Agujero negro supermasivo secundario

Hallan dos agujeros negros supermasivos en rotación

En un estudio reciente, los astrónomos han encontrado evidencia de dos agujeros negros supermasivos en rotación uno alrededor del otro a través de señales provenientes de los chorros asociados con la acumulación de materia en ambos agujeros negros.

La galaxia, o quasar, se llama OJ287 y se estudia más a fondo y se entiende mejor como un sistema binario de agujeros negros. En el cielo, los agujeros negros están tan juntos que se fusionan en un solo punto.

El hecho de que este punto en realidad conste de dos agujeros negros se hace evidente al detectar que emite dos tipos diferentes de señales. Los resultados han sido publicados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Una galaxia llamada OJ287

Los agujeros negros supermasivos que pesan varios miles de millones de veces la masa de nuestro sol están presentes en los centros de las galaxias activas. Los astrónomos los observan como núcleos galácticos brillantes donde el agujero negro supermasivo de la galaxia devora materia de un torbellino violento llamado disco de acreción.

Los dos agujeros negros supermasivos en la galaxia OJ 287
Los dos agujeros negros supermasivos en la galaxia OJ 287

El agujero negro más grande de este par de agujeros negros supermasivos en rotación pesa más de 18.000 millones de veces la masa de nuestro sol, mientras que el compañero es aproximadamente 100 veces más liviano y su órbita es oblonga, no circular», dice el profesor Achamveedu Gopakumar.

Parte de la materia se exprime en un poderoso chorro. Este proceso hace que el núcleo galáctico brille intensamente en todo el espectro electromagnético.

La galaxia activa OJ 287 se encuentra en la dirección de la constelación de Cáncer, a una distancia de aproximadamente 5 mil millones de años luz, y ha sido observada por los astrónomos desde 1888.

Un patrón de emisión de dos ciclos

Hace ya más de 40 años, el astrónomo finés Aimo Sillanpää de la universidad de Turku, Finlandia, y sus asociados notaron que hay un patrón prominente en su emisión que tiene dos ciclos, uno de unos 12 años y el más largo de unos 55 años.

Sistema de agujeros negros supermasivos en rotación OJ 287
Sistema de agujeros negros supermasivos en rotación OJ 287

Los astrónomos sugirieron que los dos ciclos resultan del movimiento orbital de dos agujeros negros, uno alrededor del otro. El ciclo más corto es el ciclo orbital y el más largo resulta de una evolución lenta de la orientación de la órbita.

El movimiento orbital se detecta por una serie de llamaradas que surgen cuando el agujero negro secundario se sumerge regularmente a través del disco de acreción del agujero negro primario a velocidades que son una fracción más lentas que la velocidad de la luz.

La gran llamarada

Esta inmersión del agujero negro secundario calienta el material del disco y el gas caliente se libera en forma de burbujas en expansión. Estas burbujas calientes tardan meses en enfriarse mientras irradian y provocan un destello de luz, una llamarada, que dura aproximadamente quince días y es más brillante que un billón de estrellas.

Después de décadas de esfuerzos para estimar el momento de la caída del agujero negro secundario a través del disco de acreción, los astrónomos de la Universidad de Turku en Finlandia, dirigidos por Mauri Valtonen y su colaborador Achamveedu Gopakumar del Instituto Tata de Investigación Fundamental en Mumbai, India, y otros pudieron modelar la órbita y predecir con precisión cuándo ocurrirían estas erupciones.

Las exitosas campañas de observación en 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 y 2019 permitieron al equipo observar los destellos previstos y confirmar la presencia de un par de agujeros negros supermasivos en OJ 287. «El número total de erupciones pronosticadas ahora asciende a 26, y casi todas han sido observadas.

El agujero negro más pequeño se observa por primera vez

A pesar de estos esfuerzos, los astrónomos no pudieron observar una señal directa del agujero negro más pequeño. Antes de 2021, su existencia se había deducido solo indirectamente de las llamaradas y de la forma en que hace que el chorro del agujero negro más grande se tambalee.

«Los dos agujeros negros supermasivos en rotación están tan cerca el uno del otro en el cielo que uno no puede verlos por separado, se fusionan en un solo punto en nuestros telescopios. Solo si vemos señales claramente separadas de cada agujero negro podemos decir que los «hemos visto» a ambos», dice el autor principal, el profesor Mauri Valtonen.

Las campañas de observación de OJ 287 en 2021/2022 utilizaron una gran cantidad de telescopios de varios tipos, y permitieron a los investigadores obtener observaciones del agujero negro secundario que atraviesa el disco de acreción por primera vez, y las señales que surgen del agujero negro más pequeño.

«El período 2021/2022 tuvo un significado especial en el estudio de OJ287. Anteriormente, se había predicho que durante este período el agujero negro secundario se sumergiría a través del disco de acreción de su compañero más masivo.

Se esperaba que esta inmersión produjera un destello azul intenso justo después del impacto, y de hecho lo observaron, a los pocos días del tiempo previsto, Martin Jelinek y sus asociados en la Universidad Técnica Checa y el Instituto Astronómico de Chequia», dice el profesor Mauri Valtonen.

Dos grandes sorpresas

Sin embargo, hubo dos grandes sorpresas en forma de nuevos tipos de llamaradas que no se habían detectado nunca antes:

La gran llamarada

La primera de ellas fue vista solo por una campaña de observación detallada realizada por Staszek Zola de la Universidad Jagellónica de Cracovia, Polonia, y por una buena razón: Zola y su equipo observaron una gran llamarada, que produjo 100 veces más luz que una galaxia entera, y duró solo un día.

«Según las estimaciones, la llamarada ocurrió poco después de que el agujero negro más pequeño de este par de agujeros negros supermasivos en rotación se tragara una dosis masiva de gas nuevo durante su caída hacia el disco de acreción. Es el proceso de deglución lo que conduce al brillo repentino de OJ287″.

«Se cree que este proceso dio poder al chorro que sale eyectado del agujero negro más pequeño de OJ 287. Un evento como este se predijo hace diez años, pero no se ha confirmado hasta ahora», explica Valtonen.

La emisión de rayos gamma

La segunda señal inesperada provino del espectro de rayos gamma y fue observada por el telescopio Fermi de la NASA. La emisión de rayos gamma más grande en OJ287 durante seis años ocurrió justo cuando el agujero negro más pequeño se zambulló a través del disco de gas del agujero negro primario.

El chorro del agujero negro más pequeño interactúa con el gas del disco y esta interacción conduce a la producción de rayos gamma. Para confirmar esta idea, los investigadores verificaron que ya se había producido una llamarada de rayos gamma similar en 2013, cuando el pequeño agujero negro atravesó el disco de gas por última vez, visto desde la misma dirección de observación.

Mejor candidato para generar ondas gravitacionales

«Entonces, ¿qué pasa con el estallido de un solo día, por qué no lo hemos visto antes? OJ287 aparece en fotografías desde 1888 y se sigue intensamente desde 1970″.

«Resulta que simplemente hemos tenido mala suerte: Nadie observó OJ287 justo en aquellas noches en las que hizo «su truco de magia», y sin el intenso seguimiento del grupo de Zola, esta vez también nos lo habríamos perdido», afirma Valtonen.

Estos esfuerzos han conducido a que el sistema de agujeros negros supermasivos en rotación OJ 287 sea el mejor candidato para producir ondas gravitacionales en frecuencias de nanohercios.

Además, el Event Horizon Telescope (EHT) y el consorcio Global mm-VLBI Array (GMVA) monitorean constantemente OJ 287 en busca de evidencia adicional de la presencia del par de agujeros negros supermasivos en su centro y, en particular, para intentar obtener una imagen de radio del chorro secundario.

Fuente: First detection of secondary supermassive black hole in a well-known binary system

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