Los astrónomos continúan desarrollando simulaciones por computadora para ayudar a los futuros observatorios a ubicarse mejor en los agujeros negros, los habitantes más esquivos del universo.

Aunque los agujeros negros probablemente existan abundantemente en el universo, son notoriamente difíciles de ver. Los científicos no capturaron la primera imagen de radio de un agujero negro hasta 2019, y solo se han detectado unas cuatro docenas de fusiones de agujeros negros a través de sus ondas gravitacionales características desde la primera detección en 2015.

Eso no es una gran cantidad de datos con los que trabajar. Por lo tanto, los científicos buscan simulaciones de agujeros negros para obtener información crucial que ayudará a encontrar más fusiones con misiones futuras. Algunas de estas simulaciones, creado por científicos como el astrofísico Scott Noble, rastrear sistemas binarios de agujeros negros supermasivos. Ahí es donde dos monstruosos agujeros negros como los que se encuentran en los centros de las galaxias orbitan estrechamente entre sí hasta que finalmente se fusionan.

Las simulaciones creado por computadoras que trabajan a través de conjuntos de ecuaciones demasiado complicadas para resolver a mano, ilustrar cómo interactúa la materia en entornos de fusión. Los científicos pueden usar lo que aprenden sobre las fusiones de agujeros negros para identificar algunas características reveladoras que les permiten distinguir las fusiones de agujeros negros de los eventos estelares. Los astrónomos pueden buscar estos signos reveladores y detectar fusiones de agujeros negros en la vida real.

Noble, que trabaja en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, dijo que estos sistemas binarios emiten ondas gravitacionales e influyen en los gases circundantes, conduciendo a espectáculos de luz únicos detectables con telescopios convencionales. Esto permite a los científicos aprender sobre diferentes aspectos del mismo sistema. Las observaciones de varios mensajeros que combinan diferentes formas de luz u ondas gravitacionales podrían permitir a los científicos refinar sus modelos de sistemas binarios de agujeros negros.

"Hemos dependido de la luz para ver todo lo que hay ahí fuera, "Dijo Noble." Pero no todo emite luz, de modo que la única forma de "ver" directamente dos agujeros negros es a través de las ondas gravitacionales que generan. Las ondas gravitacionales y la luz del gas circundante son formas independientes de aprender sobre el sistema, y la esperanza es que se encuentren en el mismo punto ".

Las simulaciones binarias de agujeros negros también pueden ayudar a la misión de la antena espacial de interferómetro láser (LISA). Este observatorio de ondas gravitacionales basado en el espacio, liderado por la Agencia Espacial Europea con importantes contribuciones de la NASA, se espera que se lance en 2034. Si las simulaciones determinan qué características electromagnéticas distinguen un sistema binario de agujeros negros de otros eventos, los científicos podrían detectar estos sistemas antes de que LISA vuele, Noble dijo. Estas observaciones podrían luego confirmarse mediante detecciones adicionales una vez que se lance LISA.

Eso permitiría a los científicos verificar que LISA está funcionando, observar los sistemas durante un período más largo antes de que se fusionen, predecir lo que va a pasar, y probar esas predicciones.

"Nunca antes habíamos podido hacer eso, "Dijo Noble." Eso es realmente emocionante ".

Las simulaciones se basan en un código que describe cómo cambia la densidad y la presión del plasma en las regiones de fuerte gravedad cerca de un solo agujero negro o estrella de neutrones. Noble dijo. Modificó el código para permitir la evolución de dos agujeros negros.

Noble está trabajando con Goddard y socios universitarios, incluyendo a Bernard Kelly en la Universidad de Maryland, Manuela Campanelli al frente de un equipo de investigadores en el Instituto de Tecnología de Rochester, y Julian Krolik al frente de un equipo de investigación de la Universidad Johns Hopkins.

Kelly crea simulaciones utilizando un enfoque especial llamado simulación de pinchazo en movimiento.

Estas simulaciones permiten a los científicos evitar representar una singularidad dentro del horizonte de eventos, la parte del agujero negro de la que nada puede escapar. Kelly dijo. Todo lo que está fuera de ese horizonte de eventos evoluciona, mientras que los objetos del interior permanecen congelados desde antes en la simulación. Esto permite a los científicos pasar por alto el hecho de que no saben qué sucede dentro de un horizonte de eventos.

Para imitar situaciones de la vida real, donde los agujeros negros acumulan discos de acreción de gas, polvo, y materia difusa, los científicos deben incorporar código adicional para rastrear cómo el material ionizado interactúa con los campos magnéticos.

"Estamos tratando de unir de manera correcta y sin problemas diferentes códigos y métodos de simulación para producir una imagen coherente, "Dijo Kelly.

En 2018, el equipo publicó un análisis de una nueva simulación en El diario astrofísico que incorporó completamente los efectos físicos de la teoría general de la relatividad de Einstein para mostrar los efectos de una fusión en el medio ambiente que la rodea. La simulación estableció que el gas en los sistemas binarios de agujeros negros brillará predominantemente con luz ultravioleta y rayos X.

Las simulaciones también mostraron que los discos de acreción en estos sistemas no son completamente fluidos. Se forma un grupo denso que orbita el binario, y cada vez que un agujero negro se cierra, arranca la materia del grupo. Esa colisión calienta el asunto, produciendo una señal brillante y creando una fluctuación de luz observable.

Además de mejorar su confianza en la precisión de las simulaciones, Goddard astrophysicist Jeremy Schnittman said they also need to be able to apply the same simulation code to a single black hole or a binary and show the similarities and also the differences between the two systems.

"The simulation are going to tell us what the systems should look like, " Schnittman said. "LISA works more like a radio antenna as opposed to an optical telescope. We're going to hear something in the universe and get its basic direction, but nothing very precise. What we have to do is take other telescopes and look in that part of the sky, and the simulations are going to tell us what to look for to find a merging black hole."

Kelly said LISA will be more sensitive to lower gravitational wave frequencies than the current ground-based gravitational wave observer, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). That means LISA will be able to sense smaller-mass binary systems much earlier and will likely detect merging systems in time to alert electromagnetic telescopes.

For Schnittman, these simulations are key to understanding the real-life data LISA and other spacecraft collect. The case for models may be even stronger for binary black holes, Schnittman said, because the scientific community has little data.

"We probably will never find a binary black hole with a telescope until we simulate them to the point we know exactly what we're looking for, because they're so far away, they're so tiny, you're going to see just one speck of light, " Schnittman said. "We need to be able to look for that smoking gun."