es lo ultimoEnfrentamiento cósmico: un par de agujeros negros supermasivos (SMBH), cada uno con una masa de millones de soles, dando vueltas con cautela y girando en espiral hacia un choque titánico. Se cree que tales fusiones culminan en las explosiones de ondas gravitacionales más enérgicas del universo, y deben ser comunes para explicar cómo los SMBH, que se encuentran en el corazón de la mayoría de las galaxias, crecen tanto. Pero a pesar de décadas de búsqueda, no se ha identificado de manera concluyente ni un solo binario SMBH. “Hemos estado en un largo período de sequía de estancamiento”, dice Jenny Greene de la Universidad de Princeton.
En una reunión este mes en la Royal Astronomical Society (RAS) en Londres, los investigadores informaron sobre búsquedas en curso que han encontrado tentadores indicios de binarios SMBH de todo el espectro electromagnético. Ninguno ha sido confirmado, pero los crecientes conjuntos de datos y los nuevos instrumentos finalmente podrían atrapar a los SMBH en sus bailes pesados. “Espero que una de estas cosas se abra paso”, dice Greene.
Los desafíos son muchos. Por definición, los agujeros negros no emiten luz propia. Las ondas gravitacionales de las colisiones SMBH se encuentran en frecuencias más allá del alcance de los detectores terrestres actuales. Y los dúos SMBH emitirían otras señales detectables solo cuando están muy juntos, separados por unos pocos años luz o menos en órbitas que duran como máximo unas pocas décadas. Con esa separación, incluso esos agujeros negros con «discos de acreción» brillantes de materia que son absorbidos por el agujero estarían demasiado cerca para ser distinguidos por los telescopios de ojos más agudos de la actualidad.
En cambio, los astrónomos buscan un comportamiento periódico extraño en la luz de los discos de acreción SMBH. Una firma podría originarse en los gases más fríos justo más allá del borde de un disco. Emiten luz en longitudes de onda específicas, que el movimiento giratorio de los gases difumina en «líneas de emisión anchas» a través del efecto Doppler.
Sin embargo, si cada SMBH en un dúo tuviera un disco de acreción, producirían dos conjuntos distintos de líneas anchas de emisión, desplazadas entre sí por el movimiento de los agujeros negros. Las observaciones repetidas pueden revelar variaciones en la posición de las líneas a medida que los SMBH giran entre sí. “Son solo pequeñas fracciones de una órbita, pero deberían ser medibles”, dice Greene.
Hace más de una década, Greene y sus colegas buscaron en datos del Sloan Digital Sky Survey, que ha registrado espectros de millones de galaxias desde el año 2000. Aunque su rastreo arrojó siete galaxias con líneas de emisión amplias duplicadas, ninguna mostró signos claros de cambiando desde entonces. “Las escalas de tiempo son demasiado cortas”, dijo Greene en la reunión de RAS. «Si [Sloan] va por otros 10 años… podemos ver señales”.
Otra táctica es buscar destellos periódicos en el brillo general de un disco de acreción, lo que podría ser una señal de una perturbación de un compañero SMBH. Por ejemplo, un SMBH en una órbita cercana pero inclinada alrededor de un compañero con un disco de acreción podría atravesar el disco dos veces por órbita, lo que provocaría una llamarada.
El año pasado, en una preimpresión publicada en arXiv, un equipo informó haber visto este tipo de llamaradas periódicas en un núcleo galáctico espiado por un telescopio de exploración óptica en California, y se estaba acelerando: de anual a mensual. El equipo creía que era la espiral de muerte final de un binario SMBH y predijo una fusión dentro de un año. “Desafortunadamente, no funcionó de esa manera”, dice el miembro del equipo Huan Yang del Perimeter Institute: El ritmo de la llamarada se volvió errático.
Otro candidato principal, conocido como OJ287, ha estallado cada 11 o 12 años desde la década de 1970. Pero su última llamarada no apareció cuando se esperaba en octubre de 2022. «OJ287 aún podría ser un binario, pero tampoco podemos descartar que no sea binario en absoluto», dice Stefanie Komossa del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR). , cuyo equipo lo monitorea desde 2015.
Greene dice que no le sorprende que la búsqueda de erupciones periódicas no haya valido la pena. Los discos de acreción son inherentemente ruidosos y pueden encenderse debido a otros eventos, como el SMBH que traga estrellas o nubes de gas. “Hay muchos candidatos, pero nadie les cree”, dice.
Otra forma en que los SMBH anuncian su presencia es a través de chorros, haces estrechos de gas ionizado disparados desde los polos del agujero negro a una velocidad cercana a la de la luz. Los iones giran alrededor de las líneas del campo magnético SMBH, produciendo radiación de sincrotrón en muchas longitudes de onda. Si el SMBH que produce el chorro está en órbita binaria, puede tambalearse como un trompo y lanzar un chorro helicoidal, dejando rastros fantasmales de gas brillante visibles en longitudes de onda de radio. Maya Horton de la Universidad de Hertfordshire dice que los rastros de gas pueden persistir durante miles o millones de años.
Al revisar archivos de imágenes de radio, Horton y sus colegas compilaron una lista de 20 candidatos con jets de formas extrañas. Esperan encontrar más cuando Low Frequency Array (LOFAR), un conjunto de antenas de radio que se extienden por el norte de Europa, publique un nuevo conjunto de datos en los próximos meses. LOFAR ha pedido a los científicos ciudadanos del proyecto Radio Galaxy Zoo que busquen curvas en las imágenes de galaxias.
Pero un SMBH solitario también puede imitar esa firma si su disco de acreción está inclinado en comparación con el giro del agujero negro. A través de un proceso conocido como arrastre de marcos, el agujero negro hace que el eje de rotación del disco oscile o haga “precesión”. Y debido a que se cree que los chorros se alinean con el eje del disco, un disco en precesión también debería producir un chorro en espiral.
Además, los teóricos aún no entienden completamente cómo funcionan los jets, y mucho menos cómo podrían afectarlos los SMBH que interactúan. “Difícilmente se pueden modelar en este momento”, dice Silke Britzen de MPIfR. Así que ella y otros observadores no pueden estar seguros de que un chorro con curvas señale un par de agujeros negros. «Estamos más o menos adivinando».
En busca de una señal más definitiva, el equipo de Britzen se acercó con observatorios de radio de alta resolución a la base del avión para ver si varía con el tiempo. Apuntaron a la galaxia en llamas OJ287, cuyo chorro se cree que apunta casi directamente a la Tierra. En 2018 publicaron un análisis de 120 imágenes realizadas durante más de 2 décadas con Very Long Baseline Array, un conjunto de 10 antenas de radio que se extienden por todo Estados Unidos cuyos datos se combinan para lograr una resolución muy alta. Descubrieron que el jet de OJ287 cambió de forma de una manera que parece repetirse cada 22 años. Su brillo siguió el mismo patrón. Resultados recientes, no publicados, muestran que la distribución de energía de OJ287 a través de las frecuencias también pulsa durante un ciclo de 22 años.
Los tres fenómenos sincrónicos son evidencia de un chorro oscilante, argumenta Britzen. “El avión funciona como un reloj”, dice ella. Aunque ella y sus colegas no pueden descartar un disco en precesión alrededor de un solo SMBH, favorecen una explicación binaria y han identificado otros 11 núcleos galácticos que muestran patrones similares.
Britzen espera que algún día los astrónomos puedan acercarse aún más y ver los SMBH binarios con una versión mejorada del Event Horizon Telescope, una serie de antenas de radio que se extienden por todo el mundo y que en 2019 produjeron la primera imagen de un SMBH. Es posible que la matriz deba expandirse con antenas de radio en el espacio para obtener la resolución necesaria para discernir un par SMBH a distancias galácticas, pero thLa recompensa valdría la pena, dice ella. «Sería fantástico ver realmente los dos núcleos girando».
