Los agujeros negros no están estacionarios en el espacio; De hecho, pueden ser bastante activos en sus movimientos. Pero debido a que son completamente oscuros y no se pueden observar directamente, no son fáciles de estudiar. Los científicos finalmente han descubierto el momento preciso de una danza complicada entre dos enormes agujeros negros, revelando detalles ocultos sobre las características físicas de estos misteriosos objetos cósmicos.

La galaxia OJ 287 alberga uno de los agujeros negros más grandes jamás encontrados, con más de 18 mil millones de veces la masa de nuestro Sol. Orbitando este gigante hay otro agujero negro con aproximadamente 150 millones de veces la masa del Sol. Dos veces cada 12 años, el agujero negro más pequeño se estrella contra el enorme disco de gas que rodea a su compañero más grande, creando un destello de luz más brillante que un billón de estrellas, más brillante, incluso, que toda la galaxia de la Vía Láctea. La luz tarda 3.500 millones de años en llegar a la Tierra.

Pero la órbita del agujero negro más pequeño es oblonga, no circular, y es irregular:cambia de posición con cada bucle alrededor del agujero negro más grande y se inclina en relación con el disco de gas. Cuando el agujero negro más pequeño atraviesa el disco, crea dos burbujas en expansión de gas caliente que se alejan del disco en direcciones opuestas, y en menos de 48 horas el sistema parece cuadriplicar su brillo.

Debido a la órbita irregular, el agujero negro choca con el disco en diferentes momentos durante cada órbita de 12 años. A veces, los brotes aparecen con tan solo un año de diferencia; otros tiempos, hasta con 10 años de diferencia. Los intentos de modelar la órbita y predecir cuándo ocurrirían las erupciones tomaron décadas, pero en 2010, Los científicos crearon un modelo que podía predecir su aparición en aproximadamente una a tres semanas. Demostraron que su modelo era correcto al predecir la aparición de un brote en diciembre de 2015 en tres semanas.

Luego, en 2018, un grupo de científicos dirigido por Lankeswar Dey, estudiante de posgrado en el Instituto Tata de Investigación Fundamental en Mumbai, India, publicó un artículo con un modelo aún más detallado que afirmaron que podría predecir el tiempo de futuras erupciones dentro de las cuatro horas. En un nuevo estudio publicado en el Cartas de revistas astrofísicas , esos científicos informan que su predicción precisa de un brote que ocurrió el 31 de julio, 2019, confirma que el modelo es correcto.

La observación de esa llamarada casi no sucedió. Debido a que OJ 287 estaba en el lado opuesto del Sol a la Tierra, fuera de la vista de todos los telescopios en tierra y en órbita terrestre, el agujero negro no volvería a estar a la vista de esos telescopios hasta principios de septiembre, mucho después de que la llamarada se hubiera desvanecido. Pero el sistema estaba a la vista del telescopio espacial Spitzer de la NASA, que la agencia retiró en enero de 2020.

Después de 16 años de operaciones, la órbita de la nave espacial la había colocado a 158 millones de millas (254 millones de kilómetros) de la Tierra, o más de 600 veces la distancia entre la Tierra y la Luna. Desde este mirador, Spitzer pudo observar el sistema desde el 31 de julio (el mismo día que se esperaba que apareciera la llamarada) hasta principios de septiembre. cuando OJ 287 sería observable a telescopios en la Tierra.

"Cuando verifiqué por primera vez la visibilidad del DO 287, Me sorprendió descubrir que se hizo visible para Spitzer justo el día en que se predijo que ocurriría el próximo brote. "dijo Seppo Laine, un científico asociado del personal en Caltech / IPAC en Pasadena, California, que supervisó las observaciones de Spitzer del sistema. "Fue muy afortunado que pudiéramos capturar el pico de esta llamarada con Spitzer, porque ningún otro instrumento hecho por humanos fue capaz de lograr esta hazaña en ese momento específico ".

Ondulaciones en el espacio

Los científicos modelan regularmente las órbitas de pequeños objetos en nuestro sistema solar, como un cometa dando vueltas alrededor del sol, teniendo en cuenta los factores que influirán de forma más significativa en su movimiento. Por ese cometa, la gravedad del Sol suele ser la fuerza dominante, pero la atracción gravitacional de los planetas cercanos puede cambiar su trayectoria, también.

Determinar el movimiento de dos enormes agujeros negros es mucho más complejo. Los científicos deben tener en cuenta los factores que podrían no tener un impacto notable en los objetos más pequeños; los principales de ellos son algo llamado ondas gravitacionales. La teoría de la relatividad general de Einstein describe la gravedad como la deformación del espacio por la masa de un objeto. Cuando un objeto se mueve por el espacio, las distorsiones se convierten en ondas. Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales en 1916, pero no fueron observados directamente hasta 2015 por el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO).

Cuanto mayor es la masa de un objeto, cuanto más grandes y enérgicas sean las ondas gravitacionales que crea. En el sistema OJ 287, Los científicos esperan que las ondas gravitacionales sean tan grandes que puedan transportar suficiente energía fuera del sistema para alterar de manera mensurable la órbita del agujero negro más pequeño y, por lo tanto, la sincronización de las erupciones.

Si bien los estudios anteriores de OJ 287 han tenido en cuenta las ondas gravitacionales, el modelo 2018 es el más detallado hasta ahora. Al incorporar información recopilada de las detecciones de ondas gravitacionales de LIGO, refina la ventana en la que se espera que ocurra un brote a solo 1 1/2 días.

Para refinar aún más la predicción de las erupciones a solo cuatro horas, los científicos doblaron en detalles sobre las características físicas del agujero negro más grande. Específicamente, el nuevo modelo incorpora algo llamado el teorema de los agujeros negros "sin pelo".

Publicado en la década de 1960 por un grupo de físicos que incluía a Stephen Hawking, el teorema hace una predicción sobre la naturaleza de las "superficies" de los agujeros negros. Si bien los agujeros negros no tienen superficies verdaderas, los científicos saben que hay un límite a su alrededor más allá del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Algunas ideas postulan que el borde exterior, llamado el horizonte de eventos, puede ser irregular o irregular, pero el teorema sin pelo postula que la "superficie" no tiene tales características, ni siquiera cabello (el nombre del teorema era una broma).

En otras palabras, si se cortara el agujero negro por la mitad a lo largo de su eje de rotación, la superficie sería simétrica. (El eje de rotación de la Tierra está casi perfectamente alineado con sus polos norte y sur. Si cortas el planeta por la mitad a lo largo de ese eje y comparas las dos mitades, encontraría que nuestro planeta es mayormente simétrico, aunque características como océanos y montañas crean algunas pequeñas variaciones entre las mitades).

Encontrar la simetría

En los 1970s, El profesor emérito de Caltech Kip Thorne describió cómo este escenario, un satélite que orbita un agujero negro masivo, podría revelar si la superficie del agujero negro era lisa o irregular. Al anticipar correctamente la órbita del agujero negro más pequeño con tal precisión, el nuevo modelo apoya el teorema sin pelo, lo que significa que nuestra comprensión básica de estos objetos cósmicos increíblemente extraños es correcta. El sistema OJ 287, en otras palabras, apoya la idea de que las superficies de los agujeros negros son simétricas a lo largo de sus ejes de rotación.

Entonces, ¿cómo afecta la suavidad de la superficie del agujero negro masivo a la sincronización de la órbita del agujero negro más pequeño? Esa órbita está determinada principalmente por la masa del agujero negro más grande. Si se volvía más masivo o perdía parte de su peso, eso cambiaría el tamaño de la órbita de un agujero negro más pequeño. Pero la distribución de masas también importa. Una protuberancia masiva en un lado del agujero negro más grande distorsionaría el espacio a su alrededor de manera diferente que si el agujero negro fuera simétrico. That would then alter the smaller black hole's path as it orbits its companion and measurably change the timing of the black hole's collision with the disk on that particular orbit.

"It is important to black hole scientists that we prove or disprove the no-hair theorem. Without it, we cannot trust that black holes as envisaged by Hawking and others exist at all, " said Mauri Valtonen, an astrophysicist at University of Turku in Finland and a coauthor on the paper.