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Agujeros negros colosales encerrados en una danza cósmica épica en el corazón de la galaxia



El concepto de este artista muestra dos agujeros negros supermasivos candidatos en el núcleo de un cuásar llamado PKS 2131-021. En esta vista del sistema, se puede ver la gravedad del agujero negro en primer plano (derecha) torciendo y distorsionando la luz de su compañero, que tiene un chorro fuerte. Cada agujero negro tiene aproximadamente cien millones de veces la masa de nuestro sol, siendo el agujero negro en primer plano un poco menos masivo. Crédito: Caltech/R. Lesionado (IPAC)

Los astrónomos encuentran evidencia del supermasivo más compacto[{» attribute=»»>black hole duo observed to date.

Locked in an epic cosmic waltz 9 billion light years away, two supermassive black holes appear to be orbiting around each other every two years. The two giant bodies each have masses that are hundreds of millions of times larger than that of our sun, and the objects are separated by a distance roughly 50 times that which separates our sun and Pluto. When the pair merge in roughly 10,000 years, the titanic collision is expected to shake space and time itself, sending gravitational waves across the universe.

A Caltech-led team of astronomers has discovered evidence for this scenario taking place within a fiercely energetic object known as a quasar. Quasars are active cores of galaxies in which a supermassive black hole is siphoning material from a disk encircling it. In some quasars, the supermassive black hole creates a jet that shoots out at near the speed of light. The quasar observed in the new study, PKS 2131-021, belongs to a subclass of quasars called blazars in which the jet is pointing toward the Earth. Astronomers already knew quasars could possess two orbiting supermassive black holes, but finding direct evidence for this has proved difficult.

Two Supermassive Black Holes Orbiting Each Other

Two supermassive black holes are seen orbiting each other in this artist’s loopable animation. The more massive black hole, which is hundreds of millions times the mass of our sun, is shooting out a jet that changes in its apparent brightness as the duo circles each other. Astronomers found evidence for this scenario in a quasar called PKS 2131-021 after analyzing 45-years-worth of radio observations that show the system periodically dimming and brightening. The observed cyclical pattern is thought to be caused by the orbital motion of the jet. Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Reporting in The Astrophysical Journal Letters, the researchers argue that PKS 2131-021 is now the second known candidate for a pair of supermassive black holes caught in the act of merging. The first candidate pair, within a quasar called OJ 287, orbit each other at greater distances, circling every nine years versus the two years it takes for the PKS 2131-021 pair to complete an orbit.

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The telltale evidence came from radio observations of PKS 2131-021 that span 45 years. According to the study, a powerful jet emanating from one of the two black holes within PKS 2131-021 is shifting back and forth due to the pair’s orbital motion. This causes periodic changes in the quasar’s radio-light brightness. Five different observatories registered these oscillations, including Caltech’s Owens Valley Radio Observatory (OVRO), the University of Michigan Radio Astronomy Observatory (UMRAO), MIT’s Haystack Observatory, the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), Metsähovi Radio Observatory in Finland, and NASA’s Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) space satellite.

Supermassive Black Hole Circled by a Spinning Disk of Gas and Dust

Artist’s animation of a supermassive black hole circled by a spinning disk of gas and dust. The black hole is shooting out a relativistic jet—one that travels at nearly the speed of light. Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)

The combination of the radio data yields a nearly perfect sinusoidal light curve unlike anything observed from quasars before.

“When we realized that the peaks and troughs of the light curve detected from recent times matched the peaks and troughs observed between 1975 and 1983, we knew something very special was going on,” says Sandra O’Neill, lead author of the new study and an undergraduate student at Caltech who is mentored by Tony Readhead, Robinson Professor of Astronomy, Emeritus.

Ondas en el espacio y el tiempo

La mayoría de las galaxias, si no todas, tienen monstruosos agujeros negros en sus núcleos, incluida la nuestra.[{» attribute=»»>Milky Way galaxy. When galaxies merge, their black holes “sink” to the middle of the newly formed galaxy and eventually join together to form an even more massive black hole. As the black holes spiral toward each other, they increasingly disturb the fabric of space and time, sending out gravitational waves, which were first predicted by Albert Einstein more than 100 years ago.

The National Science Foundation’s LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), which is managed jointly by Caltech and MIT, detects gravitational waves from pairs of black holes up to dozens of times the mass of our sun. However, the supermassive black holes at the centers of galaxies have millions to billions of times as much mass as our sun, and give off lower frequencies of gravitational waves than those detected by LIGO.

Radio Observations of Quasar PKS 2131–02

Three sets of radio observations of the quasar PKS 2131-02, spanning 45 years, are plotted here, with data from Owens Valley Radio Observatory (OVRO) in blue; University of Michigan Radio Astronomical Observatory (UMRAO) in brown; and Haystack Observatory in green. The observations match a simple sine wave, indicated in blue. Astronomers believe that the sine wave pattern is caused by two supermassive black holes at the heart of the quasar orbiting around each other every two years. (A period of five years was actually observed due to a Doppler effect caused by the expansion of the universe.) One of the black holes is shooting out a relativistic jet that dims and brightens periodically. Note that data from OVRO and UMRAO match for the peak in 2010, and the UMRAO and Haystack data match for the peak in 1981. The magnitudes of the peaks observed around 1980 are twice as large as those observed in recent times, presumably because more material was falling towards the black hole and being ejected at that time. Credit: Tony Readhead/Caltech

In the future, pulsar timing arrays—which consist of an array of pulsing dead stars precisely monitored by radio telescopes—should be able to detect the gravitational waves from supermassive black holes of this heft. (The upcoming Laser Interferometer Space Antenna, or LISA, mission would detect merging black holes whose masses are 1,000 to 10 million times greater than the mass of our sun.) So far, no gravitational waves have been registered from any of these heavier sources, but PKS 2131-021 provides the most promising target yet.

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In the meantime, light waves are the best option to detect coalescing supermassive black holes.

The first such candidate, OJ 287, also exhibits periodic radio-light variations. These fluctuations are more irregular, and not sinusoidal, but they suggest the black holes orbit each other every nine years. The black holes within the new quasar, PKS 2131-021, orbit each other every two years and are 2,000 astronomical units apart, about 50 times the distance between our sun and Pluto, or 10 to 100 times closer than the pair in OJ 287. (An astronomical unit is the distance between Earth and the sun.)

Sandra O'Neill

Sandra O’Neill. Credit: Caltech

Revealing the 45-Year Light Curve

Readhead says the discoveries unfolded like a “good detective novel,” beginning in 2008 when he and colleagues began using the 40-meter telescope at OVRO to study how black holes convert material they “feed” on into relativistic jets, or jets traveling at speeds up to 99.98 percent that of light. They had been monitoring the brightness of more than 1,000 blazars for this purpose when, in 2020, they noticed a unique case.

“PKS 2131 was varying not just periodically, but sinusoidally,” Readhead says. “That means that there is a pattern we can trace continuously over time.” The question, he says, then became how long has this sine wave pattern been going on?

The research team then went through archival radio data to look for past peaks in the light curves that matched predictions based on the more recent OVRO observations. First, data from NRAO’s Very Long Baseline Array and UMRAO revealed a peak from 2005 that matched predictions. The UMRAO data further showed there was no sinusoidal signal at all for 20 years before that time—until as far back as 1981 when another predicted peak was observed.

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“The story would have stopped there, as we didn’t realize there were data on this object before 1980,” Readhead says. “But then Sandra picked up this project in June of 2021. If it weren’t for her, this beautiful finding would be sitting on the shelf.”

O’Neill began working with Readhead and the study’s second author Sebastian Kiehlmann, a postdoc at the University of Crete and former staff scientist at Caltech, as part of Caltech’s Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) program. O’Neill began college as a chemistry major but picked up the astronomy project because she wanted to stay active during the pandemic. “I came to realize I was much more excited about this than anything else I had worked on,” she says.

With the project back on the table, Readhead searched through the literature and found that the Haystack Observatory had made radio observations of PKS 2131-021 between 1975 and 1983. These data revealed another peak matching their predictions, this time occurring in 1976.

“This work shows the value of doing accurate monitoring of these sources over many years for performing discovery science,” says co-author Roger Blandford, Moore Distinguished Scholar in Theoretical Astrophysics at Caltech who is currently on sabbatical from Stanford University.

Tony Readhead

Tony Readhead. Credit: Caltech

Like Clockwork

Readhead compares the system of the jet moving back and forth to a ticking clock, where each cycle, or period, of the sine wave corresponds to the two-year orbit of the black holes (though the observed cycle is actually five years due to light being stretched by the expansion of the universe). This ticking was first seen in 1976 and it continued for eight years before disappearing for 20 years, likely due to changes in the fueling of the black hole. The ticking has now been back for 17 years.

“The clock kept ticking,” he says, “The stability of the period over this 20-year gap strongly suggests that this blazar harbors not one supermassive black hole, but two supermassive black holes orbiting each other.”

The physics underlying the sinusoidal variations were at first a mystery, but Blandford came up with a simple and elegant model to explain the sinusoidal shape of the variations.

“We knew this beautiful sine wave had to be telling us something important about the system,” Readhead says. “Roger’s model shows us that it is simply the orbital motion that does this. Before Roger worked it out, nobody had figured out that a binary with a relativistic jet would have a light curve that looked like this.”

Says Kiehlmann: “Our study provides a blueprint for how to search for such blazar binaries in the future.”

Reference: “The Unanticipated Phenomenology of the Blazar PKS 2131–021: A Unique Supermassive Black Hole Binary Candidate” by S. O’Neill, S. Kiehlmann, A. C. S. Readhead, M. F. Aller, R. D. Blandford, I. Liodakis, M. L. Lister, P. Mróz, C. P. O’Dea, T. J. Pearson, V. Ravi, M. Vallisneri, K. A. Cleary, M. J. Graham, K. J. B. Grainge, M. W. Hodges, T. Hovatta, A. Lähteenmäki, J. W. Lamb, T. J. W. Lazio, W. Max-Moerbeck, V. Pavlidou, T. A. Prince, R. A. Reeves, M. Tornikoski, P. Vergara de la Parra and J. A. Zensus, 23 February 2022, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac504b

The Astrophysical Journal Letters study titled “The Unanticipated Phenomenology of the Blazar PKS 2131-021: A Unique Super-Massive Black hole Binary Candidate” was funded by Caltech, the Max Planck Institute for Radio Astronomy, NASA, National Science Foundation (NSF), the Academy of Finland, the European Research Council, ANID-FONDECYT (Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico in Chile), the Natural Science and Engineering Council of Canada, the Foundation for Research and Technology – Hellas in Greece, the Hellenic Foundation for Research and Innovation in Greece, and the University of Michigan. Other Caltech authors include Tim Pearson, Vikram Ravi, Kieran Cleary, Matthew Graham, and Tom Prince. Other authors from the Jet Propulsion Laboratory, which is managed by Caltech for NASA, include Michele Vallisneri and Joseph Lazio.

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El lanzamiento de la misión lunar CAPSTONE cubesat se pospone hasta el 6 de junio



Una pequeña nave espacial tendrá que esperar un poco más para su gran lanzamiento lunar.

La misión CAPSTONE, abreviatura de «Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment», se lanzará no antes del 6 de junio, anunció la NASA. a fines de la semana pasada (se abre en una nueva pestaña).

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La erupción del volcán Hunga Tonga-Hunga Ha’apai ha llegado al espacio



Les volcans qui explosent en panaches de magma et de cendres peuvent être suffisamment puissants pour déclencher d’énormes ondes de choc et des bangs soniques au-dessus tout en provoquant des tremblements de terre, des glissements de terrain et des vagues de tsunami plus près de la superficie. Ahora un volcán ha hecho todo lo anterior y espacio afectado.

Este tipo de fenómenos no solo ocurren en películas como pico de Dante. la Volcán Hunga Tonga-Hunga Ha’apai hace que la erupción mortal que enfrenta el vulcanólogo incondicionalmente anti-James-Bond de Pierce Brosnan apenas parezca una hoguera. Il a éclaté si violemment que non seulement il a secoué l’atmosphère et l’océan, mais la NASA a découvert que les effets s’étendaient plus loin que l’atmosphère terrestre, avec des vents assez rapides pour rivaliser avec un ouragan aux confins del espacio. Es hoy una de las perturbaciones más enormes jamás observadas en el espacio.

Además de tener un temperamento notoriamente caliente (la última erupción de Hunga Tonga-Hunga Ha’apai en 2015 arrojó cenizas a más de cinco millas hacia el cielo y en realidad formó una nueva isla a partir de todo ese vómito), el volcán submarino ahora les ha dado a los investigadores la oportunidad de vea lo que sucede cuando el clima terrestre y el clima espacial chocan. El físico de UC Berkeley, Brian Harding, realizó un estudio sobre el monstruo que escupe fuego, publicado recientemente en Cartas de investigación geofísica.

«El volcán puede enseñarnos qué tipos de ondas atmosféricas transfieren impulso y energía desde el suelo al espacio», dijo a SYFY WIRE. «Esperamos que esto represente los mecanismos que transmiten impulso y energía desde la atmósfera inferior al espacio y, finalmente, conduzcan a mejores predicciones del clima espacial».

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Hunga Tonga-Hunga Ha’apai se esconde en las profundidades del Océano Pacífico Sur occidental, frente a las islas principales de Tonga. Algunas de las olas del tsunami a su paso fueron lo suficientemente altas como para alcanzar la estratosfera, y el polvo y el gas que arrojó a la mesosfera. ICONO DE LA NASA (Explorador de conexiones ionosféricas) y Satélites Swarm de la ESA eran parte de ella. Apenas unas horas después de que el volcán activo explotara, las dos naves espaciales captaron extrañas corrientes eléctricas en la capa superior de la atmósfera, o la ionosfera.

Comprender fenómenos como este es (en su mayor parte) solo posible a través de observaciones. Simplemente no puedes recrear algo así en un laboratorio. Incluso dar sentido a las observaciones puede ser difícil cuando ocurren múltiples procesos al mismo tiempo y en el mismo lugar, lo que puede confundir la causa y el efecto.

ICON tiene su ojo en el borde del espacio. Él observa una región donde los gases pueden ser turbulentos y donde las ráfagas de viento solar transportan partículas cargadas. Cuando ocurren erupciones solares y eyecciones de masa coronal, los ataques de estas partículas pueden causar tormentas geomagnéticas que interrumpen nuestros satélites, Internet y la infraestructura de energía. La erupción de Hunga Tonga-Hunga Ha’apai fue capaz de algo que solo se suponía que podía hacer una tormenta geomagnética.

Los vientos intensos afectan las corrientes eléctricas en la ionosfera, razón por la cual ICON y Swarm detectaron algo sospechoso. Las partículas ionosféricas, principalmente electrones e iones como NO+ y O2+, crean una corriente conocida como electrochorro ecuatorial.

“No son las corrientes eléctricas en sí mismas los impactos más severos del clima espacial, sino que las corrientes eléctricas son un marcador inequívoco de cambios en el sistema de dínamo ionosférico”, dijo Harding. «Esto tiene otras implicaciones para la distribución del plasma».

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Cuando los vientos de la atmósfera inferior impulsan el electrochorro, fluye hacia el este. El plasma perturbado puede provocar que los sistemas eléctricos, de comunicación y de navegación (como el GPS) no funcionen correctamente en la Tierra. Esta erupción perturbó tanto al electrochorro que se volvió temporalmente cinco veces más poderoso de lo habitual. También experimentó un fenómeno que nada más que una poderosa tormenta geomagnética ha causado: el flujo del electrochorro en realidad se invirtió.

No es una gran sorpresa para los científicos cuando ocurre una inversión como esta, porque el Sol siempre tiene algún tipo de rabieta que envía partículas cargadas que se precipitan y, a veces, dan vueltas alrededor del electrochorro si tienen suficiente influencia. La erupción Hunga Tonga-Hunga Ha’apai también fue la inversión más fuerte que Swarm jamás haya visto, e ICON tuvo el momento y la posición adecuados para atraparla. Lo que ICON envió a tierra mostró que había una turbulencia extrema en la ionosfera. Sus observaciones se acercaron a las predicciones previas de cómo la atmósfera superior se vería afectada por una perturbación de esta magnitud.

“Antes de que podamos esperar predecir la respuesta de la atmósfera superior a una miríada de fuentes de variabilidad desde abajo, primero debemos poder predecir la respuesta de la atmósfera superior a una sola fuente como la explosión”, dijo Harding.

Lo que sucede donde termina la atmósfera y comienza el espacio apenas comienza a entenderse. Después próxima misión GDC de la NASA (Geospace Dynamics Constellation) se lanzará en 2027, monitoreará otros eventos donde terminan los confines de la Tierra y comienza la última frontera.

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La NASA comparte una hermosa imagen de la galaxia Whirlpool, Internet dice que ‘no se pueden quitar los ojos’



La galaxia espiral fue capturada con Hubbles Advanced Camera for Surveys.

Durante sus 30 años de servicio, Telescopio espacial Hubble de la NASA tomó millones de fotografías de eventos intrigantes. Ha capturado algunas de las vistas más impresionantes del universo, dando un festín a los ojos de los entusiastas del espacio. Ahora, una de esas imágenes que parece una gran escalera de caracol que se desplaza por el espacio se encuentra entre las más recientes compartidas por la agencia espacial de EE. UU.

En Twitter, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de EE. UU. compartió una imagen impresionante de la galaxia M51, también conocida como la galaxia Whirlpool. «Estamos girando en círculos… Déjate llevar por los brazos curvos de la Galaxia del Remolino, las regiones rosadas de formación de estrellas y las hebras azules brillantes de los cúmulos de estrellas», escribió la NASA en el pie de foto.

Esta «galaxia espiral hipnótica» fue capturada en luz visible con la Cámara avanzada para encuestas del Hubble. Desde que se compartió, la publicación ha acumulado más de 10,000 me gusta y cientos de comentarios.

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«Desearía que hubiera una IA que pudiera interpretar imágenes y convertirlas en música. Me encantaría saber cómo se ve esta imagen”, escribió un usuario. «Se ve tan hermosa allí, en ella y en todas las hermosas luces», agregó. otro Un tercer usuario dijo: «Qué hermoso, no puedo quitarme los ojos».

De acuerdo a un nota de prensa, la agencia espacial explicó que los elegantes y sinuosos brazos de la majestuosa galaxia espiral M51 son en realidad largas filas de estrellas y gas cubiertas de polvo. Dijo que esos brazos llamativos son una característica de las llamadas «galaxias espirales de gran diseño».

«En M51, también conocida como Whirlpool Galaxy, estos brazos tienen un propósito importante: son fábricas de formación estelar, que comprimen gas hidrógeno y crean cúmulos de nuevas estrellas», agregó la NASA.

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Además, la agencia continuó explicando que en la cautivadora imagen, el rojo representa la luz infrarroja, así como el hidrógeno en las regiones de formación de estrellas gigantes. El color azul, por otro lado, se puede atribuir a estrellas jóvenes y calientes, mientras que el color amarillo proviene de estrellas más viejas. Cabe señalar que M51 se encuentra a 31 millones de años luz de la Tierra en la constelación Canes Venatici.

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