Agujeros negros monstruosos agitan una nube de gas

*Las misiones de la NASA forman parte de una creciente red mundial de observación de los cambios en el cielo para resolver los misterios en torno a cómo funciona el universo

INAOE . | Santa María Tonanzintla, Puebla | 16 Nov 2024

Científicos del Observatorio Swift Neil Gehrels de la NASA han descubierto por primera vez la señal de una pareja de agujeros negros monstruosos que están alterando una nube de gas en el centro de una galaxia.

“Este es un fenómeno muy extraño, denominado AT 2021hdr, que se sigue repitiendo cada pocos meses”, dijo Lorena Hernández García, astrofísica del Instituto Milenio de Astrofísica, el Núcleo Milenio en Tecnología e Investigación Transversal para explorar Agujeros Negros Supermasivos, y la Universidad de Valparaíso en Chile. “Creemos que una nube de gas envolvió los agujeros negros. A medida que giran en órbita entre sí, los agujeros negros interactúan con la nube, perturbando su gas y consumiéndolo. Esto produce un patrón oscilatorio en la luz que proviene de ese sistema”.

Un artículo sobre AT 2021hdr, liderado por Hernández García, fue publicado el 13 de noviembre en la revista científica Astronomy and Astrophysics. Los doctores Víctor Manuel Patiño Álvarez y Vahram Chavushyan, investigadores del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), y Abigail García Pérez, estudiante del doctorado en Astrofísica de este centro de investigación, son miembros del equipo científico y coautores del artículo.

Un par de agujeros negros monstruosos se arremolinan en una nube de gas en este concepto artístico de AT 2021hdr, el cual es un estallido periódico estudiado por el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA y la Instalación de Búsqueda de Fenómenos Transitorios ZTF en el Observatorio Palomar en California. Crédito: NASA/Aurore Simonnet (Universidad Estatal de Sonoma).

Los agujeros negros dobles se encuentran en el centro de una galaxia llamada 2MASX J21240027+3409114, situada a mil millones de años luz de distancia, en la constelación boreal de Cygnus (El Cisne). Esta pareja de agujeros se encuentra a unos 26.000 millones de kilómetros de distancia, lo suficientemente cerca como para que la luz solo tarde un día en viajar entre ellas. Juntos, pueden contener 40 millones de veces la masa del Sol.

Los científicos estiman que los agujeros negros completan una órbita cada 130 días y que colisionarán y se fusionarán en alrededor de 70.000 años.

AT 2021hdr fue detectado por primera vez en marzo de 2021 por la Instalación de Búsqueda de Fenómenos Transitorios Zwicky (ZTF, por sus siglas en inglés) desde el Observatorio Palomar en California. Fue señalado como una fuente potencialmente interesante por el programa Aprendizaje Automático para la Clasificación Rápida de Eventos (ALeRCE, por sus siglas en inglés). Este equipo multidisciplinario combina herramientas de inteligencia artificial con experiencia humana para informar a la comunidad astronómica acerca de fenómenos que ocurren en el cielo nocturno, utilizando las montañas de datos recopilados por programas de sondeo como ZTF.

“Aunque originalmente se pensó que este destello se trataba de una supernova, los estallidos en 2022 nos hicieron pensar en otras explicaciones”, dijo la coautora Alejandra Muñoz Arancibia, miembro del equipo de ALeRCE y astrofísica del Instituto Milenio de Astrofísica y del Centro de Modelamiento Matemático de la Universidad de Chile. “Cada evento posterior nos ha ayudado a mejorar nuestro modelo de lo que está sucediendo en el sistema”.

Desde el primer destello, ZTF ha detectado los estallidos de AT 2021hdr cada 60 a 90 días. Hernández García y su equipo han estado observando la fuente de este fenómeno con Swift desde noviembre de 2022. Swift les ayudó a determinar que el sistema binario de agujeros negros produce oscilaciones en luz ultravioleta y de rayos X en las mismas escalas de tiempo que ZTF las ve en el rango visible.

Los investigadores fueron eliminando diferentes modelos en los que las condiciones eran ideales para explicar lo que vieron en los datos.

Inicialmente, pensaron que la señal podría ser el subproducto de la actividad normal en el centro galáctico. Luego, consideraron la posibilidad de que un evento de disrupción de marea —la destrucción de una estrella que se acercó demasiado a uno de los agujeros negros— podría ser la causa.

Finalmente, se decidieron por otra posibilidad: la disrupción de marea de una nube de gas, una nube que era más grande que el propio sistema binario. Cuando la nube se encontró con los agujeros negros, la gravedad la destrozó, formando filamentos alrededor del par de agujeros, y la fricción comenzó a calentarla. El gas se volvió particularmente denso y caliente cerca de los agujeros negros. A medida que el sistema binario se mueve en su órbita, la compleja interacción de fuerzas expulsa parte del gas del sistema en cada rotación. Estas interacciones producen la luz fluctuante que observan Swift y ZTF.

Lorena Hernández García y su equipo tienen planificado continuar con las observaciones de AT 2021hdr para comprender mejor el sistema y mejorar sus modelos. También están interesados en estudiar su galaxia natal, la cual actualmente se está fusionando con otra galaxia cercana. Este evento fue reportado por primera vez en su artículo.

“A medida que Swift se acerca a su vigésimo aniversario, es increíble ver toda la nueva ciencia que todavía está ayudando a lograr para la comunidad”, dijo S. Bradley Cenko, investigador principal de Swift en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. “Todavía tiene mucho por enseñarnos sobre nuestro cosmos en constante cambio”.

Las misiones de la NASA forman parte de una creciente red mundial de observación de los cambios en el cielo para resolver los misterios en torno a cómo funciona el universo.

El centro Goddard maneja la misión del observatorio Swift en colaboración con la Universidad Penn State, el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México y los Sistemas Espaciales Northrop Grumman en Dulles, Virginia. Otros socios son la Universidad de Leicester y el Laboratorio de Ciencias del Espacio Mullard en el Reino Unido, el Observatorio Brera en Italia y la Agencia Espacial Italiana.

Texto principal: Jeanette Kazmierczak

(Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland)