‘Sombras’ escaladas de dos agujeros negros supermasivos en proceso de colisión

En proceso de fusión de agujeros negros supermasivos, una nueva forma de medir el vacío

Los científicos han descubierto una forma de cuantificar las ‘sombras’ de dos agujeros negros supermasivos en el proceso de colisión, dando a los astrónomos una nueva herramienta potencial para medir agujeros negros en galaxias distantes y probar teorías gravitacionales alternativas.

Hace tres años, el mundo quedó atónito con la primera imagen de un agujero negro. Un agujero negro de la nada rodeado por un anillo de luz ardiente. Esa imagen icónica de[{» attribute=»»>black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

Simulación de lentes gravitacionales en un par de agujeros negros compactos supermasivos. Crédito: Jordi Devalar

Esta técnica tiene sólo dos requisitos. Primero, necesitas un par de agujeros negros supermasivos en medio de una fusión. En segundo lugar, debe mirar el par aproximadamente en un ángulo lateral. Desde esta vista lateral, cuando un agujero negro pasa frente a otro, debería poder ver un destello de luz brillante a medida que el anillo brillante del agujero negro es magnificado por el agujero negro más cercano a usted, un fenómeno conocido como lentes gravitacionales.

El efecto de la lente es bien conocido, pero lo que los investigadores descubrieron aquí fue una señal sutil: una caída característica en el brillo correspondiente a la «sombra» del agujero negro en el fondo. Esta atenuación sutil puede durar desde unas pocas horas hasta unos pocos días, según el tamaño de los agujeros negros y cuán entrelazadas estén sus órbitas. Si mide cuánto dura la caída, dicen los investigadores, puede estimar el tamaño y la forma de la sombra creada por el horizonte de eventos de un agujero negro, el punto sin salida, donde nada escapa, ni siquiera la luz.

En esta simulación de un par de agujeros negros fusionados supermasivos, el agujero negro más cercano al espectador se acerca y, por lo tanto, aparece azul (Cuadro 1), inflando el agujero negro desplazado hacia el rojo detrás a través de una lente gravitacional. A medida que el agujero negro más cercano amplifica la luz del agujero negro más lejano (Cuadro 2), el espectador ve un destello de luz brillante. Pero cuando el agujero negro más cercano pasa frente a un abismo o la sombra del agujero negro más lejano, el espectador ve una ligera disminución en el brillo (Cuadro 3). Esta disminución en el brillo (3) es claramente visible en los datos de la curva de luz debajo de las imágenes. Crédito: Jordi Devalar

«Tomó años y un tremendo esfuerzo por parte de docenas de científicos hacer esa imagen de alta resolución de los agujeros negros M87», dijo el primer autor del estudio, Jordi Davilar, un postdoctorado en Columbia y el Centro Flatiron de Astrofísica Computacional. «Este enfoque solo funciona con los agujeros negros más grandes y cercanos: el par en el núcleo de M87 y posiblemente nuestra Vía Láctea».

Añadió: «Con nuestro método, se mide el brillo de los agujeros negros a lo largo del tiempo y no es necesario resolver espacialmente cada objeto. Debería ser posible encontrar esta señal en muchas galaxias».

La sombra del agujero negro es su característica más misteriosa e instructiva. «Ese punto oscuro nos informa sobre el tamaño del agujero negro, la forma del espacio-tiempo a su alrededor y cómo la materia cae en el agujero negro cerca de su horizonte», dijo el coautor Zoltan Haiman, profesor de física en la Universidad de Columbia.

Cuando se observa la fusión de un agujero negro supermasivo desde un lado, el agujero negro más cercano al espectador agranda el agujero negro más alejado por el efecto de una lente gravitacional. Los investigadores detectaron una breve caída en el brillo correspondiente a la «sombra» del agujero negro distante, lo que permitió al espectador medir su tamaño. Crédito: Nicoletta Barolwini

Las sombras de un agujero negro pueden ocultar el secreto de la verdadera naturaleza de la gravedad, una de las fuerzas fundamentales de nuestro universo. La teoría de la gravedad de Einstein, conocida como relatividad general, predice el tamaño de los agujeros negros. Por lo tanto, los físicos los han buscado para probar teorías alternativas de la gravedad en un esfuerzo por reconciliar dos ideas contrapuestas sobre cómo funciona la naturaleza: la relatividad general de Einstein, que explica fenómenos a gran escala como la rotación planetaria y un universo en expansión, y la física cuántica, que explica cómo las partículas pequeñas como los electrones y los fotones ocupan múltiples estados simultáneamente.

Los investigadores se interesaron en encender agujeros negros supermasivos a continuación Capataz Un par sospechoso de agujeros negros supermasivos en el centro de una galaxia distante en el universo primitivo.[{» attribute=»»>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010