Científicos encuentran nueva forma de detectar pares de agujeros negros masivos

Un equipo de astrónomos de la Universidad de Oxford y del Instituto Max Planck de Física Gravitacional ha propuesto un nuevo enfoque para descubrir uno de los objetos más esquivos del universo: los pares de agujeros negros supermasivos que están estrechamente ligados entre sí. Estos gigantescos agujeros negros se forman naturalmente tras la fusión de galaxias, aunque hasta ahora ha sido complicado detectar aquellos que orbitan muy cerca el uno del otro.

En un estudio publicado en la revista Physical Review Letters, los investigadores sugirieron que se podría buscar una señal distintiva. A medida que los agujeros negros giran el uno alrededor del otro, su inmensa gravedad podría amplificar la luz de las estrellas situadas detrás de ellos, generando destellos recurrentes que podrían revelar estos sistemas ocultos.

La fusión de galaxias genera binarios de agujeros negros supermasivos

La mayoría de las galaxias alberga un agujero negro supermasivo en su centro. Cuando dos galaxias colisionan y se combinan, sus agujeros negros centrales pueden quedar ligados gravitacionalmente, formando lo que se denomina un binario de agujeros negros supermasivos. Estos sistemas son cruciales para comprender cómo evolucionan las galaxias con el tiempo y se espera que generen algunas de las ondas gravitacionales más potentes del universo.

Los futuros observatorios espaciales de ondas gravitacionales deberían poder detectar estos binarios directamente. Sin embargo, la nueva investigación sugiere que los astrónomos podrían no tener que esperar. Las encuestas del cielo existentes y las que están por venir podrían identificar estos binarios a través de sus efectos en la luz visible.

"Los agujeros negros supermasivos actúan como telescopios naturales", afirmó el Dr. Miguel Zumalacárregui del Instituto Max Planck. "Debido a su enorme masa y tamaño compacto, desvían fuertemente la luz que pasa. La luz estelar de la misma galaxia anfitriona puede enfocarse en imágenes extraordinariamente brillantes, un fenómeno conocido como lente gravitacional."

Cómo la lente gravitacional crea destellos brillantes

Un único agujero negro supermasivo puede amplificar drásticamente una estrella de fondo, pero solo cuando la alineación es casi perfecta. Un sistema binario se comporta de manera diferente. Con dos agujeros negros actuando como lentes gravitacionales, la región donde puede ocurrir una amplificación extrema se vuelve mucho más amplia. El par crea una característica en forma de diamante conocida como curva de cáustica, donde las estrellas pueden aparecer notablemente más brillantes.

Teóricamente, una estrella perfectamente puntual podría ser amplificada infinitamente. En la realidad, el tamaño finito de las estrellas limita cuán brillante puede llegar a ser el efecto. "Las posibilidades de que la luz estelar se amplifique enormemente aumentan significativamente para un binario en comparación con un único agujero negro", comentó el profesor Bence Kocsis del Departamento de Física de la Universidad de Oxford y coautor del estudio.

Destellos estelares recurrentes podrían revelar agujeros negros ocultos

A diferencia de un único agujero negro, un binario de agujeros negros está en constante cambio. A medida que los dos agujeros negros orbitan entre sí, pierden energía mediante la emisión de ondas gravitacionales, un proceso predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein. Con el tiempo, esto provoca que los agujeros negros se acerquen más y orbitan más rápido.

El estudiante de posgrado Hanxi Wang, que lideró el estudio en el grupo del profesor Kocsis, explicó: "A medida que el binario se mueve, la curva de cáustica rota y cambia de forma, barriendo un gran volumen de estrellas detrás de él. Si una estrella brillante se encuentra dentro de esta región, puede producir un destello extraordinariamente brillante cada vez que la cáustica pasa sobre ella. Esto conduce a una serie de destellos de luz estelar, que proporcionan una firma clara y distintiva de un binario de agujeros negros supermasivos."

Debido a que la estructura de cáustica cambia continuamente, los destellos resultantes ocurrirían repetidamente, creando un patrón reconocible que los astrónomos podrían buscar.

Indicios sobre las masas y órbitas de los agujeros negros

El equipo encontró que el tiempo y la intensidad de estos destellos deberían seguir tendencias predecibles en lugar de aparecer de forma aleatoria. A medida que las ondas gravitacionales reducen lentamente la órbita, alteran sutilmente la forma y el movimiento de la curva de cáustica. Esos cambios dejan firmas medibles tanto en el brillo como en la frecuencia de los destellos.

Al analizar estos patrones, los investigadores podrían estimar características importantes del binario oculto, incluidas las masas de los agujeros negros y detalles sobre su evolución orbital. Se espera que nuevos observatorios potentes, como el Observatorio Vera C. Rubin y el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman, amplíen drásticamente la búsqueda de estos eventos de lente recurrentes en los próximos años.

"La posibilidad de identificar binarios de agujeros negros supermasivos en espiral años antes de que los futuros detectores de ondas gravitacionales basados en el espacio entren en funcionamiento es extremadamente emocionante", concluyó el profesor Kocsis. "Esto abre la puerta a estudios verdaderos de múltiples mensajeros sobre los agujeros negros, permitiéndonos probar la gravedad y la física de los agujeros negros de maneras completamente nuevas."