Los astrónomos miden la pareja de agujeros negros más pesada jamás encontrada

Los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias no siempre se fusionan, según nuevas observaciones

Casi todas las galaxias masivas albergan un agujero negro supermasivo en su centro. Cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros pueden formar una pareja binaria, lo que significa que se encuentran en una órbita unida. La hipótesis es que estas binarias están destinadas a fusionarse, pero nunca se ha observado. La cuestión de si tal evento es posible ha sido un tema de discusión entre los astrónomos durante décadas. En un artículo publicado recientemente en The Astrophysical Journal, un equipo de astrónomos ha presentado nuevos datos sobre esta cuestión.

El equipo utilizó datos del telescopio Gemini North en Hawai, una mitad del Observatorio Internacional Gemini operado por el NOIRLab de la NSF, financiado por la National Science Foundation de Estados Unidos, para analizar un agujero negro binario supermasivo situado dentro de la galaxia elíptica B2 0402+379. Se trata de la única binaria de agujeros negros supermasivos resuelta con suficiente detalle como para ver ambos objetos por separado, y ostenta el récord de tener la separación más pequeña jamás medida directamente: apenas 24 años luz. Aunque esta estrecha separación presagia una poderosa fusión, estudios posteriores revelaron que la pareja lleva estancada a esta distancia más de tres mil millones de años, lo que lleva a preguntarse: ¿a qué se debe este retraso?

Para comprender mejor la dinámica de este sistema y su fusión detenida, el equipo recurrió a los datos de archivo del espectrógrafo multiobjeto Gemini North (GMOS), que les permitió determinar la velocidad de las estrellas en las proximidades de los agujeros negros. «La excelente sensibilidad de GMOS nos permitió cartografiar las velocidades crecientes de las estrellas a medida que nos acercábamos al centro de la galaxia», explica Roger Romani, profesor de Física de la Universidad de Stanford y coautor del artículo. «Con eso, pudimos inferir la masa total de los agujeros negros que allí residen».

El equipo calcula que la masa del binario es nada menos que 28.000 millones de veces la del Sol, lo que lo convierte en el agujero negro binario más pesado jamás medido. Esta medición no sólo aporta un valioso contexto a la formación del sistema binario y a la historia de su galaxia anfitriona, sino que respalda la antigua teoría de que la masa de un agujero negro binario supermasivo desempeña un papel clave a la hora de detener una posible fusión.

«El archivo de datos del Observatorio Internacional Gemini contiene una mina de oro de descubrimientos científicos sin explotar», afirma Martin Still, director del programa NSF para el Observatorio Internacional Gemini. «Las mediciones de la masa de este agujero negro binario supermasivo extremo son un ejemplo asombroso del impacto potencial de las nuevas investigaciones que exploran ese rico archivo».

¿Cuándo se fusionarán?

Entender cómo se formó esta binaria puede ayudar a predecir si se fusionará y cuándo lo hará, y un puñado de pistas apuntan a que la pareja se formó a través de múltiples fusiones de galaxias. La primera es que B2 0402+379 es un «cúmulo fósil», lo que significa que es el resultado de la fusión de estrellas y gas de todo un cúmulo de galaxias en una única galaxia masiva. Además, la presencia de dos agujeros negros supermasivos, junto con su gran masa combinada, sugiere que son el resultado de la amalgama de múltiples agujeros negros más pequeños procedentes de varias galaxias.

Tras una fusión galáctica, los agujeros negros supermasivos no chocan frontalmente. En lugar de ello, comienzan a pasar unos junto a otros mientras se asientan en una órbita limitada. Con cada pasada, los agujeros negros transfieren energía a las estrellas que los rodean. A medida que pierden energía, la pareja es arrastrada cada vez más cerca hasta que se encuentran a años luz de distancia, momento en el que la radiación gravitatoria toma el control y se fusionan. Este proceso se ha observado directamente en pares de agujeros negros de masa estelar -el primer caso registrado se produjo en 2015 mediante la detección de ondas gravitacionales-, pero nunca en una binaria de la variedad supermasiva.

Gracias a los nuevos conocimientos sobre la masa extremadamente grande del sistema, el equipo llegó a la conclusión de que habría sido necesario un número excepcionalmente grande de estrellas para ralentizar la órbita del binario lo suficiente como para acercarlos tanto. En el proceso, los agujeros negros parecen haber expulsado casi toda la materia de su entorno, dejando el núcleo de la galaxia sin estrellas ni gas. Al no disponer de más material para ralentizar la órbita de la pareja, su fusión se ha estancado en sus últimas etapas.

«Normalmente, parece que las galaxias con pares de agujeros negros más ligeros tienen suficientes estrellas y masa para unirlos rápidamente», explica Romani. «Dado que este par es tan pesado, se necesitaban muchas estrellas y gas para realizar el trabajo. Pero la binaria ha vaciado la galaxia central de dicha materia, dejándola estancada y accesible para nuestro estudio.»

Aún está por determinar si la pareja superará su estancamiento y acabará fusionándose en escalas de tiempo de millones de años, o si continuará en el limbo orbital para siempre. Si se fusionan, las ondas gravitacionales resultantes serían cien millones de veces más potentes que las producidas por las fusiones de agujeros negros de masa estelar. Es posible que la pareja pueda conquistar esa distancia final a través de otra fusión de galaxias, que inyectaría al sistema material adicional, o potencialmente un tercer agujero negro, para ralentizar la órbita de la pareja lo suficiente como para fusionarse. Sin embargo, dado que B2 0402+379 es un cúmulo fósil, es poco probable que se produzca otra fusión galáctica.

«Estamos impacientes por realizar estudios de seguimiento del núcleo de B2 0402+379, en los que analizaremos la cantidad de gas presente», afirma Tirth Surti, estudiante de Stanford y autor principal del artículo. «Esto debería darnos más información sobre si los agujeros negros supermasivos pueden llegar a fusionarse o si se quedarán varados como binarios».

Notas

1. Aunque hay pruebas de agujeros negros supermasivos que se han acercado a unos pocos años luz de distancia, parece que ninguno ha sido capaz de superar esa distancia final. La cuestión de si tal evento es posible se conoce como el problema del pársec final y ha sido un tema de discusión entre los astrónomos durante décadas.
2. Se han realizado observaciones previas de galaxias que contienen dos agujeros negros supermasivos, pero en estos casos se encuentran a miles de años luz de distancia, demasiado lejos para estar en una órbita unida como la binaria encontrada en B2 0402+379.
3. Existen otras fuentes alimentadas por agujeros negros con posibles separaciones menores, aunque éstas se han deducido mediante observaciones indirectas y, por tanto, pueden clasificarse mejor como binarias candidatas.
4. Esta teoría fue expuesta por primera vez en 1980 por Begelman y otros autores y desde hace tiempo se argumenta que ocurre basándose en décadas de observaciones de los centros de las galaxias.

REFERENCIA

The Central Kinematics and Black Hole Mass of 4C+37.11