El Nuevo Modelo Arroja Luz Sobre Los Agujeros Negros Supermasivos En Espiral

Nueva simulación arroja luz sobre agujeros negros supermasivos en espiral

Esta animación gira 360 grados alrededor de una versión congelada de la simulación en el plano del disco. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Un nuevo modelo está acercando a los científicos a comprender los tipos de señales luminosas que se producen cuando dos agujeros negros supermasivos, que son de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, giran en espiral hacia una colisión. Por primera vez, una nueva simulación por computadora que incorpora completamente los efectos físicos de la teoría de la relatividad general de Einstein muestra que el gas en tales sistemas brillará predominantemente en luz ultravioleta y rayos X.

Casi todas las galaxias del tamaño de la nuestra Vía láctea o más grande contiene un monstruo calabozo en su centro. Las observaciones muestran que las fusiones de galaxias ocurren con frecuencia en el universo, pero hasta ahora nadie ha visto una fusión de estos agujeros negros gigantes.

“Sabemos que las galaxias con agujeros negros supermasivos centrales se combinan todo el tiempo en el universo, sin embargo, solo vemos una pequeña fracción de galaxias con dos de ellas cerca de sus centros”, dijo Scott Noble, astrofísico de NASA Goddard Space Flight Center en Greenbelt, Maryland. “Los pares que vemos no emiten fuertes señales de ondas gravitacionales porque están demasiado lejos el uno del otro. Nuestro objetivo es identificar, solo con luz, pares aún más cercanos a partir de los cuales se puedan detectar señales de ondas gravitacionales en el futuro “.

Un artículo que describe el análisis del equipo de la nueva simulación se publicó el martes 2 de octubre en The Astrophysical Journal y ahora está disponible en línea.

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gas brilla intensamente en esta simulación por computadora de agujeros negros supermasivos a sólo 40 órbitas de la fusión. Modelos como este pueden eventualmente ayudar a los científicos a identificar ejemplos reales de estos poderosos sistemas binarios. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA

Los científicos han detectado la fusión de agujeros negros de masa estelar, que van desde alrededor de tres a varias docenas de masas solares, utilizando el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser de la National Science Foundation ( LIGO ). Las ondas gravitacionales son ondas del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Se crean cuando objetos en órbita masiva como agujeros negros y estrellas de neutrones se juntan en espiral y se fusionan.

Las fusiones supermasivas serán mucho más difíciles de encontrar que sus primos de masa estelar. Una razón por la que los observatorios terrestres no pueden detectar ondas gravitacionales de estos eventos se debe a que la Tierra misma es demasiado ruidosa, temblando por las vibraciones sísmicas y los cambios gravitacionales de las perturbaciones atmosféricas. Los detectores deben estar en el espacio, como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) liderada por la ESA (Agencia Espacial Europea) y cuyo lanzamiento está previsto para la década de 2030. Los observatorios que monitorean conjuntos de estrellas superdensas que giran rápidamente, llamadas púlsares, pueden detectar ondas gravitacionales de fusiones de monstruos. Al igual que los faros, los púlsares emiten rayos de luz temporizados regularmente que parpadean dentro y fuera de la vista mientras giran. Las ondas gravitacionales podrían causar leves cambios en la sincronización de esos destellos, pero hasta ahora los estudios no han arrojado ninguna detección.

Pero los binarios supermasivos que se acercan a la colisión pueden tener una cosa de la que carecen los binarios de masa estelar: un entorno rico en gas. Los científicos sospechan que la explosión de supernova que crea un agujero negro estelar también destruye la mayor parte del gas circundante. El agujero negro consume lo poco que queda tan rápido que no queda mucho para brillar cuando se produce la fusión.

Los binarios supermasivos, por otro lado, son el resultado de fusiones de galaxias. Cada agujero negro de gran tamaño trae consigo un séquito de nubes de gas y polvo, estrellas y planetas. Los científicos creen que una colisión de galaxias impulsa gran parte de este material hacia los agujeros negros centrales, que lo consumen en una escala de tiempo similar a la necesaria para que el binario se fusione. A medida que los agujeros negros se acercan, las fuerzas magnéticas y gravitacionales calientan el gas restante, produciendo luz que los astrónomos deberían poder ver.


Este El video de 360 ​​grados coloca al espectador en el medio de dos agujeros negros supermasivos que giran alrededor de 18,6 millones de millas (30 millones de kilómetros) de distancia con un período orbital de 46 minutos. La simulación muestra cómo los agujeros negros distorsionan el fondo estrellado y capturan la luz, produciendo siluetas de agujeros negros. Una característica distintiva llamada anillo de fotones delinea los agujeros negros. Todo el sistema tendría alrededor de 1 millón de veces la masa del Sol. Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA; antecedentes, ESA / Gaia / DPAC

“Es muy importante proceder en dos vías”, dijo la coautora Manuela Campanelli, directora del Centro de Relatividad y Gravitación Computacional del Instituto de Tecnología de Rochester en Nueva York, quien inició este proyecto hace nueve años. “Modelar estos eventos requiere sofisticadas herramientas computacionales que incluyen todos los efectos físicos producidos por dos agujeros negros supermasivos que orbitan entre sí a una fracción de la velocidad de la luz. Saber qué señales de luz esperar de estos eventos ayudará a que las observaciones modernas los identifiquen. El modelado y las observaciones se retroalimentarán, ayudándonos a comprender mejor lo que está sucediendo en el corazón de la mayoría de las galaxias “.

La nueva simulación muestra tres órbitas de un par de agujeros negros supermasivos a solo 40 órbitas de la fusión. Los modelos revelan que la luz emitida en esta etapa del proceso puede estar dominada por la luz ultravioleta con algunos rayos X de alta energía, similar a lo que se ve en cualquier galaxia con un agujero negro supermasivo bien alimentado.

Tres regiones de gas emisor de luz brillan cuando los agujeros negros se fusionan, todas conectadas por corrientes de gas caliente: un gran anillo que rodea todo el sistema, llamado disco circumbinario, y dos más pequeños alrededor de cada agujero negro, llamados mini discos. Todos estos objetos emiten predominantemente luz ultravioleta. Cuando el gas fluye hacia un mini disco a gran velocidad, la luz ultravioleta del disco interactúa con la corona de cada agujero negro, una región de partículas subatómicas de alta energía por encima y por debajo del disco. Esta interacción produce rayos X. Cuando la tasa de acreción es menor, la luz ultravioleta se atenúa en relación con los rayos X.

Con base en la simulación, los investigadores esperan que los rayos X emitidos por una fusión cercana sean más brillantes y más variables que los rayos X vistos desde agujeros negros supermasivos individuales. El ritmo de los cambios se relaciona tanto con la velocidad orbital del gas ubicado en el borde interior del disco circumbinario como con la de los agujeros negros fusionados.

“La forma en que ambos agujeros negros desvían la luz da lugar a complejos efectos de lentes, como se ve en la película cuando un agujero negro pasa frente al otro”, dijo Stéphane d’Ascoli, estudiante de doctorado en la École Normale Supérieure de París y autor principal. del papel. “Algunas características exóticas fueron una sorpresa, como las sombras en forma de ceja que un agujero negro crea ocasionalmente cerca del horizonte del otro”.

La simulación se ejecutó en la supercomputadora Blue Waters del Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Modelar tres órbitas del sistema tomó 46 días en 9.600 núcleos de computación. Campanelli dijo que recientemente se otorgó tiempo adicional a la colaboración en Blue Waters para continuar desarrollando sus modelos.

La simulación original estimó las temperaturas del gas. El equipo planea refinar su código para modelar cómo los parámetros cambiantes del sistema, como la temperatura, la distancia, la masa total y la tasa de acreción, afectarán la luz emitida. Están interesados ​​en ver qué sucede con el gas que viaja entre los dos agujeros negros, así como en modelar períodos de tiempo más largos.

“Necesitamos encontrar señales en la luz de binarios de agujeros negros supermasivos lo suficientemente distintivos como para que los astrónomos puedan encontrar estos sistemas raros entre la multitud de agujeros negros supermasivos únicos brillantes”, dijo el coautor Julian Krolik, astrofísico de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore. “Si podemos hacer eso, podríamos descubrir la fusión de agujeros negros supermasivos antes de que sean vistos por un observatorio de ondas gravitacionales basado en el espacio”.

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