estás leyendo...
Papers recientes

Tango de agujeros negros en un cuásar lejano

Título: Relativistic boost as the cause of periodicity in a massive black-hole binary candidate
Autores: Daniel J. D’Orazio, Zoltán Haiman & David Schiminovich
Institución del primer autor: Department of Astronomy, Columbia University
Estado: Publicado en Nature [open access]
Astrobites originalSupermassive Black Holes Tango in a Distant Quasar

 

En el centro de casi todas las galaxias yace un Agujero Negro Supermasivo (SMBH, por sus siglas en inglés), un agujero negro con una masa que va de millones a miles de millones de veces la masa del Sol. A través de la historia del Universo, las galaxias colisionan y se fusionan entre ellas, formando galaxias aún más grandes. Naturalmente, la nueva galaxia formada contendrá dos agujeros negros supermasivos en su centro, es decir, un sistema binario de agujeros negros supermasivos (SMBHB).

Estos sistemas deberían ser bastante comunes en los núcleos galácticos, dada la alta frecuencia de fusiones de galaxias. Sin embargo, rara vez se observa, y hay una muy buena razón para esto. Estos agujeros negros supermasivos pueden pasar una gran fracción de su vida (alrededor de 10 millones de años) muy cerca uno de otro, con una separación orbital de menos de 1 pc (parsec es una unidad típica de distancia en astronomía, equivalente a 3.26 años luz). Actualmente nuestros telescopios no tienen la resolución necesaria para detectar agujeros negros individuales.

A pesar de esta limitación, podemos inferir la presencia de sistemas binarios de agujeros negros supermasivos mediante la identificación de su efecto en el ambiente en que se encuentran. Un método consiste en detectar cambios periódicos en el brillo de cuásares. Este método se basa en dos supuestos: 1) se piensa que los cuásares son ocasionados mediante una fusión de galaxias, por lo que es probable que contengan agujeros negros supermasivos, y (2) cuando simulamos sistemas binarios de agujeros negros supermasivos rodeados por gas (en lo que se conoce como disco circumbinario), a medida que los agujeros negros orbitan en torno a ellos, perturban a este disco circumbinario periódicamente, ocasionando que parte del gas colapse en los agujeros negros de forma periódica. Como consecuencia de esto, el brillo del sistema binario también cambiará periódicamente (por ejemplo, ver  D’ Orazio et al. 2013).

PG1302-102 fue el primer descubrimiento de un cuásar con una variabilidad peródica (cerca de 100 nuevos descubrimientos le procedieron durante el año pasado). Tiene un período de 5.2 años y una masa de aproximadamente mil millones de masas solares. Si la periodicidad observada corresponde al período orbital del sistema binario, entonces mediante la aplicación de física Newtoniana sencilla, es posible calcular que los agujeros negros están separados por 0.01 pc, ¡una distancia muy pequeña!

 

Aumento Doppler relativista

 

Los autores de este artículo presentan una explicación interesante para la periodicidad de este cuásar. Sugieren que este sistema binario no tiene que ser alimentado periódicamente. De hecho, un acrecimiento periódico de gas resultaría en una curva de luz periódica con “estallidos”, o picos muy demarcados, mientras que la curva que se observa en PG1302-102 es suave y sinusoidal.

Los autores calcularon que los agujeros negros deberían orbitar con velocidades cercanas al 5 por ciento de la velocidad del a luz. Cuando los objetos se mueven a velocidades relativistas pueden surgir efectos interesantes debido a la relatividad especial. Por ejemplo, el brillo del objeto más luminoso en el sistema binario (típicamente el agujero negro de menor masa) aparecerá más brillante cuando se mueve hacia nosotros, y más débil cuando se aleja, incluso si el brillo es constante en el sistema de referencia del sistema binario. Esto se conoce como incremento Doppler relativista. Si la emisión óptica surge del gas que está ligado a los agujeros negros, y el cuásar contiene un sistema de agujeros negros con distinta masa (por ejemplo, si el agujero negro menos masivo tiene sólo un 5 por ciento de la masa del compañero), entonces el efecto Doppler debería dominar el brillo observado. Los autores sugieren que este incremento Doppler puede explicar la periodicidad en la emisión óptica, y de hecho, pudieron ajustar exitosamente los datos observados con este modelo Doppler. La Figura 1 muestra la curva de luz de PG1302-102, donde los puntos grises corresponden a las observaciones ópticas, y la curva negra muestra el modelo Doppler.

El efecto Doppler también estará presente en la variabilidad de la fuente en otras longitudes de onda, por ejemplo en el ultravioleta (UV). Al igual que en las frecuencias ópticas, la emisión UV también se origina del gas ligado a los agujeros negros. De acuerdo al modelo, la luz UV debería seguir a la óptica, pero con una amplitud de dos a tres a veces más grande que la luz óptica. Las amplitudes relativas están definidas por la razón entre los índices espectrales en las diferentes bandas. Mediante observaciones del Telescopio Espacial Hubble y el Galaxy Evolution Explorer (GALEX), se pudo confirmar que la curva de luz UV se ajusta a la predicción del modelo de incremento Doppler. Las observaciones en el UV cercano y el UV lejano se muestran en la Figura 1 con puntos rojos y azules, respectivamente, junto con las curvas Doppler que mejor ajustan los datos, con amplitudes 2.17 y 2.57 veces más grandes que la amplitud en el óptico. Los autores notaron que ya que la curva de luz UV no está del todo completa, hacen falta más observaciones para poner a prueba el modelo Doppler de forma más robusta.

Figura 1: Curvas de luz ópticas y UV de PG1302-102. Las observaciones en el óptico se muestran en gris, el UV cercano en rojo y el UV lejano en azul. Las curvas negra, roja y y azul muestran el modelo Doppler que mejor se ajusta a las observaciones mencionadas anteriormente. Figura 2 en el artículo original.

Resumen

 

Se cree que los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos compactos (con distancias menos a 1 parsec) son importantes fuentes de radiación gravitacional, y deberían formarse frecuentemente a través de la fusión de galaxias. A pesar de esta esperada ubicuidad, no existen muchas evidencias observacionales de su existencia. Recientemente, un cuásar periódico fue identificado e interpretado como un candidato a sistema binario de agujeros negros. Este artículo encontró evidencia de un incremento Doppler relativista a partir del análisis de las curvas de luz ópticas y UV del cuásar. Este efecto es causado por el movimiento orbital de los agujeros negros en el sistema binario, y en general no se debería originar si el cuásar alojara sólo un agujero negro supermasivo. Por lo tanto, supone evidencia a favor de la naturaleza binaria de este cuásar.

Imagen destacada: http://www.everythingselectric.com

Comentarios

Aún no hay comentarios.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.