Utilizando datos de archivo del telescopio Gemini Norte, un equipo de astrónomos ha medido el par de agujeros negros supermasivos más pesado jamás descubierto. La fusión de dos agujeros negros supermasivos es un fenómeno que se predice desde hace mucho tiempo, aunque nunca se ha observado. Este par masivo proporciona pistas sobre por qué es probable que ocurra tal evento en el universo.

Casi todas las galaxias masivas albergan un agujero negro supermasivo en su centro. Cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros pueden formar un par binario, lo que significa que están en una órbita específica entre sí. Se supone que estas dualidades están destinadas a fusionarse eventualmente, pero esto nunca se ha observado. La cuestión de si tal evento es posible ha sido un tema de debate entre los astrónomos durante décadas.

en los últimos días publicado papel en Diario astrofísicoUn equipo de astrónomos ha aportado una nueva perspectiva sobre esta cuestión.

El equipo utilizó datos del Telescopio Gemini Norte en Hawaii, la mitad del Observatorio Internacional Gemini operado por NOIRLab de NSF, para analizar un agujero negro supermasivo binario ubicado dentro de la galaxia elíptica B2 0402+379. Este es el único binario de agujero negro supermasivo que se ha resuelto con suficiente detalle para ver ambos objetos por separado, y ostenta el récord de la separación más pequeña jamás medida directamente: apenas 24 años luz. Si bien esta estrecha separación sugiere una fuerte fusión, otro estudio reveló que la pareja se ha estancado a esta distancia durante más de tres mil millones de años, lo que plantea la pregunta: ¿Qué es una disrupción?

Para comprender mejor la dinámica de este sistema y su estancada fusión, el equipo examinó los datos de archivo del instrumento Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) de Gemini North, que les permitió determinar la velocidad de las estrellas ubicadas cerca de los agujeros negros.

«La excelente sensibilidad de GMOS nos ha permitido mapear las velocidades crecientes de las estrellas cuando miramos hacia el centro galáctico», dijo Roger Romani, profesor de física en la Universidad de Stanford y coautor del estudio. «De esta manera pudimos deducir la masa total de los agujeros negros que existen».

El equipo estima que la masa del binario es 28 mil millones de veces la masa del Sol, lo que califica al dúo como el agujero negro binario más pesado jamás medido. Esta medición no sólo proporciona un contexto valioso para la formación del sistema binario y la historia de la galaxia anfitriona, sino que respalda la teoría de larga data de que la masa del agujero negro supermasivo binario juega un papel clave en la interrupción de una posible fusión.

«El archivo de datos que sirve al Observatorio Internacional Gemini contiene una mina de oro de descubrimientos científicos sin explotar», dice Martin Steele, director del programa NSF en el Observatorio Internacional Gemini. «Las mediciones colectivas de este enorme agujero negro binario son un ejemplo sorprendente del impacto potencial de una nueva investigación que explora este rico archivo».

Comprender cómo se forma este dúo puede ayudar a predecir cómo y cuándo se fusionará, y un conjunto de evidencia sugiere que el par se forma 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 varias estrellas y gas en un cúmulo de galaxias completo en una galaxia masiva. Además, la presencia de dos agujeros negros supermasivos, junto con sus grandes masas combinadas, sugiere que fueron el resultado de la fusión de varios agujeros negros más pequeños de múltiples galaxias.

Después de que las galaxias se fusionan, los agujeros negros supermasivos no chocan frontalmente. En cambio, comienzan a dispararse entre sí cuando se asientan en una órbita específica. Con cada paso que realizas, se transfiere energía desde los agujeros negros a las estrellas que los rodean. A medida que pierden energía, la pareja se acerca cada vez más hasta que están a sólo años luz de distancia, donde la radiación gravitacional toma el control y se fusionan. Este proceso se ha observado directamente en pares de agujeros negros de masa estelar, el primero registrado en 2015 mediante la detección de ondas gravitacionales, pero nunca se había observado en un binario de tipo supermasivo.

Con nuevos conocimientos sobre la masa extremadamente grande del sistema, el equipo concluyó que se necesitaría un número excepcionalmente grande de estrellas para ralentizar la órbita del sistema binario lo suficiente como para acercarlas tanto. En el proceso, los agujeros negros parecen haber expulsado casi toda la materia a su entorno, dejando el núcleo galáctico desprovisto de estrellas y gas. Sin más material disponible para frenar aún más la órbita de la pareja, su fusión se estancó en sus etapas finales.

«Las galaxias que contienen pares de agujeros negros más claros generalmente parecen tener suficientes estrellas y masa para juntarlos rápidamente», dijo Roman. «Debido a que este par es tan pesado, se habrían necesitado muchas estrellas y gas para realizar el trabajo. Pero el dúo hurgó en la galaxia central en busca de esa materia, dejándola inactiva y accesible para nuestro estudio».

Aún está por determinar si la pareja superará su estasis y eventualmente se fusionará en escalas de tiempo de millones de años, o continuará en el limbo orbital para siempre. Si se fusionan, las ondas gravitacionales resultantes serán 100 millones de veces más fuertes que las resultantes de la fusión de agujeros negros de masa estelar.

Es posible que la pareja pueda superar esa distancia final a través de otra fusión de galaxias, lo que bombearía al sistema con material adicional, o tal vez un tercer agujero negro, para ralentizar la órbita de la pareja lo suficiente para la fusión. Sin embargo, dado el estatus de B2 0402+379 como cúmulo fósil, es poco probable que se produzca otra fusión galáctica.

«Esperamos realizar investigaciones de seguimiento en el núcleo de B2 0402+379, donde veremos cuánto gas hay presente», dice Tirth Surti, estudiante universitario de la Universidad de Stanford y autor principal del estudio. «Esto debería darnos más información sobre si los agujeros negros supermasivos podrían eventualmente fusionarse o si permanecerán estancados como binarios».