La increíble simulación de la unión de dos agujeros negros supermasivos en el universo

Casi todas las galaxias del tamaño de nuestra Vía Láctea o más grandes contienen un agujero negro monstruo en su centro. Las observaciones muestran que las fusiones de galaxias ocurren con frecuencia en el universo, pero hasta ahora nadie ha visto una fusión de estos agujeros negros gigantes.

Los científicos han detectado la fusión de agujeros negros de masa estelar, que van desde alrededor de tres a varias docenas de masas solares, utilizando el Observatorio de Ondas Gravitacionales de Interferómetro Láser (LIGO) de la National Science Foundation (NSF).

Las ondas gravitacionales son ondas del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Se crean cuando los objetos en órbita masiva, como los agujeros negros y las estrellas de neutrones, forman espirales y se fusionan. Las fusiones supermasivas resultan mucho más difíciles de encontrar que sus primos de masa estelar.

Una razón por la que los observatorios terrestres no pueden detectar las ondas gravitacionales de estos eventos es porque la Tierra misma es demasiado ruidosa, debido a las vibraciones sísmicas y los cambios gravitacionales de las perturbaciones atmosféricas. Los detectores deben estar en el espacio, como la misión Antena Espacial del Interferómetro Láser (LISA) dirigida por la ESA y cuyo lanzamiento está previsto en la década de 2030.

Pero los binarios supermasivos que se acercan a la colisión pueden tener una cosa de la que carecen los binarios de masa estelar: un entorno rico en gas. Los científicos sospechan que la explosión de supernova que crea un agujero negro estelar también destruye la mayor parte del gas circundante.

El agujero negro consume lo poco que queda tan rápidamente que no queda mucho para brillar cuando ocurre la fusión. Los binarios supermasivos, por otro lado, resultan de fusiones de galaxias. Cada gran agujero negro trae consigo una comitiva de nubes de polvo y gas, estrellas y planetas. Los científicos creen que una colisión de galaxias impulsa gran parte de este material hacia los agujeros negros centrales, que lo consumen en una escala de tiempo similar a la necesaria para que el binario se fusione. A medida que los agujeros negros se acercan, las fuerzas magnéticas y gravitacionales calientan el gas restante, y los astrónomos ligeros deberían poderlos ver.

La nueva simulación muestra tres órbitas de un par de agujeros negros supermasivos a sólo 40 órbitas de la fusión. Los modelos revelan que la luz emitida en esta etapa del proceso puede estar dominada por la luz UV con algunos rayos X de alta energía, similar a lo que se ve en cualquier galaxia con un agujero negro supermasivo bien alimentado.

Tres regiones de gas emisor de luz brillan cuando los agujeros negros se fusionan, todos conectados por corrientes de gas caliente: un anillo grande que rodea todo el sistema, llamado el disco circumbinario, y dos más pequeñas alrededor de cada agujero negro, llamadas minidiscos. Todos estos objetos emiten predominantemente luz ultravioleta.

Cuando el gas fluye a un minidisco a alta velocidad, la luz UV del disco interactúa con la corona de cada agujero negro, una región de partículas subatómicas de alta energía por encima y por debajo del disco. Esta interacción produce rayos X. Cuando la tasa de acreción es menor, la luz UV se atenúa en relación con los rayos X. Sobre la base de la simulación, los investigadores esperan que los rayos X emitidos por una fusión cercana sean más brillantes y más variables que los rayos X que se ven en los agujeros negros supermasivos individuales.

El ritmo de los cambios se vincula tanto a la velocidad orbital del gas ubicado en el borde interior del disco circumbinario como a la de los agujeros negros que se fusionan.

La simulación se realizó en el supercomputador Blue Waters del Centro Nacional para Aplicaciones de Supercomputación en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. El modelado de tres órbitas del sistema necesitó 46 días en 9.600 núcleos de computación.