¿Los agujeros negros supermasivos se conectan para formar sistemas binarios?

Profesor de Astronomía y Astrofísica en Penn Micheal Eracleous en el Observatorio Nacional Kitt Peak en Tucson, Arizona. Crédito: Micheal Eracleous

En el centro de la mayoría de las galaxias hay agujeros negros tan masivos (hasta varios miles de millones de veces la masa del Sol) que merecen el término “supermasivos”. Compare esto con su agujero negro estelar ordinario, una masa exigua de 10 a 100 veces la del sol. Comprender estos agujeros negros supermasivos ayudará a los astrónomos a comprender los orígenes y la evolución de las galaxias. Una pregunta abierta es si pueden crear binarios.

Los agujeros negros de masa estelar forman sistemas binarios, dos agujeros negros orbitando entre sí si se forman por el colapso de un sistema estelar binario, o quizás cuando dos agujeros negros se agarran entre sí debido a la atracción gravitacional. Entran en espiral y finalmente se fusionan en un evento tan poderoso que envía una onda a través del espacio y el tiempo, conocida como onda gravitacional. Hace varios años, el interferómetro láser del Observatorio de ondas gravitacionales (LIGO) detectó por primera vez ondas gravitacionales de un evento de este tipo.

Por lo tanto, en teoría, la combinación de dos galaxias podría resultar en un doble agujero negro de tipo supermasivo, pero hasta ahora los astrónomos no han detectado claramente uno de estos eventos. El profesor de astronomía y astrofísica de Penn, Michael Eracleous, está a la vanguardia de la caza.

“Hace unos 10 años, se publicaron varios artículos que encontraron que se habían detectado agujeros negros supermasivos binarios”, dijo. “Como estudiante de doctorado, trabajé en agujeros negros supermasivos binarios, así que me sentí obligado a emprender un proyecto para recopilar una gran cantidad de datos para contrarrestar las afirmaciones de este trabajo. He visto cómo esto tiene que ver con la evolución de las galaxias.

“Cuando llegué a Penn State, supe que el departamento encajaba perfectamente con el tipo de investigación que estaba haciendo”, dijo. “Hice grandes contactos con mis colegas aquí y ahora sé que si alguna vez me atasco, todo lo que se necesita es una taza de café y una conversación para aclararlo todo”.

Entonces, ¿cómo buscas algo que nunca has visto?

“En la mayoría de las áreas de la astronomía, la observación es primordial: vemos algo que da forma a nuestra teoría”, dijo Eracleous. “En el caso de los agujeros negros supermasivos dobles, la teoría impulsa las observaciones. Hasta que encontremos uno, las preguntas son: “¿Deberían existir? “Y” ¿Deberíamos buscarlos? “. La respuesta a ambas preguntas es definitivamente “Sí”.

La principal diferencia entre los agujeros negros supermasivos y los agujeros negros de masa estelar es el gas. Cuando se forman agujeros negros de masa estelar después de que una estrella explota en una supernova, se elimina la mayor parte del gas. Sin embargo, se cree que los agujeros negros supermasivos transportan gases con ellos. Estos gases emiten señales de luz que pueden ser detectadas por grandes telescopios equipados con espectrógrafos aquí en la Tierra, como el Telescopio Hobby-Eberly (HET) de 11 metros.

Eracleous explicó que los gases son detectados por el espectrógrafo como líneas de emisión de una longitud de onda específica y podrían ser la clave para identificar un binario supermasivo. A medida que los agujeros negros se orbitan entre sí, las líneas de emisión de estos gases cambian debido al efecto Doppler. Las líneas de emisión de un agujero negro se desplazan a longitudes de onda más largas y las del otro a longitudes de onda más cortas. Por lo tanto, los científicos esperan dos líneas de emisión separadas, una de cada agujero negro.

“Si pudiéramos seguir las líneas de emisión en órbita, las veríamos cruzarse hacia adelante y hacia atrás a medida que las señales de cada agujero negro se mueven en un sentido y luego en el otro”, dijo Eracleous.

Por supuesto, la búsqueda en sí no es tan simple. Aspectos prácticos, como la disponibilidad limitada de tiempo en los grandes telescopios necesarios para realizar estas observaciones, significan que los astrónomos no pueden simplemente observar y esperar hasta ver los signos característicos de un binario supermasivo. Pero no es necesario. En su lugar, identifican a los candidatos de la encuesta inicial y verifican periódicamente que los espectros de estos candidatos hayan cambiado según lo esperado según los modelos teóricos.

“Usar el telescopio Hobby-Eberly para hacer estas observaciones nos facilita la vida porque ni siquiera tenemos que ir al observatorio para recolectar los datos”, dijo Eracleous. “HET es operado por astrónomos locales que hacen observaciones y nos envían datos”.

El proceso es lento, pero Eracleous explicó que una vez que encuentren un doble agujero negro supermasivo, la búsqueda debería acelerarse.

“El primer agujero negro supermasivo doble confirmado será similar a la Piedra Rosetta”, dijo. “Él nos dirá cuáles de nuestros modelos eran correctos y cuáles estaban equivocados. Esto nos permitirá refinar nuestras próximas búsquedas y deberíamos poder encontrar más “.

Los astrónomos ya están desarrollando la tecnología para la próxima búsqueda. Eracleous participa en la planificación espacial de la antena de interferómetro láser (LISA). LISA es para LIGO lo que un agujero negro supermasivo es para un agujero negro de masa estelar. Donde LIGO consta de dos láseres de cuatro kilómetros en ángulo recto entre sí, las tres naves espaciales LISA estarán unidas por láseres que viajan 2,5 millones de kilómetros para formar un triángulo equilátero. La escala LISA y el hecho de que se basa en el espacio significa que puede detectar ondas gravitacionales de longitud de onda corta lejos de las fuentes de ruido en la Tierra.

“LISA se ajustará para encontrar ondas gravitacionales como las que surgirían de la fusión de agujeros negros supermasivos”, dijo Eracleous.

Para Eracleous, el Departamento de Astronomía y Astrofísica de Penn State proporcionó el apoyo necesario para su búsqueda.

Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania

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