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Artículo publicado el 16 de septiembre de 2015 en JPL

Entrelazados por la gravedad y destinados a fusionarse, dos candidatos a agujeros negros en una lejana galaxia parecen estar unidos en una intrincada danza. Los investigadores, usando datos del Galaxy Evolution Explorer (GALEX) de la NASA y el Telescopio Espacial Hubble, han logrado la confirmación más sólida hasta el momento de la existencia de estos agujeros negros en proceso de fusión, y han encontrado nuevos detalles sobre su extraña y cíclica señal de luz.

Simulación de la fusión de agujeros negros

Simulación de la fusión de agujeros negros. Crédito: Universidad de Columbia

El dúo de candidatos a agujeros negros, conocido como PG 1302-102, se identificó inicialmente a principios de este año usando telescopios terrestres. Los agujeros negros son el par con la órbita más cercana detectada hasta el momento, con una separación no mucho mayor que el diámetro de nuestro Sistema Solar. Se espera que colisionen en menos de un millón de años, disparando una titánica explosión con la energía de 100 millones de supernovas.

Los investigadores están estudiando este dúo para comprender mejor cómo se fusionan las galaxias y los monstruosos agujeros negros de sus núcleos – un hecho habitual en los inicial del universo. Pero, a pesar de lo comunes que eran estos eventos, son difíciles de observar y confirmar.

PG 1302-102 es uno entre un puñado de buenos candidatos a agujeros negros binarios. Se descubrió e informó del mismo a principios de este año por parte del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Pasadena, después de escrutar una inusual señal de luz procedente del centro de una galaxia. Los investigadores, que usaron los telescopios del Catalina Real-Time Transient Survey, demostraron que la señal variable probablemente está generada por el movimiento de los dos agujeros negros, que se orbitan uno a otro cada cinco años. Aunque los agujeros negros en sí no emiten luz, el material que los rodea sí lo hace.

En el nuevo estudio, publicado el 17 de septiembre en el ejemplar de la revista Nature, los investigadores encontraron más pruebas para apoyar y confirmar la estrecha unión de estos agujeros negros. Usando datos ultravioletas procedentes de GALEX y Hubble, pudieron realizar un seguimiento de los patrones variables de luz a lo largo de los últimos 20 años.

“Tuvimos suerte de disponer de los datos de GALEX”, dice el coautor David Schiminovich de la Universidad de Columbia en Nueva York. “Volvimos a los archivos de GALEX y encontramos que el objeto se había observado en seis ocasiones”.

Hubble, que ve en ultravioleta además del visible y otras longitudes de onda de la luz, también había observado el objeto en el pasado.

La luz ultravioleta fue importante para poner a prueba una predicción sobre cómo los agujeros negros generan un patrón de luz cíclico. La idea es que uno de los agujeros negros del par emite más luz, está tragando más materia que el otro, y este proceso calienta la materia que emite una energética luz. Conforme este agujero negro orbita alrededor de su compañero cada cinco años, su luz cambia y parece aumentar de brillo cuando está frente a nosotros.

“Es como si la luz de una bombilla de 60 Watts de pronto luciese como una de 100 Watts”, explica Daniel D’Orazio,autor principal del estudio de la Universidad de Columbia. “Conforme la luz del agujero negro acelera alejándose de nosotros, su luminosidad disminuye hasta parecer una bombilla de 20 Watts”.

¿Qué provoca estos cambios en la luz? Un conjunto de cambios está relacionado con el efecto de “desplazamiento al azul”, en el cual, la luz se ve comprimida a una longitud de onda más pequeña cuando viaja hacia nosotros, de la misma forma que una sirena de un coche de policía sueña a mayor frecuencia cuando se acerca hacia ti. Otra razón tiene que ver con la enorme velocidad del agujero negro.

El agujero negro más brillante, de hecho, viaja a casi un siete por ciento de la velocidad de la luz. En otras palabras, realmente rápido. Aunque el agujero negro necesita cinco años para orbitar a su compañero, viaja una vasta distancia. Sería como si un agujero negro diese una vuelta a todo nuestro Sistema Solar, hasta los confines más recónditos, donde yacen los cometas de la Nube de Oort, en apenas cinco años. A estas increíbles velocidades, que se conocen como relativistas, la luz aumenta de brillo.

D’Orazio y sus colegas modelaron este efecto basándose en un artículo previo de Caltech, y predijeron cómo se vería en luz ultravioleta. Determinaron que, si el aumento y disminución periódico de brillo, efectivamente, se debía al efecto relativista, entonces debería presentarse el mismo comportamiento periódico en las longitudes de onda ultravioleta, pero amplificado 2,5 veces. La luz ultravioleta captada por GALEX y Hubble encajó con sus predicciones.

“Estamos reforzando nuestras ideas sobre lo que pasa en este sistema, y empezando a comprenderlo mejor”, señala Zoltan Haiman, coautor de la Universidad de Columbia que ideó el proyecto.

Los resultados también ayudarán a los investigadores a comprender cómo encontrar en el futuro agujeros negros en proceso de fusión aún más cercanos entre sí, lo que algunos consideran el Santo Grial de la física y la búsqueda de ondas gravitatorias. En los momentos finales antes de la unión definitiva de los dos agujeros negros, cuando están girando uno alrededor del otro a una distancia mínima, como los patinadores sobre hielo cuando ejecutan una “espiral de la muerte”, se predice que generarán ondulaciones en el espacio y el tiempo. Estas ondulaciones, conocidas como ondas gravitatorias y cuya existencia se deduce a partir de la teoría gravitatoria de Einstein publicada hace un siglo, contienen pistas sobre el tejido de nuestro universo.

Los hallazgos son también una puerta hacia la comprensión de otros agujeros negros en proceso de fusión por todo el universo, una amplia población que apenas está empezando a revelar sus secretos.

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