Agujeros negros supermasivos observados en el baile cercano

Los astrónomos han medido los movimientos de un apretado par de agujeros negros supermasivos, separados por solo 24 años luz en una galaxia cercana.

Esta imagen del telescopio espacial Hubble de Arp 148, u "Objeto de Mayall", captura una colisión de galaxias a unos 500 millones de años luz de distancia en la Osa Mayor.
NASA / ESA / Equipo de herencia de Hubble / ESA / Colaboración de Hubble / A. Evans / K. Noll / J. Westphal

Las galaxias se estrellan juntas todo el tiempo, cosmológicamente hablando. Vemos estas colisiones lejanas en el cielo nocturno, e incluso podemos calcular el destino de nuestra propia galaxia en una masiva combinación con la vecina galaxia de Andrómeda.

El efecto de las colisiones galácticas en las estrellas es fantástico, ya que las interacciones gravitacionales de las galaxias envían a sus miembros estelares a corrientes y remolinos. Pero el efecto sobre los agujeros negros supermasivos que acechan en el centro de la mayoría de las galaxias grandes es aún más sorprendente, ya que múltiples fuerzas acercan a los dos gigantes hasta que finalmente se fusionan.

Sin embargo, a pesar de que los agujeros negros son un centavo por docena y las colisiones galácticas son comunes, los pares de agujeros negros supermasivos han sido sorprendentemente difíciles de encontrar. A pesar de las mediciones de miles de galaxias, los astrónomos han encontrado exactamente un par cercano de agujeros negros supermasivos, separados por solo 24 años luz (menos de una Carrera de Kessel), en el centro de una galaxia llamada 0402 + 379.

Ahora, la estudiante graduada Karishma Bansal (Universidad de Nuevo México) y sus colegas han medido los movimientos de este par utilizando observaciones de radio que abarcan 12 años. Los resultados se publican en el Astrophysical Journal del 1 de julio.

Utilizando la matriz de línea de base muy larga, así como una técnica llamada interferometría de línea de base muy larga, Bansal y sus colegas crearon imágenes nítidas del núcleo de la galaxia en múltiples frecuencias de radio. El equipo volvió a analizar dos observaciones anteriores de 2003 y 2005, mientras presentaba nuevas observaciones de 2009 y 2015.

Esta imagen de matriz de línea de base muy larga de la región central de la galaxia 0402 + 379 muestra los dos puntos de radio, etiquetados C1 y C2, asociados con un par de agujeros negros supermasivos en órbita uno alrededor del otro.
Bansal y col. / NRAO / AUI / NSF

Las imágenes muestran dos puntos brillantes de emisión de radio de los chorros de los agujeros negros. Los campos magnéticos se envuelven alrededor de estas estrechas corrientes de plasma a medida que se alejan de los polos de los agujeros negros, llevándose una pequeña cantidad de material que de otro modo habría entrado en las fauces. La emisión de radio que vemos proviene de electrones de plasma que interactúan con el campo magnético. Bansal y sus colegas midieron el movimiento de los puntos de radio a través del cielo a lo largo de los años para determinar qué tan rápido se movían los agujeros negros.

El equipo observó que estos dos agujeros negros se movían entre sí a 4 millones de mph, o 0.5% de la velocidad de la luz. Tardarán unos 30, 000 años en completar una órbita única y, sugieren los autores, millones de años para fusionarse.

El problema final de Parsec

Puede parecer obvio que la colisión de dos galaxias finalmente conduciría a la fusión de sus agujeros negros centrales, pero no es así. Piense en el sistema solar La Tierra ha girado alrededor del Sol durante unos 4.500 millones de años y probablemente continuará en su órbita durante otros 5.000 millones de años. A menos que la Tierra de alguna manera haya perdido impulso, como por un encuentro cercano o una colisión con otro objeto masivo, no hay razón para que de repente caiga al Sol.

Lo mismo ocurre con los agujeros negros. Inicialmente, es bastante fácil que dos agujeros negros se acerquen entre sí a través de interacciones gravitacionales entre ellos y el gas, el polvo y las estrellas que vuelan durante una colisión galáctica. Y eventualmente, cuando los agujeros negros están dentro de la distancia de escupir, emitirán ondas gravitacionales que conducen su espiral hacia adentro. Es entre las fases muy separadas y muy juntas que hay un problema, típicamente conocido como el problema de "análisis final".

Concepción artística del par de agujeros negros supermasivos en el centro de la galaxia 0402 + 379, a 750 millones de años luz de la Tierra.
Josh Valenzuela / Univ. de Nuevo México

Cuando los agujeros negros están a solo unos pocos años luz de distancia, las simulaciones muestran que los agujeros negros ya habrán eliminado todas las estrellas circundantes y otros materiales, pero las ondas gravitacionales que emiten no son lo suficientemente fuertes como para cambiar sus órbitas. Sin embargo, sabemos por las observaciones de ondas gravitacionales de LIGO que las fusiones de agujeros negros ocurren, incluso si las mediciones de LIGO son de la masa estelar en lugar de la variedad supermasiva.

El coautor Gregory Taylor (Universidad de Nuevo México) especula que durante una acumulación galáctica, el material simplemente continúa cayendo en el centro, permitiendo que los agujeros negros binarios se unan.

En mi opinión, Taylor dice que el par se fusionará millones de años en el futuro.

El razonamiento es simple, explica. La mayoría de las galaxias grandes albergan un agujero negro supermasivo y abundan las colisiones galácticas, sin embargo, 0402 + 379 es el único ejemplo que conocemos de un par apretado de agujeros negros supermasivos y no por falta de mirar. Esto tiene sentido si esta fase intermedia ocurre rápidamente, al menos en escalas de tiempo cosmológicas.

"Si hubiera muchos sistemas estancados", afirma Taylor, "entonces ¿por qué no los vemos?"

Ya sea que esté estancado o no, nunca veremos a este par en particular fusionarse en uno, pero sin embargo presenta un objetivo de observación tentador para comprender cómo funcionan las fusiones de agujeros negros. El equipo planea continuar las observaciones de radio, ya que se necesitan dos observaciones adicionales para precisar parámetros orbitales precisos. Pero también necesitarán paciencia. Los astrónomos deben esperar a que los agujeros negros se muevan lo suficiente en su órbita mutua, por lo que esperan observaciones adicionales en 2019 como muy pronto.