¿Los agujeros negros supermasivos tienen amigos? La naturaleza de la formación de galaxias sugiere que la respuesta es sí, y de hecho, los pares de agujeros negros supermasivos deberían ser comunes en el universo.

Soy astrofísico y estoy interesado en una amplia gama de problemas teóricos en astrofísica, desde la formación de las primeras galaxias hasta las interacciones gravitacionales de los agujeros negros, estrellas e incluso planetas. Los agujeros negros son sistemas intrigantes, y los agujeros negros supermasivos y los densos entornos estelares que los rodean representan uno de los lugares más extremos de nuestro universo.

El agujero negro supermasivo que acecha en el centro de nuestra galaxia, llamado Sgr A *, tiene una masa de aproximadamente 4 millones de veces la de nuestro Sol. Un agujero negro es un lugar en el espacio donde la gravedad es tan fuerte que ni las partículas ni la luz pueden escapar de él. Alrededor de Sgr A * hay un denso cúmulo de estrellas. Las mediciones precisas de las órbitas de estas estrellas permitieron a los astrónomos confirmar la existencia de este agujero negro supermasivo y medir su masa. Durante más de 20 años, Los científicos han estado monitoreando las órbitas de estas estrellas alrededor del agujero negro supermasivo. Basado en lo que hemos visto mis compañeros y yo demostramos que si hay un amigo ahí, podría ser un segundo agujero negro cercano que tenga al menos 100, 000 veces la masa del Sol.

Agujeros negros supermasivos y sus amigos

Casi todas las galaxias incluida nuestra Vía Láctea, tiene un agujero negro supermasivo en su corazón, con masas de millones a miles de millones de veces la masa del Sol. Los astrónomos todavía están estudiando por qué el corazón de las galaxias a menudo alberga un agujero negro supermasivo. Una idea popular se relaciona con la posibilidad de que los agujeros supermasivos tengan amigos.

Para entender esta idea, tenemos que volver a cuando el universo tenía unos 100 millones de años, a la era de las primeras galaxias. Eran mucho más pequeñas que las galaxias actuales, como 10, 000 o más veces menos masiva que la Vía Láctea. Dentro de estas primeras galaxias, las primeras estrellas que murieron crearon agujeros negros, de aproximadamente decenas a mil la masa del Sol. Estos agujeros negros se hundieron hasta el centro de gravedad, el corazón de su galaxia anfitriona. Dado que las galaxias evolucionan fusionándose y colisionando unas con otras, las colisiones entre galaxias darán como resultado pares de agujeros negros supermasivos, la parte clave de esta historia. Luego, los agujeros negros chocan y también aumentan de tamaño. Un agujero negro que tiene más de un millón de veces la masa de nuestro hijo se considera supermasivo.

Si de hecho el agujero negro supermasivo tiene un amigo girando a su alrededor en órbita cercana, el centro de la galaxia está atrapado en una compleja danza. Los tirones gravitacionales de los socios también ejercerán su propia atracción sobre las estrellas cercanas que alteran sus órbitas. Los dos agujeros negros supermasivos se orbitan entre sí, y al mismo tiempo, cada uno ejerce su propia atracción sobre las estrellas que lo rodean.

Las fuerzas gravitacionales de los agujeros negros tiran de estas estrellas y las hacen cambiar su órbita; en otras palabras, después de una revolución alrededor del par de agujeros negros supermasivos, una estrella no volverá exactamente al punto en el que comenzó.

Usando nuestra comprensión de la interacción gravitacional entre el posible par de agujeros negros supermasivos y las estrellas circundantes, los astrónomos pueden predecir lo que les sucederá a las estrellas. Astrofísicos como mis colegas y yo podemos comparar nuestras predicciones con las observaciones, y luego puede determinar las posibles órbitas de las estrellas y averiguar si el agujero negro supermasivo tiene un compañero que ejerce influencia gravitacional.

Usando una estrella bien estudiada, llamado S0-2, que orbita el agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la galaxia cada 16 años, ya podemos descartar la idea de que exista un segundo agujero negro supermasivo con masa superior a 100, 000 veces la masa del Sol y más de unas 200 veces la distancia entre el Sol y la Tierra. Si hubiera tal compañero, entonces, mis colegas y yo habríamos detectado sus efectos en la órbita del SO-2.

Pero eso no significa que un agujero negro compañero más pequeño todavía no pueda esconderse allí. Tal objeto no puede alterar la órbita del SO-2 de una manera que podamos medir fácilmente.

La física de los agujeros negros supermasivos

Los agujeros negros supermasivos han recibido mucha atención últimamente. En particular, La imagen reciente de un gigante de este tipo en el centro de la galaxia M87 abrió una nueva ventana para comprender la física detrás de los agujeros negros.

La proximidad del centro galáctico de la Vía Láctea:apenas 24, 000 años luz de distancia:proporciona un laboratorio único para abordar problemas en la física fundamental de los agujeros negros supermasivos. Por ejemplo, A los astrofísicos como yo les gustaría comprender su impacto en las regiones centrales de las galaxias y su papel en la formación y evolución de las galaxias. La detección de un par de agujeros negros supermasivos en el centro galáctico indicaría que la Vía Láctea se fusionó con otra, posiblemente pequeño, galaxia en algún momento del pasado.

Eso no es todo lo que nos puede decir el seguimiento de las estrellas circundantes. Las mediciones de la estrella S0-2 permitieron a los científicos realizar una prueba única de la teoría general de la relatividad de Einstein. En mayo de 2018, S0-2 pasó a gran velocidad más allá del agujero negro supermasivo a una distancia de solo unas 130 veces la distancia de la Tierra al Sol. Según la teoría de Einstein, la longitud de onda de la luz emitida por la estrella debería extenderse a medida que asciende desde el pozo gravitacional profundo del agujero negro supermasivo.

La longitud de onda de estiramiento que predijo Einstein, que hace que la estrella parezca más roja, fue detectada y demuestra que la teoría de la relatividad general describe con precisión la física en esta zona gravitacional extrema. Estoy esperando ansiosamente el segundo acercamiento más cercano de S0-2, que ocurrirá en unos 16 años, porque los astrofísicos como yo podremos probar más predicciones de Einstein sobre la relatividad general, incluido el cambio de orientación de la órbita alargada de las estrellas. Pero si el agujero negro supermasivo tiene un compañero, esto podría alterar el resultado esperado.

Finalmente, si hay dos agujeros negros masivos orbitando entre sí en el centro galáctico, como sugiere mi equipo es posible, emitirán ondas gravitacionales. Desde 2015, Los observatorios LIGO-Virgo han estado detectando radiación de ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros de masa estelar y estrellas de neutrones. Estas innovadoras detecciones han abierto una nueva forma para que los científicos sientan el universo.

Cualquier onda emitida por nuestro hipotético par de agujeros negros será de bajas frecuencias, demasiado bajo para que lo detecten los detectores LIGO-Virgo. Pero un detector planeado basado en el espacio conocido como LISA puede ser capaz de detectar estas ondas, lo que ayudará a los astrofísicos a determinar si nuestro agujero negro del centro galáctico está solo o tiene un compañero.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.