Un nuevo modelo está llevando a los científicos un paso más cerca de comprender los tipos de señales de luz producidas cuando dos agujeros negros supermasivos, que son de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, caen en espiral hacia una colisión. Por primera vez, un nuevoLa simulación por computadora que incorpora completamente los efectos físicos de la teoría general de la relatividad de Einstein muestra que el gas en tales sistemas brillará predominantemente en la luz ultravioleta y de rayos X.
Casi todas las galaxias del tamaño de nuestra Vía Láctea o más grandes contienen un monstruoso agujero negro 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, pero solo vemos una pequeña fracción de galaxias con dos de ellas cerca de sus centros", dijo Scott Noble, astrofísico en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA enGreenbelt, Maryland ". Los pares que vemos no emiten fuertes señales de ondas gravitacionales porque están demasiado lejos el uno del otro. Nuestro objetivo es identificar, con luz sola, pares aún más cercanos de los cuales las ondas gravitacionalesse pueden detectar señales en el futuro "
Un artículo que describe el análisis del equipo de la nueva simulación se publicó el martes 2 de octubre en el Revista astrofísica y ahora está disponible en línea.
Los científicos han detectado la fusión de agujeros negros de masa estelar, que van desde alrededor de tres hasta varias docenas de masas solares, utilizando el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser de la National Science Foundation LIGO. Las ondas gravitacionales son ondas espaciales que viajan en el espaciovelocidad de la luz. Se crean cuando los objetos en órbita masiva como los agujeros negros y las estrellas de neutrones forman una espiral y se fusionan.
Las fusiones supermasivas serán mucho más difíciles de encontrar que sus primos de masa estelar. Una razón por la cual los observatorios terrestres no pueden detectar las ondas gravitacionales de estos eventos es porque la Tierra misma es demasiado ruidosa, se sacude por las vibraciones sísmicas y los cambios gravitacionales de la atmósferaLos detectores deben estar en el espacio, como la Antena Espacial de Interferómetro Láser LISA dirigida por la ESA Agencia Espacial Europea y prevista para su lanzamiento en la década de 2030. Los observatorios que monitorean conjuntos de estrellas súper densas que giran rápidamente llamadas púlsares pueden detectar ondas gravitacionalesde fusiones de monstruos. Al igual que los faros, los púlsares emiten haces de luz programados regularmente que parpadean dentro y fuera de la vista a medida que giran. Las ondas gravitacionales podrían causar ligeros cambios en el tiempo de esos flashes, pero hasta ahora los estudios no han producido ninguna detección.
Pero los binarios supermasivos que se acercan a la colisión pueden tener algo de lo 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 expulsa la mayor parte del gas circundante. El agujero negro consume lo poco quepermanece tan rápido que no queda mucho por brillar cuando ocurre 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, queconsumirlo 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.
"Es muy importante proceder por 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 ".Los eventos requieren herramientas computacionales sofisticadas 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 las observaciones modernas a identificarlos.alimentarse mutuamente, ayudándonos a comprender mejor lo que está sucediendo en los corazones 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 UV con algunos rayos X de alta energía, similar alo 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, todos conectados 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 UV. Cuando el gas fluye hacia un mini disco a una velocidad alta, la luz UV 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 X-rayos. Cuando la tasa de acreción es menor, la luz UV se atenúa en relación con los rayos X.
Según 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 únicos. El ritmo de los cambios se vincula a la velocidad orbital del gas localizadoen el borde interno del disco circumbinario, así como el de los agujeros negros fusionados.
"La forma en que ambos agujeros negros desvían la luz da lugar a efectos de lentes complejos, 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 en París yautor principal del artículo: "Algunas características exóticas fueron una sorpresa, como las sombras en forma de ceja que un agujero negro ocasionalmente crea cerca del horizonte del otro".
La simulación se ejecutó en la supercomputadora Blue Waters del Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. El modelado de tres órbitas del sistema tomó 46 días en 9.600 núcleos de computación. Campanelli dijo que la colaboración recibió recientemente tiempo adicional enBlue 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 sucedeal gas que viaja entre los dos agujeros negros, así como al modelado de períodos de tiempo más largos.
"Necesitamos encontrar señales en la luz de los 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 brillantes", dijo el coautor Julian Krolik, astrofísico de la Universidad Johns Hopkins enBaltimore: "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".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por NASA / Centro de vuelo espacial Goddard . Original escrito por Jeanette Kazmierczak. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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