Cómo sería la colisión de dos agujeros negros supermasivos

Un nuevo modelo de simulación está acercando a los científicos a comprender los tipos de señales de luz que se producen cuando dos agujeros negros supermasivos, que tienen entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol, se dirigen en espiral hacia una colisión.

Por primera vez, una nueva simulación virtual que incorpora totalmente los efectos físicos de la teoría de la relatividad de Einstein muestra que el gas en estos sistemas brillaría predominantemente en luz ultravioleta y de rayos X.

Casi todas las galaxias del tamaño de nuestra Vía Láctea o más grandes contienen un agujero negro monstruoso en su centro. Las observaciones muestran que las fusiones de galaxias ocurren con frecuencia en el universo, pero hasta ahora nadie había visto una fusión de estos agujeros negros gigantes.

Hasta ahora los científicos han detectado la fusión de agujeros negros de masa estelar, que son aquellos que van desde desde tres a varias docenas de masas solares, utilizando el Observatorio de Ondas Gravitacionales de Interferómetro Láser (LIGO) de la National Science Foundation. Las ondas gravitacionales son ondas del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Se crean cuando los objetos en órbita masiva, como los agujeros negros y las estrellas de neutrones, forman espirales y se fusionan.

Las fusiones supermasivas son mucho más difíciles de encontrar que sus primos de masa estelar. Una razón por la que los observatorios terrestres no pueden detectar las ondas gravitacionales de estos eventos es porque la Tierra en sí misma es demasiado ruidosa, debido a las vibraciones sísmicas y los cambios gravitacionales de las perturbaciones atmosféricas. Los detectores deben estar en el espacio, como la Antena Espacial del Interferómetro Láser (LISA) dirigida por la ESA (Agencia Espacial Europea) y prevista para su lanzamiento en la década de 2030.

Pero los agujeros negros binarios supermasivos que se acercan a la colisión pueden tener una cosa de la que carecen los agujeros negros binarios de masa estelar: un entorno rico en gas. Los científicos sospechan que la explosión de una supernova que crea un agujero negro estelar también destruye la mayor parte del gas circundante. El agujero negro consume lo poco que queda tan rápidamente que no queda mucho para brillar cuando ocurre la fusión.

Los agujeros negros binarios supermasivos, por otro lado, resultan de fusiones de galaxias. Cada gran agujero negro trae consigo una comitiva de nubes de polvo y gas, estrellas y planetas. Los científicos creen que una colisión de galaxias impulsa gran parte de este material hacia los agujeros negros centrales, que lo consumen 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, y los astrónomos podrían ser capaces de ver el proceso.

La nueva simulación muestra tres órbitas de un par de agujeros negros supermasivos que están 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 ultravioleta con algunos rayos X de alta energía, similar a lo 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 anillo grande que rodea todo el sistema, llamado el disco circumbinario, y dos más pequeñas alrededor de cada agujero negro, llamadas mini discos. Todos estos objetos emiten predominantemente luz ultravioleta. Cuando el gas fluye a un mini disco a alta velocidad, 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 rayos X..

La simulación se realizó en el superordenador Blue Waters en la Universidad de Illinois.

Más información en la web de NASA Goddard.