¿Qué sucede cuando chocan dos agujeros negros supermasivos? Combinando el poder de observación de dos futuras misiones de la ESA, Atenea y LISA, nos permitiría estudiar estos choques cósmicos y sus misteriosas secuelas por primera vez.

Agujeros negros supermasivos con masas que van desde millones a miles de millones de soles, se sientan en el núcleo de la mayoría de las galaxias masivas del Universo. No sabemos exactamente cómo estos enormes, objetos enormemente densos tomaron forma, ni lo que hace que una fracción de ellos comience a devorar la materia circundante a ritmos extremadamente intensos, radiando copiosamente a través del espectro electromagnético y convirtiendo a sus galaxias anfitrionas en 'núcleos galácticos activos'.

Abordar estas cuestiones abiertas en la astrofísica moderna es uno de los principales objetivos de dos misiones futuras del programa de ciencia espacial de la ESA:Athena, el telescopio avanzado para astrofísica de alta energía, y LISA, la antena espacial de interferómetro láser. Actualmente en fase de estudio, El lanzamiento de ambas misiones está programado para principios de la década de 2030.

"Athena y LISA son misiones sobresalientes que se establecen para lograr avances en muchas áreas de la astrofísica, "dice Günther Hasinger, Director de Ciencias de la ESA.

"Pero hay un experimento extremadamente emocionante que solo podríamos realizar si ambas misiones están operativas al mismo tiempo durante al menos unos años:llevar sonido a las 'películas cósmicas' mediante la observación de la fusión de agujeros negros supermasivos en rayos X y ondas gravitacionales.

"Con esta oportunidad única de realizar observaciones sin precedentes de uno de los fenómenos más fascinantes del cosmos, la sinergia entre Athena y LISA aumentaría enormemente el rendimiento científico de ambas misiones, asegurar el liderazgo europeo en clave, novedosa área de investigación ".

Athena será el observatorio de rayos X más grande jamás construido, investigando algunos de los fenómenos más calientes y energéticos del cosmos con una precisión y profundidad sin precedentes.

Está diseñado para responder a dos preguntas fundamentales:cómo se forman y evolucionan los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias, y cómo se ensambla la materia 'ordinaria', junto con la materia oscura invisible, para formar la tenue 'red cósmica' que impregna el Universo.

"Athena va a medir varios cientos de miles de agujeros negros, de relativamente cerca a muy lejos, observar la emisión de rayos X de la materia caliente a un millón de grados en su entorno, "dice Matteo Guainazzi, Científico del estudio de Athena en la ESA.

"Estamos particularmente interesados ​​en los agujeros negros más distantes, los que se formaron en los primeros cientos de millones de años de la historia del Universo, y esperamos poder finalmente entender cómo se formaron ".

Mientras tanto, LISA será el primer observatorio espacial de ondas gravitacionales:fluctuaciones en la estructura del espacio-tiempo producidas por la aceleración de objetos cósmicos con campos de gravedad muy fuertes. como pares de agujeros negros fusionados.

Astronomía de ondas gravitacionales, inaugurado hace solo unos años, actualmente se limita a las ondas de alta frecuencia que pueden ser probadas por experimentos terrestres como LIGO y Virgo. Estos experimentos son sensibles a las fusiones de agujeros negros relativamente pequeños, desde unas pocas hasta unas pocas decenas de veces más masivos que el Sol. LISA ampliará estos estudios mediante la detección de ondas gravitacionales de baja frecuencia, como los que se liberan cuando dos agujeros negros supermasivos chocan durante una fusión de galaxias.

"LISA será la primera misión de este tipo, buscando principalmente ondas gravitacionales provenientes de agujeros negros supermasivos que chocan entre sí, "explica Paul McNamara, Científico del estudio LISA en la ESA.

"Este es uno de los fenómenos más energéticos que conocemos, liberando más energía que todo el Universo inactivo en cualquier momento. Si dos agujeros negros supermasivos se fusionan en cualquier parte del cosmos, LISA lo verá ".

Los primeros eventos de ondas gravitacionales detectados por LIGO y Virgo entre 2015 y 2017 se originaron en pares de agujeros negros de masa estelar. que se sabe que no irradian luz tras la coalescencia. Luego, en agosto de 2017, Se descubrieron ondas gravitacionales provenientes de una fuente diferente, la fusión de dos estrellas de neutrones.

Esta vez, las ondas gravitacionales iban acompañadas de radiación en todo el espectro electromagnético, fácilmente observable con una multitud de telescopios en la Tierra y en el espacio. Al combinar información de los diversos tipos de observaciones en un enfoque conocido como astronomía de mensajeros múltiples, los científicos podrían profundizar en los detalles de este fenómeno nunca antes observado.

Con Athena y LISA juntas, podríamos aplicar la astronomía de múltiples mensajeros a los agujeros negros supermasivos por primera vez. Las simulaciones predicen que sus fusiones, a diferencia de los de sus homólogos de masa estelar, emiten ondas gravitacionales y radiación, esta última originada en el calor, gas interestelar de las dos galaxias en colisión agitado por el par de agujeros negros cuando caen uno hacia el otro.

LISA detectará las ondas gravitacionales emitidas por los agujeros negros en espiral aproximadamente un mes antes de su coalescencia final. cuando todavía están separados por una distancia equivalente a varias veces su radio. Los científicos esperan que una fracción de las fusiones encontradas por LISA, especialmente aquellos a distancias de unos pocos miles de millones de años luz de nosotros, dará lugar a una señal de rayos X que eventualmente podrá ser vista por Atenea.

"Cuando LISA detecta por primera vez una señal, todavía no sabremos de dónde viene exactamente, porque LISA es un sensor para todo el cielo, por lo que funciona más como un micrófono que como un telescopio, "explica Paul.

"Sin embargo, mientras los agujeros negros se inspiran entre sí, la amplitud de su señal de onda gravitacional aumenta. Esta, junto con el movimiento de los satélites a lo largo de sus órbitas, permitirá a LISA mejorar gradualmente la localización de la fuente en el cielo, hasta el momento en que los agujeros negros finalmente se fusionen ".

Unos días antes de la fase final de la fusión, los datos de ondas gravitacionales limitarán la posición de la fuente a un parche en el cielo que mide aproximadamente 10 grados cuadrados, aproximadamente 50 veces el área de la Luna llena. Esto todavía es bastante grande, pero permitiría que Athena comenzara a escanear el cielo para buscar una señal de rayos X de este choque titánico. Las simulaciones indican que los dos agujeros negros en espiral modulan el movimiento del gas circundante, por lo que es probable que la firma de rayos X tenga una frecuencia proporcional a la de la señal de la onda gravitacional.

Luego, solo unas horas antes de la fusión final de los agujeros negros, LISA puede proporcionar una indicación mucho más precisa en el cielo, aproximadamente el tamaño del campo de visión del Wide Field Imager (WFI) de Athena, por lo que el observatorio de rayos X puede apuntar directamente hacia la fuente.

"Captar la señal de rayos X antes de que los agujeros negros se conviertan en uno será un gran desafío, pero estamos bastante seguros de que podemos hacer una detección durante y después de la fusión, "explica Matteo.

"Pudimos ver la aparición de una nueva fuente de rayos X, y quizás presenciar el nacimiento de un núcleo galáctico activo, con chorros de partículas de alta energía que se lanzan a una velocidad cercana a la de la luz por encima y más allá del agujero negro recién formado ".

Nunca hemos observado la fusión de agujeros negros supermasivos; todavía no tenemos las instalaciones para tales observaciones. Primero, necesitamos LISA para detectar las ondas gravitacionales y decirnos dónde mirar en el cielo; entonces necesitamos que Athena lo observe con alta precisión en rayos X para ver cómo la poderosa colisión afecta el gas que rodea los agujeros negros. Podemos usar la teoría y las simulaciones para predecir lo que podría suceder, pero necesitamos combinar estas dos grandes misiones para averiguarlo.

Hace cien años este mes, el 29 de mayo de 1919, Las observaciones de las posiciones de las estrellas durante un eclipse total de Sol proporcionaron la primera evidencia empírica de la curvatura gravitacional de la luz predicha unos años antes por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Este eclipse histórico inauguró un siglo de experimentos de gravedad en la Tierra y en el espacio, preparando el escenario para misiones inspiradoras como Athena y LISA, y descubrimientos más emocionantes.