Durante décadas, los astrónomos han sabido que los agujeros negros supermasivos (SMBH) residen en el centro de la mayoría de las galaxias masivas. Estos agujeros negros, que van desde cientos de miles hasta miles de millones de masas solares, ejercen una poderosa influencia sobre la materia circundante y se cree que son la causa de los núcleos galácticos activos (AGN). Desde que los astrónomos los conocen, han intentado comprender cómo se forman y evolucionan los SMBH.
En dos estudios publicados recientemente, dos equipos internacionales de investigadores informan sobre el descubrimiento de cinco pares de agujeros negros recién descubiertos en los centros de galaxias distantes. Este descubrimiento podría ayudar a los astrónomos a arrojar nueva luz sobre cómo se forman y crecen las SMBH con el tiempo, sin mencionar cómo las fusiones de agujeros negros producen las ondas gravitacionales más fuertes del Universo.
Los primeros cuatro candidatos de doble agujero negro se informaron en un estudio titulado "AGN enterrados en fusiones avanzadas: selección de color infrarrojo medio como buscador AGN dual", dirigido por Shobita Satyapal, profesor de astrofísica en la Universidad George Mason. Este estudio fue aceptado para su publicación en El diario astrofísico y apareció recientemente en línea.
El segundo estudio, que informó sobre el quinto candidato doble agujero negro, fue dirigido por Sarah Ellison, profesora de astrofísica de la Universidad de Victoria. Fue publicado recientemente en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society bajo el título "Descubrimiento de un núcleo galáctico activo dual con ~ 8 kpc de separación". El descubrimiento de estos cinco pares de agujeros negros fue muy fortuito, dado que los pares son un hallazgo muy raro.
Como Shobita Satyapal explicó en un comunicado de prensa de Chandra:
“Los astrónomos encuentran agujeros negros supermasivos únicos en todo el universo. Pero a pesar de que hemos predicho que crecerán rápidamente cuando interactúen, ha sido difícil encontrar agujeros negros supermasivos dobles crecientes.“
Los pares de agujeros negros se descubrieron combinando datos de varios instrumentos terrestres y espaciales diferentes. Esto incluyó datos ópticos del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) y el Gran Telescopio Binocular (LBT) con base en tierra en Arizona con datos de infrarrojo cercano del Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) y datos de rayos X de Chandra de la NASA. Observatorio de rayos X.
Por el bien de sus estudios, Satyapal, Ellison y sus respectivos equipos buscaron detectar AGN duales, que se cree que son una consecuencia de las fusiones galácticas. Comenzaron consultando datos ópticos del SDSS para identificar galaxias que parecían estar en proceso de fusión. Los datos de la encuesta WISE de todo el cielo se utilizaron para identificar aquellas galaxias que mostraban los AGN más poderosos.
Luego consultaron datos del Espectrómetro de imágenes CCD avanzadas (ACIS) de Chandra y el LBT para identificar siete galaxias que parecían estar en una etapa avanzada de fusión. El estudio dirigido por Ellison también se basó en datos ópticos proporcionados por la encuesta Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) para identificar uno de los nuevos pares de agujeros negros.
A partir de los datos combinados, descubrieron que cinco de las siete galaxias fusionadas albergaban posibles AGN duales, que estaban separadas por menos de 10 kiloparsecs (más de 30,000 años luz). Esto fue evidenciado por los datos infrarrojos proporcionados por WISE, que era consistente con lo que se predica de los agujeros negros supermasivos de rápido crecimiento.
Además, los datos de Chandra mostraron pares de fuentes de rayos X estrechamente separados, lo que también es consistente con los agujeros negros que tienen materia que se acumula lentamente sobre ellos. Estos datos infrarrojos y de rayos X también sugirieron que los agujeros negros supermasivos están enterrados en grandes cantidades de polvo y gas. Como indicó Ellison, estos hallazgos fueron el resultado de un trabajo minucioso que consistió en clasificar a través de múltiples longitudes de onda de datos:
“Nuestro trabajo muestra que combinar la selección infrarroja con el seguimiento de rayos X es una forma muy efectiva de encontrar estos pares de agujeros negros. Los rayos X y la radiación infrarroja pueden penetrar en las oscuras nubes de gas y polvo que rodean estos pares de agujeros negros, y se necesita la visión nítida de Chandra para separarlos ".
Antes de este estudio, se habían confirmado menos de diez pares de agujeros negros en crecimiento según los estudios de rayos X, y estos fueron principalmente por casualidad. Este último trabajo, que detectó cinco pares de agujeros negros utilizando datos combinados, fue por lo tanto afortunado y significativo. Además de reforzar la hipótesis de que se forman agujeros negros supermasivos a partir de la fusión de agujeros negros más pequeños, estos estudios también tienen serias implicaciones para la investigación de ondas gravitacionales.
"Es importante comprender cuán comunes son los pares de agujeros negros supermasivos, para ayudar a predecir las señales de los observatorios de ondas gravitacionales", dijo Satyapa. “Con los experimentos ya implementados y los futuros en línea, este es un momento emocionante para investigar la fusión de agujeros negros. Estamos en las primeras etapas de una nueva era en la exploración del universo ".
Desde 2016, un total de cuatro instancias de ondas gravitacionales han sido detectadas por instrumentos como el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) y el Observatorio VIRGO. Sin embargo, estas detecciones fueron el resultado de fusiones de agujeros negros donde los agujeros negros eran todos más pequeños y menos masivos, entre ocho y 36 masas solares.
Los agujeros negros supermasivos, por otro lado, son mucho más masivos y probablemente producirán una firma de onda gravitacional mucho más grande a medida que continúen acercándose. Y en unos pocos cientos de millones de años, cuando estos pares finalmente se fusionen, la energía resultante producida por la masa convertida en ondas gravitacionales será increíble.
En la actualidad, los detectores como LIGO y Virgo no pueden detectar las ondas gravitacionales creadas por pares de agujeros negros supermasivos. Este trabajo lo realizan matrices como el Observatorio Nanohertz de América del Norte para Ondas Gravitacionales (NANOGrav), que se basa en púlsares de milisegundos de alta precisión para medir la influencia de las ondas gravitacionales en el espacio-tiempo.
También se espera que la Antena espacial de interferómetro láser (LISA) propuesta, que será el primer detector de ondas gravitacionales basadas en el espacio dedicado, ayude en la búsqueda. Mientras tanto, la investigación de ondas gravitacionales ya se ha beneficiado inmensamente de los esfuerzos de colaboración como el que existe entre Advanced LIGO y Advanced Virgo.
En el futuro, los científicos también anticipan que podrán estudiar los interiores de las supernovas a través de la investigación de ondas gravitacionales. Es probable que esto revele mucho sobre los mecanismos detrás de la formación de agujeros negros. Entre todos estos esfuerzos continuos y desarrollos futuros, podemos esperar "escuchar" mucho más del Universo y las fuerzas más poderosas que trabajan dentro de él.
Asegúrese de ver esta animación que muestra cómo se verá la fusión final de dos de estos pares de agujeros negros, cortesía del Observatorio de rayos X Chandra:
