órbitas del sistema tomó 46 días en 9, 600 núcleos de computación. Campanelli dijo que recientemente se otorgó tiempo adicional a la colaboración 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 cambiar los parámetros del sistema, como la temperatura, distancia, masa total y tasa de acreción, afectará la luz emitida. Están interesados ​​en ver qué sucede con el gas que viaja entre los dos agujeros negros, así como en modelar períodos de tiempo más largos.

"Necesitamos encontrar señales en la luz de binarios de agujeros negros supermasivos lo suficientemente distintivos como para que los astrónomos puedan encontrar estos raros sistemas entre la multitud de agujeros negros supermasivos únicos y brillantes". "dijo el coautor Julian Krolik, astrofísico de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore. "Si podemos hacer eso, podríamos ser capaces de descubrir la fusión de agujeros negros supermasivos antes de que sean vistos por un observatorio de ondas gravitacionales basado en el espacio ".