Messier 31, una foto bomba cósmica.

J0045 + 41, un sistema binario de agujeros negros supermasivos.
Visión óptica de la Galaxia de Andrómeda y de los dos agujeros negros masivos en el recuadro mediante rayos X y luz visible.

Parece que incluso los agujeros negros no pueden resistir la tentación de insertarse sin previo aviso en fotografías. Una foto bomba cósmica encontrada como un objeto de fondo en imágenes de la cercana galaxia de Andrómeda ha revelado cuál podría ser el par de agujeros negros supermasivos más estrechamente entremezclados jamás visto.

Los astrónomos hicieron este notable descubrimiento utilizando datos de rayos X del Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA y datos ópticos de telescopios terrestres, Gemini-North en Hawai y la Fábrica Transitoria Palomar de Caltech en California.

Esta fuente inusual, llamada LGGS J004527.30 + 413254.3 (J0045 + 41 para abreviar), se vio en imágenes ópticas y de rayos X de Andrómeda, también conocida como Messier 31. Hasta hace poco, los científicos pensaban que J0045 + 41 era un objeto dentro de Messier 31, una gran galaxia espiral ubicada relativamente cerca a una distancia de aproximadamente 2,5 millones de años luz de la Tierra. Los nuevos datos, sin embargo, revelaron que J0045 + 41 estaba en realidad a una distancia mucho mayor, a unos 2.600 millones de años luz de la Tierra.

Chandra.

"Estábamos buscando un tipo especial de estrella en Messier 31 y pensamos que habíamos encontrado una", dijo Trevor Dorn-Wallenstein de la Universidad de Washington en Seattle, WA, quien dirigió el artículo describiendo este descubrimiento. "¡Nos sorprendió y emocionó encontrar algo muy extraño!"

Aún más intrigante que la gran distancia de J0045 + 41 es que probablemente contenga un par de agujeros negros gigantes en órbita una cerca de la otra. La masa total estimada para estos dos agujeros negros supermasivos es aproximadamente doscientos millones de veces la masa de nuestro Sol.

Anteriormente, un equipo diferente de astrónomos había visto variaciones periódicas en la luz óptica de J0045 + 41 y, creyendo que era miembro de Messier 31, lo clasificó como un par de estrellas que orbitaban una alrededor de la otra una vez cada 80 días.

La intensidad de la fuente de rayos X observada por Chandra reveló que esta clasificación original era incorrecta. Más bien, J0045 + 41 tenía que ser un sistema binario en Messier 31 que contenía una estrella de neutrones o un agujero negro que extraía material de un compañero, el tipo de sistema que Dorn-Wallenstein buscaba originalmente en Messier 31, o un sistema mucho más masivo y distante. sistema que contiene al menos un agujero negro supermasivo de rápido crecimiento.

Sin embargo, un espectro del telescopio Gemini-Norte tomado por el equipo de la Universidad de Washington mostró que J0045 + 41 debe albergar al menos un agujero negro supermasivo y permitió a los investigadores estimar la distancia. El espectro también proporcionó evidencia posible de que había un segundo agujero negro en J0045 + 41 y se movía a una velocidad diferente de la primera, como se esperaba si los dos agujeros negros están orbitando entre sí.

Luego, el equipo utilizó datos ópticos de Palomar Transient Factory para buscar variaciones periódicas en la luz de J0045 + 41. Encontraron varios períodos en J0045 + 41, incluidos unos en 80 y 320 días. La relación entre estos períodos coincide con lo predicho por el trabajo teórico sobre la dinámica de dos agujeros negros gigantes que se orbitan entre sí.

"Esta es la primera vez que se han encontrado pruebas tan sólidas para un par de agujeros negros gigantes que orbitan", dijo la coautora Emily Levesque de la Universidad de Washington. Los investigadores estiman que los dos agujeros negros putativos se orbitan entre sí con una separación de solo unos cientos de veces la distancia entre la Tierra y el Sol. Esto corresponde a menos de una centésima parte de un año luz. En comparación, la estrella más cercana a nuestro Sol está a cuatro años luz de distancia.

Geminy North Observatory.
 Crédito: Gemini Observatory/Association of Universities for Research in Astronomy.



Tal sistema podría formarse como consecuencia de la fusión, miles de millones de años antes, de dos galaxias que contenían un agujero negro supermasivo. En su actual separación cercana, los dos agujeros negros inevitablemente se dibujan más cerca, ya que emiten ondas gravitacionales.

"No podemos precisar exactamente la cantidad de masa que contiene cada uno de estos agujeros negros", dijo el coautor John Ruan, también de la Universidad de Washington. "Dependiendo de eso, creemos que este par colisionará y se fusionará en un agujero negro en tan solo 350 años o hasta 360,000 años".

Si J0045 + 41 de hecho contiene dos agujeros negros que orbitan estrechamente emitirá ondas gravitatorias, sin embargo, la señal no sería detectable con LIGO y Virgo. Estas instalaciones terrestres han detectado fusiones de agujeros negros de masa estelar que no pesan más de 60 soles y, muy recientemente, una entre dos estrellas de neutrones.

"Las fusiones de agujeros negros supermasivos ocurren en cámara lenta en comparación con los agujeros negros de masa estelar", dijo Dorn-Wallenstein. "Los cambios mucho más lentos en las ondas gravitacionales de un sistema como J0045 + 41 se pueden detectar mejor mediante un tipo diferente de instalación de ondas gravitacionales llamada Pulsar Timing Array".

Un artículo que describe este resultado fue aceptado para su publicación en la edición del 20 de noviembre de The Astrophysical Journal y está disponible en línea. El Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, administra el programa Chandra para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington. El Observatorio Astrofísico Smithsoniano en Cambridge, Massachusetts, controla la ciencia de Chandra y las operaciones de vuelo.

Crédito:
Rayos X: NASA / CXC / Univ. de Washington / T.Dorn-Wallenstein y otros; 
Óptico: NASA / ESA / J. Dalcanton, et al. Y R. Gendler

Publicado en Chandra el 30 de noviembre de 2017