La primera imagen de un agujero negro muestra el núcleo de la galaxia Messier 87 separado por ondas de radio por el Event Horizon Telescope en 2019. Fuente: National Science Foundation / Event Horizon Telescope Consortium
Los astrónomos continúan desarrollando simulaciones por computadora para ayudar a los futuros observadores a encontrar mejor su camino hacia los agujeros negros, los habitantes más esquivos del universo.
Aunque es probable que los agujeros negros sean abundantes en el universo, son muy difíciles de ver. Los científicos no tomaron la primera imagen de radio de un agujero negro hasta 2019, y desde su primera detección en 2015, solo se han detectado unas cuatro docenas de conexiones de agujeros negros a través de sus ondas gravitacionales distintivas.
No es una gran cantidad de datos para trabajar. Por lo tanto, los científicos están prestando atención a las simulaciones de agujeros negros para obtener información clave que ayudará a encontrar más conexiones con misiones futuras. Algunas de estas simulaciones, realizadas por científicos como el astrofísico Scott Noble, siguen un sistema binario de agujeros negros supermasivos. Aquí es donde dos monstruosos agujeros negros como los que se encuentran en los centros de las galaxias orbitan juntos hasta que finalmente se fusionan.
Las simulaciones, producidas por computadoras que trabajan con sistemas de ecuaciones demasiado complejas para ser resueltas a mano, ilustran las interacciones de la materia en entornos de conexión. Los científicos pueden utilizar el conocimiento adquirido sobre la fusión de agujeros negros para identificar algunas características distintivas que les permitan distinguir la fusión de agujeros negros de los eventos estelares. Los astrónomos pueden buscar estos signos reveladores y ver a qué se unen realmente los agujeros negros.
Noble, que trabaja en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, dijo que estos sistemas binarios emiten ondas gravitacionales y afectan los gases circundantes, lo que genera espectáculos de luz únicos detectables con telescopios convencionales. Esto permite a los científicos aprender sobre diferentes aspectos del mismo sistema. Las observaciones mensuales que combinan diferentes formas de luz u ondas gravitacionales podrían permitir a los científicos refinar modelos de sistemas binarios de agujeros negros.
“Confiábamos en la luz para ver todo afuera”, dijo Noble. “Pero no todo emite luz, por lo 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 conocer el sistema y se espera que se encuentren en el mismo lugar “.
Las simulaciones binarias de agujeros negros también pueden ayudar con la misión de la antena espacial de interferómetro láser (LISA). Este observatorio de ondas gravitacionales basado en el espacio, dirigido por la Agencia Espacial Europea con una participación significativa de la NASA, está programado para entrar en funcionamiento en 2034. Si las simulaciones determinan qué propiedades electromagnéticas distinguen el sistema binario de agujeros negros de otros eventos, los científicos podrían detectar estos sistemas antes LISA vuela, dijo Noble. Estas observaciones se pueden confirmar con detecciones adicionales después de que se activa LISA.
Esto permitiría a los científicos verificar que LISA está funcionando, observar los sistemas durante períodos de tiempo más largos antes de que se conecten, predecir lo que sucederá y probar estas predicciones.
“Nunca antes habíamos podido hacer esto”, dijo Noble. “Es realmente emocionante.”
Las simulaciones se basan en un código que describe cómo cambia la densidad y la presión del plasma en regiones de fuerte gravedad cerca de un solo agujero negro o estrella de neutrones, dijo Noble. Modificó el código para permitir la evolución de dos agujeros negros.
Noble trabaja con Goddard y socios universitarios, incluidos Bernard Kelly de la Universidad de Maryland, Manuela Campanelli que dirige el equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Rochester y Julian Krolik que dirige el equipo de investigación de la Universidad Johns Hopkins.
Kelly crea simulaciones utilizando un enfoque especial llamado Moving Pierce Simulation.
Estas simulaciones permiten a los científicos evitar representar singularidades dentro del horizonte de eventos, la parte de un agujero negro de la que nada puede escapar, dijo Kelly. Todo lo que está fuera de este horizonte de eventos está evolucionando, mientras que los objetos del interior permanecen congelados desde una etapa anterior en la simulación. Esto permite a los científicos pasar por alto el hecho de que no saben lo que está sucediendo en el horizonte de eventos.
Para imitar situaciones del mundo real donde los agujeros negros acumulan gas, polvo y discos de acumulación de materia dispersa, los científicos deben ingresar un código adicional para rastrear cómo el material ionizado interactúa con los campos magnéticos.
Esta visualización de datos de supercomputadora muestra el resplandor de rayos X del disco de acreción interno del agujero negro. Fuente: NASA Goddard / Jeremy Schnittman / Scott Noble
“Tratamos de unir los diversos códigos y métodos de simulación de manera fluida y correcta para obtener una imagen consistente”, dijo Kelly.
En 2018, el equipo publicó un análisis de la nueva simulación en El diario astrofísico que tiene plenamente en cuenta los efectos físicos de la teoría de la relatividad general de Einstein para mostrar los efectos de la fusión en el entorno circundante. La simulación mostró que el gas en las matrices binarias de agujeros negros brillaría principalmente bajo luz ultravioleta y rayos X.
Las simulaciones también mostraron que los discos de acreción en estos sistemas no son completamente suaves. Se forma un denso mechón en la órbita del sistema binario, y cada vez que el agujero negro se cierra, extrae material del cúmulo. Esta colisión calienta la materia, dando una señal brillante y provocando fluctuaciones observables en la luz.
Además de aumentar la confianza en la precisión de la simulación, el astrofísico de Goddard Jeremy Schnittman dijo que deben poder aplicar el mismo código de simulación a un solo agujero negro o binario y mostrar las similitudes y las diferencias entre los dos sistemas. .
“La simulación nos mostrará cómo deberían verse los sistemas”, dijo Schnittman. “LISA funciona más como una antena de radio que como un telescopio óptico. Escucharemos algo en el universo y obtendremos su dirección básica, pero nada muy preciso. Solo necesitamos tomar otros telescopios y mirar esta parte del cielo y las simulaciones nos dirán qué buscar para encontrar una unión de agujero negro. “
Kelly dijo que LISA será más sensible a frecuencias de ondas gravitacionales más bajas que el actual observador de ondas gravitacionales en tierra, el Interferómetro láser del Observatorio de ondas gravitacionales (LIGO). Esto significa que LISA podrá detectar sistemas binarios de masa más ligera mucho antes y probablemente detectará sistemas interconectados a tiempo para alertar a los telescopios electromagnéticos.
Para Schnittman, estas simulaciones son clave para comprender los datos del mundo real que recopilan LISA y otras naves espaciales. Los argumentos a favor de los modelos podrían ser aún más sólidos para los agujeros negros dobles, dijo Schnittman, ya que la comunidad científica tiene pocos datos.
“Probablemente nunca encontraremos un doble agujero negro con un telescopio hasta que los simulemos hasta el punto en que sepamos exactamente lo que estamos buscando porque están tan lejos, tan pequeños que solo verá un punto de luz “, dijo Schnittman. “Debemos ser capaces de buscar esa pistola humeante”.
Proporcionado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA