Dentro de un par de agujeros negros supermasivos fusionados, una nueva forma de medir el vacío

Los científicos han descubierto una forma de medir las «sombras» de dos agujeros negros supermasivos en colisión, dando a los astrónomos una herramienta potencialmente nueva para medir agujeros negros en galaxias distantes y probar teorías alternativas de la gravedad.

Hace tres años, el mundo quedó atónito con la primera imagen de un agujero negro. Un pozo negro de la nada rodeado por un anillo de luz ardiente. Esta imagen icónica de[{» attribute=»»>black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

Una simulación de lentes gravitacionales en un par de agujeros negros supermasivos fusionados. 1 crédito

La técnica tiene sólo dos requisitos. Primero, necesitas un par de agujeros negros supermasivos que se fusionen. En segundo lugar, debe mirar a la pareja desde un ángulo casi lateral. Desde esta perspectiva lateral, cuando un agujero negro pasa frente a otro, debería poder ver un destello de luz cuando el anillo de luz del agujero negro más lejano es amplificado por el agujero negro más cercano a usted, un fenómeno es lo que se llama lente gravitacional.

El efecto de lente es bien conocido, pero lo que los investigadores descubrieron aquí fue una señal oculta: una caída característica en el brillo correspondiente a la «sombra» del agujero negro en la parte trasera. Este oscurecimiento sutil puede durar desde unas pocas horas hasta unos pocos días, dependiendo de la masa de los agujeros negros y la estrechez de sus órbitas. Si mide la duración de la depresión, dicen los investigadores, puede estimar el tamaño y la forma de la sombra proyectada por el horizonte de eventos del agujero negro, el punto de no salida, donde nada escapa, ni siquiera la luz.

En esta simulación de un par de agujeros negros supermasivos fusionados, el agujero negro más cercano al espectador se acerca y, por lo tanto, aparece azul (imagen 1), magnificando el agujero negro desplazado hacia el rojo por lentes gravitacionales. A medida que el agujero negro más cercano amplifica la luz del agujero negro más lejano (imagen 2), el espectador ve un destello de luz. Pero cuando el agujero negro más cercano pasa por delante del abismo o la sombra del agujero negro más lejano, el espectador ve una ligera caída en el brillo (imagen 3). Esta caída en el brillo (3) es claramente visible en los datos de la curva de luz debajo de las imágenes. 1 crédito

«Se necesitaron años y un esfuerzo considerable por parte de docenas de científicos para crear esta imagen de alta resolución de los agujeros negros de M87», dijo el primer autor del estudio, Jordy Davelaar, becario postdoctoral en Columbia y el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron. «Este enfoque solo funciona para los agujeros negros más grandes y cercanos: el par en el núcleo de M87 y, potencialmente, nuestra propia Vía Láctea».

Agregó: “Con nuestra técnica, mides el brillo de los agujeros negros a lo largo del tiempo, no tienes que resolver cada objeto en el espacio. Debería ser posible encontrar esta señal en muchas galaxias.

La sombra de un agujero negro es su característica más misteriosa e informativa. «Esta mancha oscura nos informa sobre el tamaño del agujero negro, la forma del espacio-tiempo que lo rodea y cómo la materia cae en el agujero negro cerca de su horizonte», dijo el coautor Zoltan Haiman, profesor de física en Columbia.

Al observar una fusión de agujeros negros supermasivos desde un lado, el agujero negro más cercano al espectador magnifica aún más el agujero negro a través de lentes gravitacionales. Los investigadores descubrieron una breve caída en el brillo correspondiente a la «sombra» del agujero negro más distante, lo que permite al espectador medir su tamaño. Crédito: Nicoletta Baroloini

Las sombras de los agujeros negros también pueden contener el secreto de la verdadera naturaleza de la gravedad, una de las fuerzas fundamentales de nuestro universo. La teoría de la gravedad de Einstein, conocida como relatividad general, predice el tamaño de los agujeros negros. Así que los físicos los buscaron para probar teorías alternativas de la gravedad en un esfuerzo por reconciliar dos ideas contrapuestas sobre cómo funciona la naturaleza: la relatividad general de Einstein, que explica los fenómenos a gran escala, como los planetas en órbita y el universo en expansión, y la física cuántica, que explica cómo los pequeños partículas como electrones y fotones pueden ocupar múltiples estados a la vez.

Los investigadores se interesaron en la llamarada de los agujeros negros supermasivos después la localización un presunto par de agujeros negros supermasivos en el centro de una galaxia distante en el universo primitivo.[{» attribute=»»>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010