Los cuásares, los objetos más brillantes del cosmos, podrían servir como señales cósmicas, dirigiendo a los astrónomos hacia pares esquivos de agujeros negros supermasivos.
Aunque los científicos saben que en el corazón de la mayoría, si no de todas, las grandes galaxias se esconden agujeros negros supermasivos con masas millones o incluso miles de millones de veces mayores que la del Sol, los pares binarios de estos titanes cósmicos son difíciles de detectar. Esto no puede deberse a que los binarios de agujeros negros supermasivos sean increíblemente raros. Después de todo, estos gigantes se forman a través de fusiones que comienzan cuando las galaxias chocan. Esto significa que debe haber una gran población de binarios de agujeros negros supermasivos que están a punto de colisionar y crear un agujero negro hijo supermasivo aún más monstruoso. ¿Pero dónde están?
Una nueva investigación sugiere que los cuásares, los núcleos brillantes de galaxias activas impulsados por agujeros negros supermasivos, pueden proporcionar una respuesta a esta pregunta. El equipo detrás de esta investigación cree que las galaxias con cuásares pueden tener siete veces más probabilidades de albergar binarios de agujeros negros supermasivos que otras galaxias.
Estos hallazgos podrían ayudar en la búsqueda de estos dúos monstruosos que utilizan ondas gravitacionales, pequeñas ondas en el espacio y el tiempo (unidas en una entidad de 4 dimensiones llamada espacio-tiempo), que fueron predichas por primera vez en la teoría de la relatividad general de Einstein en 1915.
«Estos resultados son útiles para búsquedas específicas de binarios de agujeros negros supermasivos, en las que buscamos galaxias y cuásares específicos en busca de ondas gravitacionales continuas de binarios de agujeros negros supermasivos individuales», dijo el autor al director de investigación de Space.com, Andrew Casey-Clyde, estudiante de doctorado en la Universidad de Connecticut y académico visitante en la Universidad de Yale.
«Nuestros resultados significan que estas búsquedas dirigidas tendrán hasta siete veces más probabilidades de encontrar ondas gravitacionales provenientes de un agujero negro supermasivo binario en un cuásar que de una galaxia masiva aleatoria», dijo Casey-Clyde.
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Irónicamente, el descubrimiento del equipo comenzó con una observación algo decepcionante. En 2015, el Catalina Real-time Transient Survey (CRTS), realizado por tres telescopios que cubren una gran área del cielo, sugirió que 111 cuásares con curvas de luz periódicas podrían ser candidatos binarios a agujeros negros supermasivos.
Sin embargo, utilizando el zumbido del universo recién medido, llamado «fondo de ondas gravitacionales», Casey-Clyde y sus colegas determinaron que la mayoría de estos candidatos a quásares binarios probablemente eran detecciones falsas.
«Incluso después de corregir la gran cantidad de falsos positivos en las muestras binarias candidatas a CRTS, este trabajo muestra que es más probable que los cuásares alberguen binarios de agujeros negros supermasivos que galaxias aleatorias», dijo Clyde.
Detrás de los objetos más brillantes del universo se encuentran agujeros negros supermasivos
Algunos agujeros negros supermasivos están rodeados por una gran cantidad de materia, en forma de una nube aplanada de gas y polvo llamada disco de acreción que los alimenta gradualmente de materia. La inmensa influencia gravitacional de estos agujeros negros supermasivos genera poderosas fuerzas de marea en los discos de acreción, que provocan una fricción que calienta esta materia y la hace brillar intensamente en todo el espectro electromagnético.
Además, la materia que no alimenta el agujero negro se canaliza hacia sus polos, donde se proyecta en forma de chorros de alta energía altamente colimados. Estos chorros también emiten radiación electromagnética. Debido a estos fenómenos, estas regiones centrales de la galaxia, llamadas «núcleos galácticos activos» (AGN), vistas como quásares, pueden ser tan brillantes que eclipsan la luz combinada de todas las estrellas de la galaxia que las rodean.
A menudo, el agujero negro supermasivo se alimenta y puede generar así un cuásar porque se encuentra en una galaxia que se ha fusionado con otra galaxia de tamaño similar. Esta colisión actúa como un Grubhub cósmico, trayendo un nuevo suministro de gas y polvo al agujero negro. La fusión galáctica también une dos agujeros negros supermasivos.
Los cuásares binarios son sistemas binarios de agujeros negros supermasivos con actividad de cuásar asociada que se origina en un disco de acreción que rodea los dos agujeros negros supermasivos del binario.
“Sabemos que los quásares pueden ser activados por grandes fusiones de galaxias, donde
dos galaxias de masa similar se fusionan. Estas fusiones también conducen a la
«La posible formación de un agujero negro supermasivo binario», dijo Casey-Clyde. «Dado que los binarios de agujeros negros supermasivos se forman a partir de fusiones de galaxias importantes, y estas fusiones pueden desencadenar quásares, esto sugiere que algunos quásares podrían estar asociados con binarios de agujeros negros supermasivos».
A los binarios de agujeros negros supermasivos no les gustan sus quásares demasiado brillantes
Para esta investigación, el equipo estudió específicamente cuásares cuyas emisiones de luz se repiten durante un período de tiempo definido, emisiones conocidas como curvas de luz periódicas. Las simulaciones han sugerido que las curvas de luz periódicas asociadas con los cuásares podrían ser la firma de un binario de agujero negro supermasivo. En el centro de su estudio se encontraba un conjunto de púlsares de estrellas de neutrones giratorios de alta precisión llamado conjunto de púlsares NANOGrav. Los púlsares, que giran cientos de veces por segundo, pueden utilizarse como un cronómetro cósmico muy sensible cuando se ven en masa.
El año pasado, el conjunto de púlsares NANOGrav detectó la débil señal de ondas gravitacionales de fondo provenientes de la fusión de agujeros negros distantes, y el equipo pudo utilizar esta detección para limitar la población binaria de agujeros negros supermasivos. Luego, los púlsares de NANOGrav ayudaron al equipo a imponer restricciones a la población de cuásares.
Debido a que el equipo utilizó una combinación de observaciones electromagnéticas de quásares y detecciones de ondas gravitacionales del conjunto de púlsares NANOGrav, la investigación es un ejemplo de «astronomía de múltiples mensajeros»: investigaciones del universo que utilizan al menos dos señales completamente diferentes al unísono.
“La astronomía de múltiples mensajeros fue crucial para limitar la población de cuásares binarios en este trabajo. Específicamente, debido a que los cuásares binarios son un subconjunto de las poblaciones binarias de cuásares y agujeros negros supermasivos, las limitaciones de cada uno de ellos también son limitaciones de la población de cuásares binarios”, dijo Casey-Clyde. “Durante mucho tiempo hemos sospechado que los quásares podrían señalar binarios de agujeros negros supermasivos debido a sus vínculos con importantes fusiones de galaxias. Ahora hemos demostrado que esta asociación sigue siendo plausible, incluso después de tener en cuenta la contaminación en la muestra CRTS. »
Los resultados también sorprendieron a Casey-Clyde y su equipo, porque descubrieron que los quásares más brillantes tienen menos probabilidades de albergar un binario de agujero negro supermasivo que los quásares más tenues.
“El hecho de que los candidatos a quásares binarios más brillantes sean los que tienen menos probabilidades de ser genuinos es sorprendente. Sin embargo, tiene sentido si se considera la rareza de los binarios de agujeros negros supermasivos de gran masa”, dijo Casey-Clyde. “Esto se debe a que los cuásares binarios más brillantes deben estar asociados con los binarios de agujeros negros supermasivos más masivos. Sin embargo, los binarios de agujeros negros supermasivos más masivos son raros porque se fusionan con relativa rapidez. »
Esto significa que los binarios de agujeros negros supermasivos de menor masa pasan más tiempo dentro del alcance de estos objetos de lo que los conjuntos de sincronización de púlsares pueden detectar y, por lo tanto, es mucho más probable que sean detectados.
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Casey-Clyde agregó que las búsquedas específicas de ondas gravitacionales son uno de los próximos pasos más importantes en esta investigación, y agregó que el equipo también tiene la intención de buscar pares de agujeros negros muy separados que representen la etapa previa a la formación de una binaria de supermasivos cercanos. agujeros negros.
“En particular, la detección de ondas gravitacionales provenientes de una galaxia que alberga un quásar nos permitirá probar cómo el movimiento orbital de un agujero negro supermasivo binario se imprime en una
“La búsqueda de AGN dobles será importante para limitar los pares de agujeros negros supermasivos, que son precursores muy separados de los binarios de agujeros negros supermasivos resultantes de recientes fusiones de galaxias. »
Esto permitirá al equipo limitar mejor la cantidad de binarios de agujeros negros supermasivos que esperan ver en el cosmos y así comprender mejor la relación entre los cuásares y las fusiones de galaxias.
«El próximo Estudio Legado del Espacio y el Tiempo (LSST) realizado por el Observatorio Vera C. Rubin será crucial para mejorar las limitaciones de la población de cuásares binarios», concluyó Casey-Clyde. “Tendremos que esperar alrededor de una década.
«Es difícil hacer esto, porque se cree que las curvas de luz de los cuásares binarios tienen períodos del orden de varios años».
La investigación del equipo se publica como un artículo previamente revisado por pares en el sitio web del repositorio. arXiv.
