A principios de este año, los astrónomos descubrieron lo que parecía ser un par de agujeros negros supermasivos que girando hacia una colisión tan poderosa que enviaría un estallido de ondas gravitatorias como olas a través de la estructura del espacio-tiempo
Astrónomos de la Universidad de Columbia han proporcionado pruebas de que un par de agujeros negros que orbitan apretadamente uno alrededor del otro son la causa de los destellos rítmicos de luz procedentes del cuásar PG 1.302-102. Sobre la base de los cálculos de la masa de la pareja —juntos, y la relación de una con la otra— los investigadores llegaron a la predicción de una fusión catastrófica dentro de 100.000 años, un tiempo increíblemente largo para los humanos pero un parpadeo en el tiempo para una estrella o un agujero negro. Moviéndose juntos en espiral a 3.500 millones de años luz de distancia de nosotros, bien en las profundidades de la constelación de Virgo, la pareja está separada por apenas una semana-luz. En contraste, el par de agujeros negros más cercano que se ha confirmado tiene una separación de 20 años-luz.
“Este es lo más cercano que hemos llegado de la observación de dos agujeros negros en camino a una colisión masiva”, dijo el autor principal del estudio, Zoltan Haiman, astrónomo de Columbia. “Ver la culminación de este proceso nos puede decir si los agujeros negros y las galaxias crecen a la misma velocidad, y probar por fin una propiedad fundamental del espacio-tiempo: su capacidad para transmitir a través suyo vibraciones llamadas ondas gravitacionales, producidas en la última etapa, más violenta, de la fusión”.
En el centro de la mayoría de las galaxias gigantes, incluyendo la nuestra, la Vía Láctea, se encuentra un agujero negro supermasivo tan denso que ni siquiera la luz puede escapar. Con el tiempo, los agujeros negros crecen y crecen —millones a miles de millones de veces más masivos que el Sol— engullendo estrellas, galaxias e incluso a otros agujeros negros.
Se puede detectar un agujero negro supermasivo canibalizando a otro por el misterioso parpadeo de un cuásar, el faro de luz producido por los agujeros negros cuando incineran el gas y polvo que gira alrededor de ellos. Normalmente, los cuásares brillan y se apagan al azar, pero cuando dos agujeros negros están a punto de unirse, el cuásar parece que parpadea a intervalos regulares, como una bombilla con temporizador.
Recientemente, un equipo dirigido por Matthew Graham, astrónomo computacional en el Instituto de Tecnología de California, diseñó un algoritmo para seleccionar la repetición de señales de luz de 247.000 cuásares monitoreados por telescopios en Arizona y Australia. De los 20 pares de candidatos de agujeros negros descubiertos, se centraron en el más convincente y brillante cuásar: PG 1302 a 102. En un estudio de enero en la revista Nature, demostraron que PG 1302-102 parecía acrecentar su brillo un 14 por ciento cada cinco años, lo que indica que el par está a menos de una décima parte de un año luz de distancia.
Intrigado, Haiman y sus colegas se preguntaron si podían construir un modelo teórico para explicar la repetición de la señal. Si los agujeros negros eran tan cerca como ellos predijeron, uno tenía que estar dando vueltas alrededor de una contraparte mucho más grande a casi una décima parte de la velocidad de la luz, fue su hipótesis. A esa velocidad, el agujero negro más pequeño parecería brillar más al acercarse a la línea de visión de la Tierra bajo el efecto Doppler relativista de un haz de radiación cuya fuente se mueve.
Si esto es correcto, predijeron que encontrarían un ciclo de cinco años en las emisiones ultravioletas del quásar, con sólo dos veces y medio más variación en su intensidad. Analizando las observaciones de UV recogidas por los telescopios espaciales de la NASAHubble y GALEX, encontraron exactamente eso.
Entre las explicaciones anteriores de la señal repetitiva se incluye una deformación en los discos de escombros que orbitan alrededor de los agujeros negros, una oscilación en el eje de un agujero negro, y un disco de escombros ladeado porque un agujero negro atrae el material del otro, todo creando la impresión de un parpadeo periódico al verlo desde la Tierra.
El nuevo estudio también ofrece una nueva técnica para la investigación de otros agujeros negros convergentes, dijeron los investigadores. Al estimar la masa combinada y relativa de los agujeros negros de PG 1302-102, ellos redujeron el tiempo predicho para el choque del par a entre 20.000 y 350.000 años a partir de ahora, con la mejor estimación en 100.000 años. (El tiempo de impacto previsto por el equipo de Graham era entre 10.000 a varios millones de años a partir de ahora, con la mejor estimación en 250.000 años).
“Podemos empezar a poner números a las tasas a que los agujeros negros se juntan y se unen en agujeros negros más grandes, y utilizar lo que estamos aprendiendo para buscar más pares de agujeros negros”, dijo el coautor del estudio David Schiminovich, astrónomo de Columbia.
Un aumento en la cantidad de descubrimientos de agujeros negros binarios ha causado que los astrónomos esperen que se pueda detectar una colisión en la próxima década. Este verano, Graham y sus colegas informaron otros 90 candidatos, mientras que los astrónomos de Columbia esperan dar a conocer pronto descubrimientos propios a partir de datos recogidos en el Observatorio Palomar en California.
Con más agujeros negros para ver, crece la oportunidad de ser testigos de un choque y de las ondas gravitacionales predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein, pero que aún no se han detectado.
“La detección de ondas gravitacionales nos permite sondear los secretos de la gravedad y probar la teoría de Einstein en el ambiente más extremo en nuestro universo: los agujeros negros”, dijo el autor principal del estudio, Daniel D’Orazio, un estudiante graduado en Columbia. “Llegar allí es un santo grial de nuestro campo.”
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