El telescopio Spitzer revela el momento preciso de un baile de agujeros negros.

Los agujeros negros no son objetos 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 un baile complicado entre dos enormes agujeros negros, revelando detalles ocultos sobre las características físicas de estos misteriosos objetos cósmicos.

Esta obra de arte muestra dos agujeros negros masivos en la galaxia OJ 287. El agujero negro más pequeño orbita alrededor del más grande, que permanece estacionario y está rodeado por un disco de gas. Cuando el agujero negro más pequeño atraviesa el disco, produce una llamarada más brillante que 1 billón de estrellas. Pero la órbita más pequeña del agujero negro es alargada y se mueve en relación con el disco, lo que hace que las erupciones ocurran de manera irregular. Crédito: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)

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. En órbita alrededor de 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 a través del enorme disco de gas que rodea a su compañero más grande, creando un destello de luz más brillante que un billón de estrellas, incluso más brillante que toda la galaxia de la Vía Láctea. La luz tarda 3.500 millones de años en llegar a la Tierra, esa es la distancia a la que está el objeto.

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 de gas caliente en expansión que se alejan del disco en direcciones opuestas, y en menos de 48 horas el sistema parece cuadruplicar 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 las erupciones aparecen con tan solo un año de diferencia; otras veces, 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 podría predecir su ocurrencia en aproximadamente una a tres semanas. Demostraron que su modelo era correcto al predecir la aparición de un brote en diciembre de 2015 dentro de tres semanas.

Luego, en 2018, un grupo de científicos dirigido por Lankeswar Dey, un estudiante graduado en el Instituto Tata de Investigación Fundamental en Mumbai, India, publicó un documento con un modelo aún más detallado que, según ellos, podría predecir el momento de futuros brotes. a dentro de cuatro horas. En un nuevo estudio publicado en Astrophysical Journal Letters, esos científicos informan que su predicción precisa de un brote que ocurrió el 31 de julio de 2019 confirma que el modelo es correcto.

Imagen comparativa de tamaños entre los agujeros negros de la Galaxy OJ 287 en relación con el Sistema Solar. Dos agujeros negros supermasivos están encerrados en una danza orbital en el núcleo de la galaxia distante OJ 287. Este diagrama muestra sus tamaños en relación con el sistema solar. El más grande, con aproximadamente 18 mil millones de veces la masa de nuestro sol (derecha), abarcaría todos los planetas del sistema solar con espacio de sobra. El más pequeño es aproximadamente 150 millones de veces la masa de nuestro sol (izquierda), que sería lo suficientemente grande como para tragarlo todo al cinturón de asteroides, justo dentro de la órbita de Júpiter.

La observación de esa llamarada casi no sucedió. Debido a que OJ 287 estaba en el lado opuesto del Sol de la Tierra, fuera de la vista de todos los telescopios en el suelo y en la órbita de la Tierra, el agujero negro no volvería a verse a la vista de esos telescopios hasta principios de septiembre, mucho después de que la bengala se hubiera descolorido. 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 punto de vista, Spitzer pudo observar el sistema desde el 31 de julio (el mismo día que se esperaba que apareciera la bengala) hasta principios de septiembre, cuando el OJ 287 sería observable por los telescopios en la Tierra.

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

Ondas en el espacio.

Dos agujeros negros supermasivos están encerrados en un baile en la galaxia OJ 287. El agujero negro más grande es 18 mil millones de veces la masa de nuestro sol y está rodeado por un disco de gas. También está orbitado por un agujero negro más pequeño, aproximadamente 150 millones de veces la masa de nuestro sol que se estrella a través del disco y produce una llamarada más brillante que 1 billón de estrellas. Pero la física compleja del sistema afecta la órbita del agujero negro más pequeño, y las erupciones ocurren de manera irregular. Los científicos usaron el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA para detectar uno de estos destellos brillantes el 31 de julio de 2019, confirmando que ahora pueden anticipar el momento de estas erupciones en cuatro horas utilizando un modelo detallado del sistema.

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

Determinar el movimiento de dos enormes agujeros negros es mucho más complejo. Los científicos deben tener en cuenta los factores que podrían no afectar notablemente a los objetos más pequeños; El principal de ellos es 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 observadas directamente hasta 2015 por el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO).

Cuanto más grande es la masa de un objeto, más grandes y enérgicas son las ondas gravitacionales que crea. En el sistema OJ 287, los científicos esperan que las ondas gravitacionales sean tan grandes que puedan llevar suficiente energía lejos del sistema para alterar de manera medible 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 el momento. Al incorporar la información recopilada de las detecciones de ondas gravitacionales de LIGO, refina la ventana en la que se espera que ocurra una llamarada en solo 1 1/2 días.

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

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 reales, 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 horizonte de eventos, podría ser irregular o irregular, pero el teorema sin pelo plantea que la "superficie" no tiene tales características, ni siquiera pelo (el nombre del teorema era una broma).

En otras palabras, si uno 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, verás que nuestro planeta es en su mayoría simétrico, aunque características como los océanos y las montañas crean algunos Pequeñas variaciones entre las mitades).

Encontrar simetría.

Dos agujeros negros supermasivos están encerrados en un baile en la galaxia OJ 287. El agujero negro más grande es 18 mil millones de veces la masa de nuestro sol y está rodeado por un disco de gas. También está orbitado por un agujero negro más pequeño, aproximadamente 150 millones de veces la masa de nuestro sol que se estrella a través del disco y produce una llamarada más brillante que 1 billón de estrellas. Pero la física compleja del sistema afecta la órbita del agujero negro más pequeño, y las erupciones ocurren de manera irregular. El diagrama animado a la izquierda ilustra la órbita del agujero negro más pequeño (el punto rojo) alrededor del agujero negro más grande (el punto blanco estacionario) en el centro de la galaxia OJ 287. La línea rosa representa un disco de gas y polvo, visto de borde, que rodea el agujero negro más grande. El agujero negro más pequeño choca con el disco dos veces por órbita. El gráfico de la derecha muestra el tiempo calculado de las bengalas desde 1886.

En la década de 1970, 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 tanta precisión, el nuevo modelo admite 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 al tiempo de la órbita del agujero negro más pequeño? Esa órbita está determinada principalmente por la masa del agujero negro más grande. Si se volviera más masivo o perdiera algo de su peso, eso cambiaría el tamaño de la órbita más pequeña del agujero negro. 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. Eso alteraría la trayectoria del agujero negro más pequeño a medida que orbita a su compañero y cambiaría considerablemente el tiempo de la colisión del agujero negro con el disco en esa órbita en particular.

"Es importante para los científicos de los agujeros negros que demostremos o refutamos el teorema del pelo sin pelo. Sin él, no podemos confiar en que los agujeros negros como lo ve Hawking y otros existan", dijo Mauri Valtonen, astrofísico de la Universidad de Turku en Finlandia y coautora del periódico.

Los datos científicos de Spitzer continúan siendo analizados por la comunidad científica a través del archivo de datos de Spitzer ubicado en el Archivo de Ciencias Infrarrojas ubicado en IPAC en Caltech en Pasadena. JPL gestionó las operaciones de la misión Spitzer para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington. Las operaciones científicas se llevaron a cabo en el Centro de Ciencias Spitzer en IPAC en Caltech. Las operaciones de naves espaciales se basaron en Lockheed Martin Space en Littleton, Colorado. Caltech gestiona JPL para la NASA.

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Calla Cofield

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• Publicado en Spizter el 28 de abril del 2020, enlace publicación.