Dos enormes agujeros negros podrían chocar en solo 100 años en la galaxia Mrk 501

Un grupo de astrónomos reveló pruebas contundentes sobre la existencia de dos agujeros negros supermasivos que se dirigen hacia una colisión en el centro de la galaxia Mrk 501. La investigación, liderada por Silke Britzen del Max Planck Institute for Radio Astronomy, indicó que la pareja de agujeros negros completa una órbita cada 121 días. Dependiendo de sus masas, podrían fusionarse en un plazo de 100 años.

Los agujeros negros supermasivos, que se cree que existen en el centro de casi todas las grandes galaxias, pueden pesar millones o incluso miles de millones de veces la masa del Sol. Sin embargo, su crecimiento a tamaños tan extraordinarios aún no se comprende completamente. Una de las formas en que ganan masa es a través de la acumulación de gas de su entorno, aunque este proceso podría no ser suficiente para explicar los ejemplos más grandes. La fusión con otros agujeros negros masivos podría ser la clave que falta para entender su formación.

Las colisiones de galaxias son comunes en el universo, lo que sugiere que sus agujeros negros centrales eventualmente también se unirán. A medida que dos galaxias se fusionan, se espera que sus agujeros negros se acerquen, comiencen a orbitarse y se deslicen gradualmente hasta convertirse en un único objeto.

A pesar de esta expectativa, los científicos han tenido dificultades para modelar las etapas finales de estas fusiones. Además, no han podido identificar de manera confiable un par de agujeros negros supermasivos orbitando muy cerca uno del otro, a pesar de la abundante evidencia de galaxias en colisión.

Un segundo jet revela un agujero negro oculto

El equipo de investigación descubrió evidencia observacional directa que sugiere que tal par existe en el centro de Mrk 501. Los hallazgos, que se publicarán en el Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, mostraron que el agujero negro central de Mrk 501 produce un intenso jet de partículas que se lanza al espacio a casi la velocidad de la luz. Estos jets se originan en las condiciones extremas que rodean a los agujeros negros, donde campos magnéticos poderosos ayudan a acelerar el material hacia afuera.

Para investigar el sistema, los investigadores examinaron observaciones de radio detalladas recopiladas a múltiples frecuencias durante aproximadamente 23 años. Este extenso conjunto de datos reveló algo notable: junto al jet conocido, había un segundo jet cuyo movimiento también se pudo rastrear.

Las observaciones proporcionaron lo que los investigadores describieron como la primera evidencia de imagen directa de un sistema de este tipo en el centro de una galaxia, sugiriendo fuertemente la presencia de un segundo agujero negro supermasivo. Sin embargo, los agujeros negros en sí mismos permanecieron demasiado cerca en el cielo para ser resueltos individualmente.

"Buscamos esto durante tanto tiempo, y luego fue una sorpresa completa que no solo pudiéramos ver un segundo jet, sino incluso rastrear su movimiento", comentó Silke Britzen.

Dos agujeros negros en una danza cósmica

El jet previamente conocido se dirige hacia la Tierra, lo que lo hace parecer excepcionalmente brillante y relativamente fácil de observar. El jet recién identificado apunta en una dirección diferente, lo que explica por qué permaneció oculto durante tanto tiempo.

A lo largo de unas pocas semanas de observaciones, los astrónomos notaron cambios dramáticos en la posición del segundo jet. Parecía emerger de detrás del agujero negro más grande y barrer en sentido antihorario a su alrededor. Este movimiento se repitió, sugiriendo que todo el sistema estaba experimentando un movimiento orbital regular.

Los investigadores también identificaron un evento inusual en junio de 2022, cuando la radiación del sistema parecía formar un anillo. Este fenómeno, conocido como un anillo de Einstein, ocurre cuando la gravedad dobla la luz de tal manera que crea una apariencia anular.

Una posible explicación es que los dos agujeros negros y la Tierra se alinearon brevemente de la manera correcta. En esa configuración, la gravedad del agujero negro en primer plano podría haber actuado como una lente, doblando la luz del segundo jet detrás de él. Este efecto, llamado lente gravitacional, ofrece otra pista potencial sobre la naturaleza del sistema.

Dos agujeros negros podrían fusionarse en solo 100 años

Al examinar los cambios en los jets y los patrones repetitivos en su brillo, el equipo calculó que los dos agujeros negros parecen completar una órbita entre sí aproximadamente cada 121 días. Su separación estimada es de solo 250 a 540 veces la distancia entre la Tierra y el Sol. Aunque esto podría parecer enorme, es notablemente pequeño para objetos con masas que varían entre 100 millones y mil millones de veces la del Sol.

Una órbita tan ajustada podría tener consecuencias dramáticas. Dependiendo de las masas reales de los agujeros negros, su separación podría disminuir lo suficientemente rápido como para que se fusionen en tan solo 100 años. Esto representaría una cuenta regresiva excepcionalmente corta en términos astronómicos, brindando a los investigadores una oportunidad extraordinaria para investigar cómo los agujeros negros supermasivos se acercan a su colisión final.

Las ondas gravitacionales podrían revelar una fusión inminente

Lamentablemente, Mrk 501 se encuentra tan distante que incluso los instrumentos más poderosos de hoy no pueden distinguir los dos agujeros negros como objetos separados. El Event Horizon Telescope (EHT), que produjo las primeras imágenes de agujeros negros en 2019 y 2022, también carece de la resolución necesaria para capturar esta pareja en particular de forma individual.

Como resultado, los astrónomos no podrán observar directamente cómo disminuye la distancia entre los agujeros negros. Sin embargo, otro método podría revelar su acercamiento.

A medida que objetos masivos orbitan entre sí, generan ondas gravitacionales, pequeñas distorsiones en el espacio-tiempo que viajan hacia el universo. Se espera que el par de agujeros negros en Mrk 501 produzca ondas gravitacionales de muy baja frecuencia que podrían detectarse utilizando arrays de temporización de pulsar (PTAs).

Estos arrays utilizan los pulsos de radio notablemente regulares emitidos por estrellas de neutrones que rotan rápidamente, conocidas como pulsars, como relojes cósmicos precisos. Al medir cambios sutiles en el momento en que esos pulsos llegan a la Tierra, los científicos pueden buscar la influencia de ondas gravitacionales que pasan.

Los binarios de agujeros negros supermasivos (SMBHBs) se consideran ya la explicación principal para el fondo de ondas gravitacionales, una señal persistente que se cree que surge de muchas fuentes distantes en el universo. En 2023, el European Pulsar Timing Array y otras colaboraciones de investigación informaron evidencia de este fondo.

El descubrimiento en Mrk 501 convierte a esta galaxia en un objetivo particularmente prometedor para conectar una señal de ondas gravitacionales a un par individual de agujeros negros supermasivos. Tal detección podría no solo confirmar la existencia del sistema, sino también permitir a los científicos medir cómo evoluciona la órbita de la pareja y determinar si los agujeros negros se están acercando a su fusión final.

"Si se detectan ondas gravitacionales, incluso podríamos ver su frecuencia aumentar constantemente a medida que los dos gigantes se acercan a la colisión, ofreciendo una rara oportunidad de observar cómo se desarrolla una fusión de agujeros negros supermasivos", concluyó el coautor Héctor Olivares.