¿Acabamos de ver dos agujeros negros fusionándose?

Título del artículo científico: Candidate Electromagnetic Counterpart to the Binary Black Hole Merger Gravitational-Wave Event S190521g

Autores: M. J. Graham, K. E. S. Ford, B. McKernan et al.

Institución del primer autor: California Institute of Technology

Estado: Publicado en Physical Review Letters

Astrobite original: Did we just see two black holes merge? por Viraj Karambelkar

Cuando dos cuerpos densos como dos agujeros negros o estrellas de neutrones colisionan, emiten ondas gravitacionales. En particular, las ondas gravitacionales de las estrellas de neutrones pueden ir acompañadas de radiación electromagnética proveniente de material eyectado durante la fusión. En contraste, como ni la luz ni la materia pueden escapar de los agujeros negros, no esperamos que la fusión de estos objetos resulte en la emisión de radiación electromagnética. Sin embargo el artículo de hoy reporta que si las condiciones fueran exactamente las correctas, una fusión de agujeros negros podría emitir luz.

¿Pero cómo pueden emitir luz los agujeros negros?

¡Alerta de propaganda engañosa! La luz no se origina en los agujeros negros, sino en el material que les rodea. Cuando dos agujeros negros de masas diferentes se fusionan, las ondas gravitacionales resultantes se llevan parte del momento del sistema. Para poder conservar el momento lineal, el agujero negro recién formado experimenta una fuerza en la dirección contraria, acelerándose a altas velocidades (alrededor de 200 km/s). Si el agujero negro está rodeado por grandes cantidades de gas, este se calienta conforme lo atraviesa. Este gas impactado y caliente puede entonces irradiar luz por hasta tres meses después de que el agujero negro lo atravesó.

¿Dónde podemos encontrar fusiones de agujeros negros “brillantes”?

Las galaxias activas son galaxias especiales que hospedan agujeros negros supermasivos en sus centros. Estos centros son llamados núcleos galácticos activos (AGN, por sus siglas en inglés), y son sitios ideales para que ocurran tales fusiones. Los agujeros negros supermasivos in los AGN recogen (o más técnicamente, acretan) enormes cantidades del material que les rodea sobre ellos mismos. Esto forma un disco de acreción grande y denso alrededor del agujero negro supermasivo. El radio de este disco es de alrededor de 0.01 parsec (en términos más intuitivos, cerca de unas mil veces la distancia entre la Tierra y el Sol. El disco contiene una gran cantidad de gas y de polvo, así como también estrellas e incluso agujeros negros. Si dos agujeros negros se fusionan dentro del disco, esperamos observar luz proveniente de la fusión  a través del proceso descrito arriba. Se espera que la emisión empiece unas pocas semanas tras la fusión y que dure unos tres meses. Este escenario es ilustrado en la figura 1.

Figura 1: Una ilustración del escenario en el cual dos agujeros negros se fusionan en un disco de AGN. El agujero negro que se forma como resultado calienta el gas al atravesarlo. El gas caliente impactado puede emitir luz, iluminando lo que de otra forma sería una oscura fusión de agujeros negros. El agujero negro supermasivo central de la galaxia observa desde la distancia. Crédito Caltech/R. Hurt.

Rastreando fusiones brillantes de agujeros negros

Los autores del artículo de hoy decidieron ir a cazar esa emisión en los AGN. Se enfocaron en todos las detecciones de fusión de agujeros negros detectadas por LIGO durante la O3a (una campaña de observación entre abril y septiembre de 2019). Por cada fusión, buscaron identificar galaxias de un catálogo de AGN que fueran consistentes con la posición de la fusión según la reportó LIGO. Luego usaron datos de la Instalación para Transitorios Zwicky (ZTF, por sus sigulas en inglés), un telescopio óptico que monitorea el cielo completo del hemisferio norte cada noche,  para comprobar si el brillo de alguno de estos AGN se incrementaba dramáticamente durante ese tiempo. ¡Y Voilà!  Encontraron un AGN, J124942.3+344929, que aumentó su brillo solo 34 días después de que LIGO detectara la fusión de agujeros negros S190521g. Este destello duró 80 días, tras los cuales retornó a su brillo inicial (un comportamiento esperado para los destellos de fusiones de agujeros negros).  Esto se muestra en la figura 2, la cual muestra la curva de luz (brillo vs tiempo) de este AGN.

Figura 2: Los dos paneles superiores muestran las curvas de luz ZTF en banda roja (r) y verde (g) del AGN J124942.3+344929, probablemente asociado con el evento de fusión de agujeros negros S190521g. La línea negra vertical señala el día en el que LIGO detectó la fusión. El destello del AGN empezó 34 días tras este evento y duró 80 días. El panel inferior muestra la evolución del color (la diferencia entre el brillo verde y el rojo) del destello. El color del destello es un indicativo de su temperatura (pequeño valor de g-r → más azul → más caliente; valor grande de g-r → más rojo → más frío). El color de este destello permaneció constante, sugiriendo que su temperatura no cambió durante ese tiempo. Crédito: Figura 2 del artículo.

¿Estamos absolutamente seguros de que este destello se debe a una fusión de agujeros negros?

Bueno, realmente no. Los AGN son conocidos por mostrar fluctuaciones intrínsecas aleatorias en su brillo, por ejemplo, cuando el agujero negro central traga material circundante. Los autores condujeron un análisis estadístico para mostrar que la probabilidad de observar un destello que fuera el resultado  de una variación aleatoria en el AGN es menor que una en 5 millones. También es posible  que este destello se pueda deber a algo como una explosión de supernova en el disco del AGN. Sin embargo, tales explosiones se vuelven más frías con el tiempo, causando que su color observado se vuelva más rojo (recuerda la física del cuerpo negro, un objeto frío aparece más rojo que un objeto caliente porque la mayor parte de de su luz se concentra en logitudes de onda más largas). El destello observado, sin embargo, permaneció aproximadamente del mismo color (como se ve en el panel 3 de la figura 2) sugiriendo que la temperatura permaneció constante, y descartando un posible origen de supernova. Entonces, aunque la verdadera naturaleza de este destello aun es un misterio, es probable que haya sido causado por dos agujeros negros chocando uno con otro.

Los autores hacen notar que, de haberse realizado, observaciones espectroscópicas tempranas de este evento podrían haber aportado un poco más de evidencia acerca de la verdadera naturaleza de este destello. También predicen que si la hipótesis de la fusión de agujeros negros es cierta, el agujero negro impulsado colisionará de nuevo con el disco dentro de ~1.6 años, causando un destello similar en el AGN. ¡Mantendrán sus ojos (y telescopios) abiertos para ver si su predicción se vuelve realidad! Si su hipótesis es correcta, los astrónomos tendrán una nueva herramienta para estudiar la física de los agujeros negros y de los discos de los AGN. Más importante aun, nos dará una experiencia extremadamente sana: ¡”ver” a un par de agujeros negros darse un abrazo!

Astrobite original editado por Graham Doskoch y Sunayana Bhargava.

Crédito de la imagen destacada: Caltech/R. Hurt (IPAC)