Un destello de luz más brillante que un billón de estrellas conduce al descubrimiento de un agujero negro supermasivo

Por Universidad de Turku 9 de junio de 2023

Ilustración artística de OJ287 como un sistema binario de agujeros negros. El agujero negro secundario de 150 millones de masas solares se mueve alrededor del agujero negro primario de 18 mil millones de masas solares. Un disco de gas rodea a este último. El agujero negro secundario se ve obligado a impactar en el disco de acreción dos veces durante su órbita de 12 años. El impacto produce un destello azul que se detectó en febrero de 2022. Además, el impacto también induce al agujero negro secundario a ráfagas brillantes de radiación varias semanas antes, y estas ráfagas también se han detectado como una señal directa del agujero negro secundario. Crédito: AAS 2018

Un equipo internacional de astrónomos observó el segundo de los dos agujeros negros supermasivos dando vueltas entre sí en una galaxia activa OJ 287.

Researchers have discovered two supermassive black holes orbiting each other in the galaxy OJ287. Predicted flares from the black holes were accurately observed, confirming the binary system hypothesis. For the first time, the secondary black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">black hole was directly observed in 2021/2022, and new types of flares were detected. These findings highlight OJ287 as a prime candidate for further study of gravitational wavesGravitational waves are distortions or ripples in the fabric of space and time. They were first detected in 2015 by the Advanced LIGO detectors and are produced by catastrophic events such as colliding black holes, supernovae, or merging neutron stars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ondas gravitacionales.

Los agujeros negros supermasivos que pesan varios miles de millones de veces la masa de nuestro Sol están presentes en los centros de las galaxias activas. Los astrónomos los observan como núcleos galácticos brillantes donde el agujero negro supermasivo de la galaxia devora materia de un torbellino violento llamado disco de acreción. Parte de la materia se exprime en un poderoso chorro. Este proceso hace que el núcleo galáctico brille intensamente en todo el espectro electromagnético.

En un estudio reciente, los astrónomos encontraron evidencia de dos agujeros negros supermasivos que giran entre sí a través de señales provenientes de los chorros asociados con la acumulación de materia en ambos agujeros negros. La galaxia, o cuásar como se le llama técnicamente, se llama OJ287 y se estudia más a fondo y se entiende mejor como un sistema binario de agujeros negros. En el cielo, los agujeros negros están tan juntos que se fusionan en un solo punto. El hecho de que el punto en realidad consta de dos agujeros negros se hace evidente al detectar que emite dos tipos diferentes de señales.

La galaxia activa OJ 287 se encuentra en la dirección de la constelación de Cáncer a una distancia de unos 5 mil millones de años luz y ha sido observada por astrónomos desde 1888. Hace ya más de 40 años, el astrónomo de la Universidad de Turku Aimo Sillanpää y sus asociados notó que hay un patrón prominente en su emisión que tiene dos ciclos, uno de unos 12 años y el más largo de unos 55 años. Sugirieron que los dos ciclos resultan del movimiento orbital de dos agujeros negros uno alrededor del otro. El ciclo más corto es el ciclo orbital y el más largo resulta de una evolución lenta de la orientación de la órbita.

El movimiento orbital es revelado por una serie de llamaradas que surgen cuando el agujero negro secundario se sumerge regularmente a través del disco de acreción del agujero negro primario a velocidades que son una fracción más lentas que la velocidad de la luz. Esta inmersión del agujero negro secundario calienta el material del disco y el gas caliente se libera en forma de burbujas en expansión. Estas burbujas calientes tardan meses en enfriarse mientras irradian y provocan un destello de luz, una llamarada, que dura aproximadamente quince días y es más brillante que un billón de estrellas.

Después de décadas de esfuerzos para estimar el momento de la caída del agujero negro secundario a través del disco de acreción, los astrónomos de la Universidad de Turku en Finlandia dirigidos por Mauri Valtonen y su colaborador Achamveedu Gopakumar del Instituto Tata de Investigación Fundamental en Mumbai, India, y otros pudieron modelar la órbita y predecir con precisión cuándo ocurrirían estas erupciones.

Las exitosas campañas de observación en 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 y 2019 permitieron al equipo observar los destellos previstos y confirmar la presencia de un par de agujeros negros supermasivos en OJ 287.

"El número total de erupciones pronosticadas ahora asciende a 26, y casi todas han sido observadas. El agujero negro más grande de este par pesa más de 18 mil millones de veces la masa de nuestro Sol, mientras que el compañero es aproximadamente 100 veces más liviano y su órbita es oblongo, no circular", dice el profesor Achamveedu Gopakumar.

A pesar de estos esfuerzos, los astrónomos no pudieron observar una señal directa del agujero negro más pequeño. Antes de 2021, su existencia se había deducido solo indirectamente de las llamaradas y de la forma en que hace que el chorro del agujero negro más grande se tambalee.

"Los dos agujeros negros están tan cerca uno del otro en el cielo que uno no puede verlos por separado, se fusionan en un solo punto en nuestros telescopios. Solo si vemos señales claramente separadas de cada agujero negro podemos decir que realmente tenemos " visto "a ambos", dice el autor principal, el profesor Mauri Valtonen.

Emocionantemente, las campañas de observación en 2021/2022 en el OJ 287 utilizando una gran cantidad de telescopios de varios tipos permitieron a los investigadores obtener observaciones del agujero negro secundario que atraviesa el disco de acreción por primera vez, y las señales que surgen del agujero negro más pequeño. sí mismo.

"El período 2021/2022 tuvo un significado especial en el estudio de OJ287. Anteriormente, se había predicho que durante este período el agujero negro secundario se sumergiría a través del disco de acreción de su compañero más masivo. Se esperaba que esta inmersión produjera un un destello muy azul justo después del impacto, y de hecho fue observado, a los pocos días del tiempo previsto, por Martin Jelinek y sus asociados en la Universidad Técnica Checa y el Instituto Astronómico de Chequia", dice el profesor Mauri Valtonen.

Sin embargo, hubo dos grandes sorpresas: nuevos tipos de bengalas que no se habían detectado antes. El primero de ellos fue visto solo por una campaña de observación detallada realizada por Staszek Zola de la Universidad Jagellónica de Cracovia, Polonia, y por una buena razón. Zola y su equipo observaron una gran llamarada, que produjo 100 veces más luz que una galaxia entera, y duró solo un día.

"Según las estimaciones, la llamarada ocurrió poco después de que el agujero negro más pequeño recibiera una dosis masiva de gas nuevo para tragar durante su caída. Es el proceso de deglución lo que conduce al brillo repentino de OJ287. Se cree que este proceso tiene dio poder al chorro que sale disparado del agujero negro más pequeño de OJ 287. Un evento como este se predijo hace diez años, pero no se ha confirmado hasta ahora", explica Valtonen.

El Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi observa el cosmos utilizando la forma de luz de mayor energía, proporcionando una ventana importante a los fenómenos más extremos del universo, desde estallidos de rayos gamma y chorros de agujeros negros hasta púlsares, remanentes de supernovas y la Origen de los rayos cósmicos. Crédito: © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

La segunda señal inesperada provino de rayos gamma y fue observada por el telescopio Fermi de la NASA. La llamarada de rayos gamma más grande en OJ287 durante seis años ocurrió justo cuando el agujero negro más pequeño se hundió a través del disco de gas del agujero negro primario. El chorro del agujero negro más pequeño interactúa con el gas del disco y esta interacción conduce a la producción de rayos gamma. Para confirmar esta idea, los investigadores verificaron que ya se había producido una llamarada de rayos gamma similar en 2013 cuando el pequeño agujero negro atravesó el disco de gas por última vez, visto desde la misma dirección de observación.

"Entonces, ¿qué pasa con el estallido de un día, por qué no lo hemos visto antes? OJ287 ha sido registrado en fotografías desde 1888 y ha sido seguido intensamente desde 1970. Resulta que simplemente hemos tenido mala suerte. Nadie observó OJ287 exactamente en aquellas noches en las que hizo su truco de una noche. Y sin el intenso seguimiento del grupo de Zola, esta vez también nos lo habríamos perdido", afirma Valtonen.

Estos esfuerzos hacen que OJ 287 sea el mejor candidato para un par de agujeros negros supermasivos que envían ondas gravitacionales en frecuencias de nanohercios. Además, OJ 287 está siendo monitoreado de forma rutinaria tanto por el Event Horizon Telescope (EHT) como por los consorcios Global mm-VLBI Array (GMVA) para buscar evidencia adicional de la presencia de un par de agujeros negros supermasivos en su centro y, en particular, para intente obtener la imagen de radio del jet secundario.

Los resultados aparecerán en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, volumen 521, número 4, páginas 6143-6155, junio de 2023 y se publicaron en línea.

Referencia: "Refinando la época de llegada de la bengala de impacto de OJ 287 2022" por Mauri J Valtonen, Staszek Zola, A Gopakumar, Anne Lähteenmäki, Merja Tornikoski, Lankeswar Dey, Alok C Gupta, Tapio Pursimo, Emil Knudstrup, Jose L Gomez, Rene Hudec, Martin Jelínek, Jan Štrobl, Andrei V Berdyugin, Stefano Ciprini, Daniel E Reichart, Vladimir V Kouprianov, Katsura Matsumoto, Marek Drozdz, Markus Mugrauer, Alberto Sadun, Michal Zejmo, Aimo Sillanpää, Harry J Lehto, Kari Nilsson, Ryo Imazawa y Makoto Uemura, 25 de marzo de 2023, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society. DOI: 10.1093/mnras/stad922

The instruments that were part of the 2021-2022 campaign include NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">El telescopio de rayos gamma Fermi de la NASA y el telescopio de rayos ultravioleta a rayos X Swift, observaciones de longitud de onda óptica realizadas por astrónomos en la República Checa, Finlandia, Alemania, España, Italia, Japón, India, China, Gran Bretaña y EE. UU., y observaciones de radiofrecuencia de OJ287 en la Universidad Aalto, Helsinki, Finlandia.