ANN ARBOR—Atrapados en un épico vals cósmico, dos agujeros negros supermasivos parecen estar orbitando uno alrededor del otro cada dos años.  Un equipo de investigadores ha descubierto el par de agujeros negros supermasivos atrapados en el acto de fusionarse a 13 mil millones de años luz de distancia.

Los dos cuerpos masivos tienen cada uno cientos de millones de veces la masa de nuestro sol y abarcan una distancia de aproximadamente cincuenta veces el tamaño de nuestro propio sistema solar. Cuando la pareja se fusione en aproximadamente 10.000 años, se espera que la colisión sacuda el espacio y el tiempo, enviando ondas gravitacionales por todo el universo.

El estudio, que utiliza datos de la Universidad de Michigan recopilados en el ahora cerrado Observatorio de Radioastronomía de la U-M en el Observatorio Peach Mountain, fue dirigido por un equipo de astrónomos de Caltech e incluye a la astrónoma y científica investigadora de la U-M Margo Aller. 

Los investigadores descubrieron evidencia de este escenario dentro de un objeto ferozmente energético conocido como cuásar. Los cuásares son núcleos activos de galaxias en los que un agujero negro supermasivo extrae material de un disco que lo rodea. 

En algunos cuásares, el agujero negro supermasivo crea un chorro que sale disparado casi a la velocidad de la luz. PKS 2131-021 pertenece a una subclase de cuásares llamados blazares en los que el chorro apunta hacia la Tierra. Los astrónomos sabían que los cuásares podrían poseer dos agujeros negros supermasivos en órbita, pero ha resultado difícil encontrar evidencia directa de esto. 

De acuerdo al informe publicado en The Astrophysical Journal Letters, los investigadores argumentan que PKS 2131-021 es el segundo candidato conocido para un par de agujeros negros supermasivos atrapados fusionándose. Este primer par de candidatos, dentro de un quásar llamado OJ 287, orbita a mayores distancias cada 9 años.

“Mucha de la información en la banda de luz de radio que tenemos sobre los blazares en realidad surgió de este maravilloso proyecto que tuvimos en el sitio de Peach Mountain”, dijo Aller. “Debido a que no se puede resolverlo, hay que buscar evidencia indirecta de la presencia de un sistema binario de agujeros negros supermasivos, y eso proviene de cosas como buscar el efecto en los movimientos de estrellas cercanas o mirar líneas espectrales o buscando bengalas repetidas con el mismo espacio y forma”.

La evidencia reveladora del hallazgo del estudio se presentó en forma de una curva de luz que abarca 45 años. Según el estudio, un poderoso chorro que emana de uno de los dos agujeros negros dentro de PKS 2131-021 se desplaza de un lado a otro debido al movimiento orbital del par. Esto provoca cambios periódicos en las frecuencias de luz de radio del cuásar. 

Cinco observatorios diferentes y una nave espacial registraron estas oscilaciones: el Owens Valley Radio Observatory (OVRO) de Caltech hizo el descubrimiento y la evidencia de apoyo muy sólida, que confirma el descubrimiento, provino del Observatorio de Radioastronomía de la Universidad de Michigan (UMRAO), el Observatorio Haystack del MIT, el Very Long Baseline Array (VLBA) del Observatorio Nacional de Radioastronomía del Observatorio Metsähovi en Finlandia y el Explorador de sondeo infrarrojo de campo amplio (WISE). 

“Cuando nos dimos cuenta de que los picos y valles de la curva de luz detectados recientemente coincidían con los picos y valles observados entre 1975 y 1983, supimos que algo muy especial estaba pasando”, dijo Sandra O’Neill, autora principal del nuevo estudio y una estudiante de pregrado en Caltech cuyo mentor es Tony Readhead, profesor emérito de astronomía.

La combinación de los datos de radio produce una curva de luz sinusoidal casi perfecta que no se parece a nada observado antes en los cuásares. Los datos de UMRAO son particularmente importantes, dice Aller, porque se superponen con los datos del Observatorio Haystack y OVRO, proporcionando una curva de luz continua. Además, los investigadores necesitan observaciones de muchas erupciones para obtener un resultado convincente, lo que requiere muchas décadas de observación. 

“El problema es que se necesita una base de datos de tiempo muy larga para obtener un resultado significativo, y el papel tiene esta curva de luz absolutamente hermosa de 45 años”, dijo Aller. “Los resultados muestran este comportamiento. Muestra que es persistente, y 31 años de esa curva de luz son los datos de Michigan. La probabilidad de mostrar el mismo patrón repetitivo en este estudio por casualidad sería de 1 en 635,000”.

Revelando la curva de luz de 45 años

Readhead dice que los descubrimientos se desarrollaron como una “buena novela de detectives”, comenzando 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 de hasta el 99,9% de la velocidad 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 solo periódicamente, sino también sinusoidalmente, lo que significa que el poderoso chorro que emanaba de uno de los agujeros negros del par se desplazaba de manera predecible debido al movimiento orbital del agujero negro. La pregunta, Readhead, se convirtió en cuánto tiempo ha estado ocurriendo este patrón de onda sinusoidal.

El equipo de investigación revisó los datos de radio de archivo para buscar picos anteriores en las curvas de luz que coincidieran con las predicciones basadas en las observaciones más recientes de OVRO. Revisaron los datos del VLBA y encontraron que los datos confirmaron los picos en los datos de UMRAO y OVRO . Estos datos muestran que la señal variable proviene de la región interna del chorro. 

Aller comenzó a trabajar en la UMRAO a mediados de la década de 1970 después de obtener su doctorado en la U-M. Su esposo y socio de investigación, Hugh Aller, instaló los aspectos técnicos del observatorio, incluida la automatización del telescopio relativamente pequeño, mientras que Aller se centró en elegir a qué cuerpos celestes apuntaría el telescopio.

“Debido a que no teníamos que solicitar tiempo en un instrumento público, si ocurría algo emocionante, podíamos cambiar nuestro programa en unas pocas horas y observarlo”, dijo Aller. “Tenemos esta maravillosa base de datos, que todavía se está utilizando, y son datos de ese programa que está viendo en este documento. Usamos este telescopio relativamente pequeño para investigar preguntas fundamentales sobre estos blazares”. 

Las observaciones de archivo de UMRAO también identificaron este pico de 2005 y además mostraron que no hubo variaciones sinusoidales durante 20 años antes de ese momento, hasta 1981, cuando se observó otro pico previsto. Los investigadores también descubrieron que el Observatorio Haystack había realizado observaciones de radio de PKS 2131-021 entre 1975 y 1983. Estos datos revelaron otro pico que coincidía con sus predicciones, esta vez en 1976. 

Readhead compara el sistema del jet moviéndose hacia adelante y hacia atrás con un el reloj hace tictac y dice que, aunque la señal periódica desapareció durante 20 años, probablemente debido a cambios en la actividad del agujero negro, reapareció con la misma fase y período. 

La razón de las variaciones sinusoidales fue al principio un misterio, pero Roger Blandford, profesor de física de partículas y astrofísica en la Universidad de Stanford, actualmente en año sabático en Caltech, ideó un modelo físico simple y elegante para explicar la forma sinusoidal de las variaciones: que un blazer cuyo agujero negro supermasivo esté orbitando otro agujero negro supermasivo producirá variaciones sinusoidales de la amplitud observada, Readhead dijo.

Las observaciones futuras que utilicen conjuntos de sincronización de púlsares pueden detectar ondas gravitacionales que se extienden hacia afuera desde el cuásar, lo que proporcionaría más pistas sobre lo que sucede adentro. 

“No esperábamos que los blazares con agujeros negros supermasivos en órbita produjeran una hermosa curva de onda sinusoidal como esta”, Readhead añadió. “La naturaleza a menudo hace algo más extraño aún de lo que esperabas”.  

El programa de investigación UMRAO fue apoyado por una serie de subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias y la NASA. La financiación para el funcionamiento de UMRAO fue proporcionada por U-M. 

Estudio:The Unanticipated Phenomenology of the Blazar PKS 2131-021: A Unique Super-Massive Black Hole Binary Candidate

Escrito por Whitney Clavin, Caltech. Traducido y adaptado al español por Nardy Baeza Bickel.

 

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