El Baile de Dos Agujeros Negros Gigantes en el Centro de una Galaxia

Enlazados en un baile cósmico a nueve mil millones de años luz de distancia, dos agujeros negros supermasivos parecen estar orbitandose mutuamente cada dos años. Los dos objetos masivos tienen masas de unos cientos de millones de veces la masa de nuestro Sol y están separados por una distancia de unas cincuenta veces la distancia entre el Sol y Plutón. Cuando el par se funda en uno solo en cerca de 10.000 años, se espera que la gran colisión remezca el espacio-tiempo mismo, enviando ondas gravitacionales a través del Universo. 

 Un equipo de astrónomos liderados desde el Instituto de Tecnología de California (Caltech) ha descubierto evidencia de este escenario en un objeto muy energético conocido como un cuásar. Los cuásares son núcleos activos de galaxias en los cuales un agujero negro supermasivo está tragandose el material de un disco que lo rodea. En algunos cuásares, el agujero negro supermasivo crea un chorro que expulsa materia a velocidades cercanas a las de la luz. El objeto observado en este estudio, PKS 2131-021, pertenece a una subclase de cuásares llamados blazares en los cuales el chorro apunta hacía la Tierra. Aunque ya se sabía que los cuásares podían tener dos agujeros negros supermasivos, evidencia directa de esto había sido difícil de encontrar. 

En el artículo publicado por The Astrophysical Journal Letters, los investigadores plantean que PKS 2131-021 es el segundo candidato de un agujero negro binario supermasivo descubierto en el acto de fusionarse. En el primer candidato binario, el cuásar llamado OJ 287, los agujeros negros se orbitan a distancias mucho más grandes, demorando 9 años para una órbita, mientras que en PKS 2131-021 la órbita toma dos años.

 La evidencia  proviene de observaciones de radio de PKS 2131-021 con una extensión de 45 años. De acuerdo a este estudio, un poderoso chorro producido en uno de los agujeros negros en PKS 2131-021 se mueve de un lado a otro debido al movimiento orbital en el sistema binario. Esto causa cambios periódicos en el brillo del cuásar en la banda de radio. Cinco observatorios diferentes registraron estas oscilaciones, incluyendo el Radio Observatorio de Owens Valley (OVRO) en California, el Observatorio Radio Astronómico de la Universidad de Michigan (UMRAO), el Observatorio Haystack del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), el Observatorio Radio Astronómico Nacional (NRAO), todos en EEUU, además del Radio Observatorio Metsähovi en Finlandia, y el telescopio espacial WISE de NASA. 

“Cuando nos dimos cuenta que los máximos y mínimos de la curva de luz detectada recientemente coincidían con los máximos y mínimos observados entre 1975 y 1983, supimos que algo muy especial estaba pasando,” explica Sandra O’Neill, autor principal del nuevo estudio y estudiante de pregrado de Caltech, quien trabaja bajo la guía de Tony Readhead, profesor emérito 

“Los datos que permitieron hacer este descubrimiento son parte del programa de monitoreo de blazares que aún continúa y que fue desarrollado durante mi tesis de doctorado. El diseño observacional, incluyendo la calibración de los datos y la programación automática de las observaciones fue desarrollado por mí hace más de una década. También participé en el desarrollo de los métodos de simulación que permiten estudiar la significancia estadística de estas señales,” comenta Walter Max-Moerbeck, profesor asistente en el Departamento de Astronomía de la Universidad de Chile, quien obtuvo su doctorado con el profesor Readhead en Caltech.

 

Ondas en el espacio-tiempo

La mayoría de las galaxias, y tal vez todas, albergan agujeros negros enormes en sus centros, incluyendo nuestra Vía Láctea. Cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros se dirigen hacia el centro de la recientemente formada galaxia y eventualmente también se fusionan para formar un solo agujero negro más masivo. Mientras los agujeros negros se acercan entre si cayendo en una trayectoria espiral, se distorsiona de manera cada vez mayor el espacio-tiempo, lo que genera ondas gravitacionales como fue predicho por Albert Einstein hace más de 100 años.

LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser) de la Fundación Nacional de Ciencias de EEUU, es administrado conjuntamente por Caltech y el MIT, detecta ondas gravitacionales de pares de agujeros negros de hasta decenas de veces la masa de nuestro Sol. Sin embargo, los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias tienen masas que son de millones a miles de millones de veces la de nuestro Sol, y emiten ondas gravitacionales de frecuencias más bajas que las que detecta LIGO.

En el futuro, los conjuntos de sincronización de púlsares, que consisten en un grupos de estrellas muertas pulsantes monitoreadas con precisión por radiotelescopios, deberían poder detectar las ondas gravitacionales de los agujeros negros supermasivos de este peso (la futura misión LISA detectaría la fusión de agujeros negros de mil a diez millones de veces la masa del Sol). Hasta el momento, no se han registrado ondas gravitacionales de ninguna de estas fuentes más pesadas, pero PKS 2131-021 proporciona el objetivo más prometedor hasta el momento.

Mientras tanto, las ondas de luz son la mejor opción para detectar las etapas previas a la fusión de agujeros negros supermasivos. El primero de estos candidatos, OJ 287, también exhibe variaciones periódicas de luz de radio. Estas fluctuaciones son más irregulares y no (no se entiende esta palabra. Es necesario explicarla) , pero sugieren que los agujeros negros se orbitan entre sí cada 9 años. Los agujeros negros dentro del nuevo cuásar, PKS 2131-021, se orbitan entre sí cada dos años y están separados por 2.000 unidades astronómicas, unas 50 veces la distancia entre nuestro Sol y Plutón, o de 10 a 100 veces más cerca que el par en OJ 287. (Una unidad astronómica es la distancia entre la Tierra y el Sol).

 

Revelando la curva de luz de 45 años

Readhead dice que los descubrimientos se desarrollaron como una «buena novela de detectives», partiendo en 2008 cuando él y sus colegas comenzaron a usar el telescopio de 40 metros en OVRO para estudiar cómo los agujeros negros convierten el material del que se «alimentan» en chorros relativistas, o chorros que viajan a velocidades hasta un 99,98 por ciento la de la luz. Habían estado monitoreando el brillo de más de 1,000 blazares para este propósito cuando, en 2020, notaron un caso único.

«PKS 2131 variaba no sólo periódicamente, sino también sinusoidalmente», dice Readhead. «Eso significa que hay un patrón que podemos rastrear continuamente a lo largo del tiempo». La pregunta, dice, se convirtió en cuánto tiempo ha estado ocurriendo este patrón de onda sinusoidal.

Luego, el equipo de investigación revisó los datos de radio de archivo para buscar máximos anteriores en las curvas de luz que coincidieran con las predicciones basadas en las observaciones más recientes de OVRO. En primer lugar, los datos del Very Long Baseline Array (VLBA) de NRAO y UMRAO revelaron un máximo en 2005 que coincidía con las predicciones. Los datos de UMRAO mostraron además que no hubo ninguna señal sinusoidal durante 20 años antes de ese momento, hasta 1981, cuando se observó otro máximo predicho.

«La historia se habría detenido allí, ya que no nos dimos cuenta de que había datos sobre este objeto antes de 1980. Pero luego, Sandra retomó este proyecto en junio de 2021. Si no fuera por ella, este hermoso hallazgo estaría guardado en un archivador», dice Readhead.

O’Neill comenzó a trabajar con Readhead y el segundo autor del estudio, Sebastian Kiehlmann, investigador postdoctoral en la Universidad de Creta y antiguo miembro del equipo científico de Caltech, como parte del programa SURF (Summer Undergraduate Research Fellow) de Caltech. O’Neill comenzó sus estudios en química, pero luego tomó un proyecto en astronomía porque quería mantenerse activa durante la pandemia cuando se cerraron los laboratorios de química. «Me di cuenta de que estaba mucho más entusiasmada con esto que con cualquier otra cosa en la que había trabajado», dice.

Con el proyecto nuevamente sobre la mesa, Readhead buscó en la literatura y descubrió que el Observatorio Haystack había realizado observaciones de radio de PKS 2131-021 entre 1975 y 1983. Estos datos revelaron otro máximo que coincidía con sus predicciones, esta vez en 1976.

«Este trabajo muestra el valor de realizar un monitoreo preciso de estas fuentes durante muchos años para realizar descubrimientos científicos», dice Roger Blandford, coautor del estudio y profesor de la Universidad de Stanford que actualmente se encuentra en un año sabático en Caltech.

Como un reloj

Readhead compara el sistema del chorro que se mueve de un lado a otro con el tictac de un reloj, donde cada ciclo, o período, de la onda sinusoidal corresponde a la órbita de dos años de los agujeros negros (el ciclo observado es en realidad de cinco años debido a que la luz es estirada por la expansión del universo). Este tictac se vio a partir de 1976 y luego continuó durante ocho años antes de desaparecer durante 20 años, probablemente debido a cambios en la alimentación del agujero negro. El tictac ha regresado durante los últimos 17 años. «El reloj siguió corriendo», dice, «la estabilidad del período durante esta brecha de 20 años sugiere fuertemente que este blazar alberga no un agujero negro supermasivo, sino dos agujeros negros supermasivos que se orbitan entre sí».

“Los periodos de estas variaciones son determinados usando varias técnicas, entre ellas la transformada Wavelet que fue analizada por el estudiante de magíster Philipe Vergara. De este modo se puede determinar si el periodo es estable o presenta variaciones,” dice Rodrigo Reeves profesor asociado del Departamento de Astronomía de la Universidad de Concepción, quien desarrolló su investigación doctoral con el profesor Readhead. Reeves tiene una colaboración de muchos años con el programa de monitoreo de blazares y otros proyectos conjuntos con Caltech.

La física subyacente a las variaciones sinusoidales fue al principio un misterio, pero Blandford ideó un modelo simple y elegante para explicar la forma sinusoidal de las variaciones.

«Sabíamos que esta hermosa onda sinusoidal nos decía algo importante sobre el sistema. El modelo de Roger nos muestra que es simplemente el movimiento orbital lo que hace esto», dice Readhead. «Antes de que Roger lo descubriera, nadie había descubierto que una binaria con un chorro relativista tendría una curva de luz que se vería así».

«Nuestro estudio proporciona un modelo de cómo buscar estos blazares binarios en el futuro», dice Kiehlmann.

 “Es muy emocionante ver que además de la ciencia que planeamos originalmente, todavía se puede seguir haciendo descubrimientos inesperados cómo este. Es un gran privilegio ser parte de este equipo internacional que estoy seguro continuará sorprendiéndonos,” concluye el profesor Max-Moerbeck.

El estudio de The Astrophysical Journal Letters titulado «La fenomenología imprevista del Blazar PKS 2131-021: un candidato de agujero negro supermasivo binario único» fue financiado por Caltech, el Instituto Max Planck de Radioastronomía, la NASA, la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), la Academia de Finlandia, el Consejo Europeo de Investigación, ANID (Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo), el Consejo de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá, la Fundación para la Investigación y la Tecnología – Hellas en Grecia , Instituto de Matemáticas Aplicadas y Computacionales en Grecia, la Fundación Helénica para la Investigación y la Innovación en Grecia y la Universidad de Michigan.

En esta figura se representan tres conjuntos de observaciones de radio del cuásar PKS 2131-021, que abarcan 45 años: los datos del Owens Valley Radio Observatory (OVRO) son azules; Los datos del Observatorio Radioastronómico de la Universidad de Michigan (UMRAO) son marrones; y los datos del Observatorio Haystack son verdes. Estas observaciones coinciden con una onda sinusoidal simple, indicada en azul. Los astrónomos creen que el patrón de onda sinusoidal es causado por dos agujeros negros supermasivos, en el corazón del cuásar, que orbitan uno alrededor del otro cada dos años. (En realidad, se observó un período de cinco años debido a un efecto Doppler causado por la expansión del universo). Uno de los agujeros negros está disparando un chorro relativista de radio brillante que se disminuye y aumenta periódicamente. Hay que notar que los datos de OVRO y UMRAO coinciden con el máximo en 2010, y los datos de UMRAO y Haystack coinciden con el máximo en 1981. Las magnitudes de los máximos observados alrededor de 1980 son el doble de los observados en tiempos recientes, presumiblemente porque más material estaba cayendo hacia el agujero negro y siendo expulsado en ese momento.

Link a paper en Atrophysical Journal 

Crédito de la imagen: Tony Readhead/Caltech