El agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia puede tener un amigo.

Concepción artística de dos agujeros negros entrelazados en un tango gravitacional. 
Créditos: NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Christopher Go.

¿Los agujeros negros supermasivos tienen amigos? La naturaleza de la formación de galaxias sugiere que la respuesta es sí, y de hecho, los pares de agujeros negros supermasivos deberían ser comunes en el Universo.

Soy Astrofísica y estoy interesada en una amplia gama de problemas teóricos en Astrofísica, desde la formación de las primeras galaxias hasta las interacciones gravitacionales de agujeros negros, estrellas e incluso planetas. Los agujeros negros son sistemas intrigantes, y los agujeros negros supermasivos y los densos entornos estelares que los rodean representan uno de los lugares más extremos de nuestro Universo.

El agujero negro supermasivo que acecha en el centro de nuestra galaxia, llamado Sgr A *, tiene una masa de aproximadamente 4 millones de veces la de nuestro Sol. Un agujero negro es un lugar en el espacio donde la gravedad es tan fuerte que ni las partículas ni la luz pueden escapar de él. Alrededor de Sgr A * hay un denso grupo de estrellas. Las mediciones precisas de las órbitas de estas estrellas permitieron a los astrónomos confirmar la existencia de este agujero negro supermasivo y medir su masa . Durante más de 20 años, los científicos han estado monitoreando las órbitas de estas estrellas alrededor del agujero negro supermasivo. Según lo que hemos visto, mis colegas y yo demostramos que si hubiese un amigo allí, podría ser un segundo agujero negro cercano que tenga al menos 100,000 veces la masa del Sol.

En el centro de nuestra galaxia hay un agujero negro supermasivo en la región conocida como Sagitario A. Tiene una masa de aproximadamente 4 millones de veces la de nuestro Sol.
Crédito: ESA – C. Carreau.

Agujeros negros supermasivos y sus amigos

Casi todas las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, tienen un agujero negro supermasivo en su corazón, con masas de millones a miles de millones de veces la masa del Sol. Los astrónomos aún están estudiando por qué el corazón de las galaxias a menudo alberga un agujero negro supermasivo. Una idea popular se conecta con la posibilidad de que los agujeros supermasivos tengan amigos.

Para comprender esta idea, necesitamos volver a cuando el universo tenía unos 100 millones de años, a la era de las primeras galaxias. Eran mucho más pequeñas que las galaxias de hoy, aproximadamente 10,000 o más veces menos masivas que la Vía Láctea. Dentro de estas primeras galaxias, las primeras estrellas que murieron crearon agujeros negros, de aproximadamente decenas a miles de la masa solares. Estos agujeros negros se hundieron en el centro de gravedad, el corazón de su galaxia anfitriona. Dado que las galaxias evolucionan fusionándose y colisionando entre sí, las colisiones entre galaxias darán como resultado pares de agujeros negros supermasivos, la parte clave de esta historia. Los agujeros negros luego chocan y crecen en tamaño también. Un agujero negro que es más de un millón de veces la masa de nuestro Sol se considera supermasivo.

Si, de hecho, el agujero negro supermasivo tiene un amigo girando a su alrededor en órbita cercana, el centro de la galaxia está encerrado en una danza compleja. Los tirones gravitacionales de los socios también ejercerán su propio tirón sobre las estrellas cercanas perturbando sus órbitas. Los dos agujeros negros supermasivos están orbitando entre sí, y al mismo tiempo, cada uno ejerce su propio tirón sobre las estrellas a su alrededor.

Las fuerzas gravitacionales de los agujeros negros tiran de estas estrellas y hacen que cambien su órbita; en otras palabras, después de una revolución alrededor del par de agujeros negros supermasivos, una estrella no volverá exactamente al punto en el que comenzó.

Utilizando nuestra comprensión de la interacción gravitacional entre el posible par de agujeros negros supermasivos y las estrellas circundantes, los astrónomos pueden predecir lo que sucederá con las estrellas. Los astrofísicos como mis colegas y yo podemos comparar nuestras predicciones con las observaciones, y luego podemos determinar las posibles órbitas de las estrellas y determinar si el agujero negro supermasivo tiene un compañero que ejerce influencia gravitacional.

Usando una estrella bien estudiada, llamada S0-2, que orbita el agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la galaxia cada 16 años, ya podemos descartar la idea de que hay un segundo agujero negro supermasivo con una masa superior a 100,000 veces la masa del Sol y más de 200 veces la distancia entre el Sol y la Tierra. Si hubiera tal compañero, entonces yo y mis colegas hubiéramos detectado sus efectos en la órbita de SO-2.

Pero eso no significa que un agujero negro compañero más pequeño aún, no pueda esconderse allí. Tal objeto puede no alterar la órbita de SO-2 de una manera que podamos medir fácilmente.

La física de los agujeros negros supermasivos

Los agujeros negros supermasivos han recibido mucha atención últimamente. En particular, la imagen reciente de tal gigante en el centro de la galaxia M87 abrió una nueva ventana para comprender la física detrás de los agujeros negros.

La primera imagen de un agujero negro. 
Este es el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87.
Crédito: Event Horizon Telescope CollaborationCC BY-SA.

La proximidad del centro galáctico de la Vía Láctea, a solo 24,000 años luz de distancia, proporciona un laboratorio único para abordar problemas en la física fundamental de los agujeros negros supermasivos. Por ejemplo, a los astrofísicos como yo les gustaría entender su impacto en las regiones centrales de las galaxias y su papel en la formación y evolución de las galaxias. La detección de un par de agujeros negros supermasivos en el centro galáctico indicaría que la Vía Láctea se fusionó con otra galaxia, posiblemente pequeña, en algún momento en el pasado.

Eso no es todo lo que el monitoreo de las estrellas circundantes nos puede decir. Las mediciones de la estrella S0-2 permitieron a los científicos llevar a cabo una prueba única de la teoría general de la relatividad de Einstein. En mayo de 2018, S0-2 pasó por el agujero negro supermasivo a una distancia de solo 130 veces la distancia de la Tierra al Sol. Según la teoría de Einstein, la longitud de onda de la luz emitida por la estrella debería estirarse a medida que sube desde el pozo gravitacional profundo del agujero negro supermasivo.

Se detectó la longitud de onda de estiramiento que predijo Einstein, que hace que la estrella parezca más roja, y demuestra que la teoría de la relatividad general describe con precisión la  física en esta zona  gravitacional extrema . Espero ansiosamente el segundo pasaje más cercano de S0-2, que ocurrirá en unos 16 años, porque los astrofísicos como yo podrán probar algunas más de las predicciones de Einstein sobre la relatividad general, incluido el cambio de orientación de la órbita alargada de las estrellas. Pero si el agujero negro supermasivo tiene un compañero, esto podría alterar el resultado esperado.

Esta imagen del telescopio espacial Hubble de la NASA / ESA muestra el resultado de una colisión galáctica entre dos galaxias de buen tamaño. Este nuevo revoltijo de estrellas evoluciona lentamente para convertirse en una galaxia elíptica gigante.
Crédito: ESA / Hubble y NASA, Agradecimientos: Judy Schmidt.

Finalmente, si hay dos agujeros negros masivos orbitando entre sí en el centro galáctico, como sugiere mi equipo es posible, emitirán ondas gravitacionales . Desde 2015, los observatorios LIGO-Virgo han detectado radiación de ondas gravitacionales al fusionar agujeros negros de masa estelar y estrellas de neutrones. Estas innovadoras detecciones han abierto una nueva forma para que los científicos perciban el universo.

Cualquier onda emitida por nuestro hipotético par de agujeros negros estará en frecuencias bajas, demasiado bajas para que los detectores LIGO-Virgo las detecten. Pero un detector planeado basado en el espacio conocido como LISA puede detectar estas ondas, lo que ayudará a los astrofísicos a determinar si nuestro agujero negro del centro galáctico está solo o tiene un compañero.

Fuente: The Conversation.

Artículo original: «Supermassive black hole at the center of our galaxy may have a friend«. Smadar Naoz, Associate Professor of Physics & Astronomy, University of California, Los Angeles. Dec. 12, 2019.

Material relacionado:

Los astrofísicos de Columbia han descubierto 12 agujeros negros binarios de  baja masa, que orbitan Sgr A * dentro de un círculo de 1 parsec, en el centro de la Vía Láctea. Su existencia sugiere que hay probablemente unos 10,000 agujeros negros dentro de una distancia de sólo tres años luz del Centro Galáctico. El siguiente artículo lo presenta y contiene además una selección de recursos sobre Sagitarius A, desde su descubrimiento, estudios de estrellas que lo orbitan, los jets que emanan de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias y la discusión de la coevolución de un agujero negro supermasivo y la galaxia que lo aloja, los cúmulos estelares en el centro galáctico y su relación con la formación de binarias de agujeros negros, su fusión y la producción de Ondas Gravitacionales asociada, …. etc.:

El ejemplo más notable de un agujero negro supermasivo es el correspondiente a la galaxia elíptica M87, del cual el Telescopio de Horizonte de Evento logró la primer fotografía en la historia:

Un equipo internacional de astrónomos, utilizando el observatorio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ha sido testigo de un evento de meteorología cósmica que nunca se había visto antes: un grupo de imponentes nubes de gas intergaláctico, lloviendo sobre el agujero negro supermasivo situado en el centro de una enorme galaxia que se encuentra a mil millones de años luz de la Tierra:

En la reunión número 234 de la American Astronomical Society en St. Louis, Allison Kirkpatrick, Profesora Asistente de Física y Astronomía en la Universidad de Kansas, anunció su descubrimiento de los «quásares fríos», galaxias con una gran cantidad de gas frío que aún puede producir nuevas estrellas a pesar de tener un quásar en el centro. El descubrimiento revolucionario anula los supuestos sobre la maduración de las galaxias y puede representar una fase del ciclo de vida de cada galaxia que hasta ahora no se conocía:

Curiosidades:

Los agujeros negros son famosos por desgarrar objetos, incluidas las estrellas. Pero ahora, los astrónomos han descubierto un agujero negro que puede haber provocado el nacimiento de estrellas a una distancia alucinante y en múltiples galaxias. El siguiente artículo lo presenta y contiene en el apartado «Material relacionado», recursos sobre el tema, entre los que se encuentran, un ejemplo notable en el cúmulo de galaxias Phoenix, el examen en detalle de la retroalimentación por parte de los Núcleos Galácticos Activos (AGN), asi como las variaciones de brillo de un AGN por disrupción de estrellas por marea:

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