Dimensionando las «sombras» de dos agujeros negros supermasivos a punto de colisionar

En un par de agujeros negros supermasivos unidos, un nuevo método para medir el vacío

Los científicos han descubierto una forma de medir las «sombras» de dos agujeros negros supermasivos en el proceso de colisión, proporcionando 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 encerrado por un anillo de luz ardiente. Esa imagen icónica de la[{» 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 la lente gravitacional en un par de agujeros negros supermasivos que se fusionan. Crédito: Jordy Devalaar

La técnica tiene sólo dos requisitos. Primero, necesitas un par de agujeros negros de fusión supermasivo. En segundo lugar, debe mirar a la pareja desde un ángulo casi lateral. Desde este punto de vista lateral, cuando un agujero negro pasa frente a otro, debería poder ver un destello de luz cuando el anillo brillante del agujero negro más lejano se magnifica por el agujero negro más cercano a usted, un fenómeno que se conoce como una 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 sutil oscurecimiento puede durar desde unas pocas horas hasta unos pocos días, dependiendo de la masa de los agujeros negros y cuán estrechamente entrelazadas estén sus órbitas. Al medir la duración de la disminución, dicen los investigadores, es posible 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 que se juntan, el agujero negro más cercano al espectador se acerca y luego aparece azul (fotograma 1), amplificando el agujero negro desplazado hacia el rojo en la parte posterior a través de lentes gravitacionales. Cuando el agujero negro más cercano amplifica la luz del agujero negro más lejano (fotograma 2), el espectador ve un destello de luz brillante. Pero a medida que 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 (fotograma 3). Esta caída en el brillo (3) aparece claramente en los datos de la curva de luz debajo de las imágenes. Crédito: Jordy Devalaar

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

Agregó, “con nuestra técnica medimos el brillo de los agujeros negros a lo largo del tiempo, no es necesario 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. «Ese punto oscuro nos informa sobre el tamaño del agujero negro, la forma del espacio-tiempo a su alrededor y cómo la materia cae en el agujero negro cerca de su horizonte», dijo el coautor Zoltan Haiman, profesor de física en Columbia.

Mirando de reojo a una fusión de agujeros negros supermasivos, el agujero negro más cercano al espectador magnifica el agujero negro más lejano a través del efecto de la lente gravitacional. Los investigadores encontraron una breve caída en el brillo correspondiente a la «sombra» del agujero negro más lejano, lo que permitió 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. Los físicos, por lo tanto, los buscaron para probar teorías alternativas de la gravedad en un intento de reconciliar dos ideas contradictorias sobre cómo funciona la naturaleza: la relatividad general de Einstein, que explica fenómenos a gran escala como la órbita de los planetas y el universo en expansión, y la física cuántica. lo que explica cómo pequeñas partículas como electrones y fotones pueden ocupar múltiples estados simultáneamente.

Los investigadores se interesaron más tarde en la explosión de agujeros negros supermasivos observación 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