Agujeros negros colosales encerrados en el baile en el corazón de la galaxia
Ondas en el espacio y el tiempo
La mayoría de las galaxias, si no todas, tienen monstruosos agujeros negros en sus núcleos, incluida nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Cuando las galaxias se fusionan, sus agujeros negros se «hunden» en el centro de la galaxia recién formada y finalmente se unen para formar un agujero negro aún más masivo. A medida que los agujeros negros giran uno hacia el otro, alteran cada vez más el tejido del espacio y el tiempo, enviando ondas gravitacionales, que fueron predichas por primera vez por Albert Einstein hace más de 100 años.
La Fundación Nacional de Ciencias LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser), administrado conjuntamente por Caltech y el MIT, detecta ondas gravitacionales de pares de agujeros negros de hasta decenas de veces la masa de nuestro sol. Sin embargo, los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias tienen entre millones y miles de millones de veces más masa que nuestro sol y emiten frecuencias de ondas gravitacionales más bajas que las detectadas por LIGO.
En el futuro, los conjuntos de sincronización de púlsares, que consisten en un conjunto de estrellas muertas pulsantes monitoreadas con precisión por radiotelescopios, deberían poder detectar ondas gravitacionales de agujeros negros supermasivos de este peso. (La próxima misión de la Antena espacial del interferómetro láser, o LISA, detectaría la fusión de agujeros negros cuyas masas son de 1000 a 10 millones de veces mayores que la masa de nuestro sol). Hasta ahora, ninguno No se ha registrado ninguna onda gravitatoria de ninguno de estos fuentes más pesadas, pero PKS 2131-021 proporciona el objetivo más prometedor hasta la fecha.
Mientras tanto, las ondas de luz son la mejor opción para detectar agujeros negros supermasivos coalescentes.
El primero de estos candidatos, OJ 287, también exhibe variaciones periódicas en la luz de radio. Estas fluctuaciones son más irregulares y no sinusoidales, pero sugieren que los agujeros negros orbitan cada nueve años. Los agujeros negros del nuevo cuásar, PKS 2131-021, orbitan cada dos años y están separados por 2000 unidades astronómicas, unas 50 veces la distancia entre nuestro sol y Plutón, o de 10 a 100 veces más cerca que el par OJ. 287. (Una unidad astronómica es la distancia entre la tierra y el sol).
Revelando la curva de luz de 45 años
Readhead dice que los descubrimientos se desarrollaron como una «buena historia de detectives», comenzando en 2008, cuando él y sus colegas comenzaron a usar el telescopio de 40 metros de OVRO para estudiar cómo los agujeros negros convierten los materiales que «alimentan» en chorros relativistas, o chorros que se mueven a alta velocidad. . hasta el 99,98 por ciento de la de la luz. Estaban monitoreando el brillo de más de 1,000 blazars para este propósito cuando, en 2020, notaron un solo caso.
«PKS 2131 no solo varió periódicamente, sino también sinusoidalmente», dice Readhead. «Significa que hay un patrón que podemos seguir continuamente a lo largo del tiempo». La pregunta, dice, se convirtió en cuánto tiempo dura este patrón de onda sinusoidal.
Luego, el equipo de investigación revisó los datos de radio de archivo para buscar picos anteriores en las curvas de luz que coincidieran con las predicciones basadas en las observaciones OVRO más recientes. En primer lugar, los datos de NRAO y UMRAO Very Long Baseline Array revelaron un pico de 2005 que coincidía con las predicciones. Los datos de UMRAO mostraron además que no hubo señal sinusoidal durante los 20 años anteriores a esta fecha, hasta 1981, cuando se observó otro pico previsto.
«La historia habría terminado ahí, porque no nos dimos cuenta de que había datos sobre este objeto hasta 1980», dijo Readhead. «Pero luego Sandra se hizo cargo de este proyecto en junio de 2021. Si no fuera por ella, este gran hallazgo estaría en el estante».
O’Neill comenzó a trabajar con Readhead y el segundo autor del estudio, Sebastian Kiehlmann, becario postdoctoral en la Universidad de Creta y ex investigador de Caltech, en el estudio de Caltech. Beca de investigación de verano de pregrado (NAVEGAR). O’Neill comenzó la universidad con una especialización en química, pero se hizo cargo del proyecto de astronomía porque quería mantenerse activa durante la pandemia. «Me di cuenta de que estaba mucho más entusiasmada con eso que con cualquier otra cosa en la que hubiera trabajado», dice.
Con el proyecto nuevamente sobre la mesa, Readhead revisó la literatura y descubrió que el Observatorio Haystack había realizado observaciones de radio de PKS 2131-021 entre 1975 y 1983. Estos datos revelaron otro pico consistente con sus predicciones, esta vez ocurrió en 1976.
«Este trabajo demuestra el valor de monitorear con precisión estas fuentes durante muchos años para hacer descubrimientos científicos», dice el coautor Roger Blandford, Académico Distinguido de Moore en Astrofísica Teórica en Caltech, actualmente en año sabático de la Universidad de Stanford.
como un reloj
Readhead compara el sistema de chorro de ida y vuelta con un reloj que hace tictac, donde cada ciclo o período de la onda sinusoidal corresponde a la órbita de dos años de los agujeros negros (aunque el ciclo observado es en realidad de cinco años). por la expansión del universo). Este tictac se observó por primera vez en 1976 y continuó durante ocho años antes de desaparecer durante 20 años, probablemente debido a cambios en el suministro de energía del agujero negro. Hace 17 años que el tic-tac ha vuelto.
«El reloj siguió corriendo», dice, «la estabilidad del período durante esta brecha de 20 años sugiere fuertemente que este blazar no alberga un agujero negro supermasivo, sino dos agujeros negros supermasivos que orbitan uno alrededor del otro».
La física subyacente a las variaciones sinusoidales fue al principio un misterio, pero Blandford ideó un modelo simple y elegante para explicar la forma sinusoidal de las variaciones.
“Sabíamos que esa hermosa onda sinusoidal tenía que decirnos algo importante sobre el sistema”, dice Readhead. «El modelo de Roger nos muestra que es simplemente el movimiento orbital lo que hace esto. Antes de que Roger lo descubriera, nadie había descubierto que un binario con un jet relativista tendría una curva de luz que se veía así».
Kiehlmann dice: «Nuestro estudio proporciona un modelo sobre cómo buscar tales binarios blazar en el futuro».
Cartas del Diario Astrofísico estudio titulado «La fenomenología inesperada de Blazar PKS 2131-021: un candidato binario de agujero negro supermasivo únicofue financiado por Caltech, Max Planck Institute for Radio Astronomy, NASA, National Science Foundation (NSF), Academy of Finland, European Research Council, ANID-FONDECYT (Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo- Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico en Chile) , el Consejo de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá, la Fundación para la Investigación y la Tecnología – Hellas en Grecia, la Fundación Helénica para la Investigación y la Innovación en Grecia y la Universidad de Michigan Otros autores de Caltech incluyen a Tim Pearson, Vikram Ravi, Kieran Cleary, Matthew Graham y Tom Prince Otros autores del Laboratorio de Propulsión a Chorro, operado por Caltech para la NASA, incluyen a Michele Vallisneri y Joseph Lazio.
