Observar (con luz) lo invisible: La colisión de dos agujeros negros

Título: Candidate Electromagnetic Counterpart to the Binary Black Hole Merger Gravitational-Wave Event S190521g 
Autores: M. J. Graham et al. 
Institución del primer autor: Cahill Center for Astronomy and Astrophysics, California Institute of Technology
arXiv: arXiv:2006.14122 [astro-ph.HE], Phys. Rev. Lett. 124, 251102, 2020. 

Hace un par de años casi todos los observatorios del mundo observaron un evento espectacular; GW170817/GRB170817A/AT2017gfo. Este evento, inicialmente observado en el espectro gravitacional, fue causado por la colisión de dos estrellas de neutrones que se fusionaron. Dado que las estrellas de neutrones tienen una superficie, i.e., no tienen un horizonte de eventos como los agujeros negros, emiten luz y durante la colisión bastante material es eyectado, lo cual permitió observar esta colisión en (casi) todas las longitudes de onda en las cuales tenemos un telescopio operando. 

En principio, todos los eventos de colisión de objetos compactos que involucran una estrella de neutrones deberían emitir ondas en el espectro electromagnético. Sin embargo, GW170817 ha sido el único evento, hasta ahora, observado en ondas gravitacionales que también fue observado en el espectro electromagnético. ¿Por qué no se han visto otros? La razón principal consiste en la dificultad de localizar los eventos en el cielo una vez son observados gravitacionalmente. Cuando la colaboración LIGO-Virgo observa un evento, se envía una alerta a otros observatorios. Sin embargo, la parte del cielo que se debe observar es bastante grande y resulta muy difícil encontrar la señal con precisión antes de que desaparezca. La localización mejorará cuando hayan más observatorios de ondas gravitacionales, adicionales a los tres activos de la colaboración LIGO-Virgo. 

La mayoría de los modelos de población de agujeros negros, predicen que estos se fusionan en “cementerios” estelares, donde hay poco gas o polvo que pueda calentarse y brillar cuando colisionan. Sin embargo, el evento S190521g nos ha dado una sorpresa. Este evento (aún no confirmado) fue clasificado como la posible fusión de dos agujeros negros con un 97% de certeza. Ocurrió a una distancia de aproximadamente 4000 Mpc y fue observado por los dos detectores de LIGO y por el detector VIRGO el 21 de mayo de 2019 a las 03∶02∶29 UTC, ver Figura 1.

El equipo liderado por Graham ha estado trabajando recientemente en un modelo alternativo al usual, en el que la fusión de agujeros negros de masas estelares se produce en un ambiente más enriquecido que involucra un cuásar. Los cuásares, los objetos más brillantes del universo, son agujeros negros supermasivos, situados en el núcleo activo de una galaxia (AGN, por su siglas en inglés), que acretan la materia que encuentra en su vecindad, generando así bastante energía que es liberada en forma de ondas de radio, luz, infrarrojo, ultravioleta y rayos X. Bajo el escenario propuesto, si dos agujeros negros se fusionan dentro de ese disco, el material a su alrededor hará que el cuásar brille un poco más de lo normal brevemente, i.e., se produce una llamarada o flare.

Para probar esta hipótesis, el equipo de investigadores e investigadoras examinó los datos del Zwicky Transient Facility (ZTF). El ZTF está compuesto de 16 cámaras CCD de 6144 x 6160 pixeles adaptadas al telescopio Samuel Oschin de 48 pulgadas ubicado en el Observatorio Palomar, en California, Estados Unidos. Este arreglo de cámaras es capaz de cubrir 47 grados cuadrados de cielo, lo cual permite producir una imagen cada 30 segundos y registrar objetos de una magnitud hasta 21,5. El ZTF identifica objetos en el cielo que cambian rápidamente de brillo a longitudes de onda visibles. 

El equipo comparó el catálogo de ZTF con las 21 alertas emitidas por la colaboración LIGO-Virgo en 2019. Cada una de estas alertas notifica a los astrónomos sobre una posible señal de onda gravitacional, incluidas las coordenadas aproximadas de la fuente. A través de su análisis, Graham y sus colegas encontraron una llamarada (flare) en un cuásar que apareció en la misma región del cielo que la fusión del candidato del 21 de mayo, pero alrededor de 34 días después, ver Figura 2. 

Se sabe que los cuásares varían en brillo, pero el equipo demostró que la forma observada es inconsistente con las variaciones observadas anteriormente en la emisión de este cuásar. La falta de evolución del color implica que no es una supernova y, en cambio, sugiere fuertemente un choque de temperatura constante, lo cual se produce cuando dos objetos compactos colisionan. 

De esta manera, el análisis presentado sugiere la primera observación electromagnética de la fusión de una binaria de agujeros negros dentro de un disco de un AGN. El Universo no para de sorprendernos.