Choque de titanes: se predice fusión inminente de agujeros negros gigantes

Un evento nunca antes visto podría provocar fuegos artificiales cósmicos, pero muchas señales de miedo se evaporarán

¿Tic… tic… boom? En el centro de una galaxia a 1.200 millones de años luz de la Tierra, los astrónomos dicen haber visto señales de que dos agujeros negros gigantes, con una masa combinada de cientos de millones de soles, se están preparando para una fusión cataclísmica tan pronto como dentro de 100 días. ahora. El evento, si sucede, sería trascendental para la astronomía, ofreciendo un vistazo de un mecanismo pronosticado desde hace mucho tiempo, pero nunca presenciado, para el crecimiento de agujeros negros. También podría desencadenar una explosión de luz en todo el espectro electromagnético, así como una oleada de ondas gravitacionales y partículas fantasmales llamadas neutrinos que podrían revelar detalles íntimos de la colisión.

Tan pronto como apareció el documento la semana pasada en el servidor de preimpresión arXiv, otros astrónomos, ansiosos por confirmar las tentadoras señales, se apresuraron a asegurar el tiempo de observación del telescopio, dice el miembro del equipo Huan Yang del Perimeter Institute en Waterloo, Canadá. “Hemos visto a personas actuar bastante rápido”, dice. Emma Kun del Observatorio Konkoly en Budapest, Hungría, comenzó a buscar en los archivos de observaciones de radio para confirmar la señal. “Si ocurre el auge, confirmará muchas cosas”, dice.

Pero la predicción puede ser un espejismo. No está claro que la galaxia observada tenga un par de agujeros negros, y mucho menos un par que esté a punto de fusionarse, dice Scott Ransom del Observatorio Nacional de Radioastronomía, quien considera que la evidencia presentada es «bastante circunstancial».

Se cree que los agujeros negros supermasivos acechan en el corazón de la mayoría de las galaxias, si no de todas, pero los teóricos no saben cómo crecen tanto. Algunos absorben esporádicamente el material circundante, calentándolo ferozmente y haciendo que la galaxia brille intensamente como el llamado núcleo galáctico activo (AGN). Pero el goteo de material puede no ser suficiente para explicar el volumen de los agujeros negros. Podrían aumentar de peso más rápidamente a través de fusiones: después de que las galaxias chocan, sus agujeros negros centrales se unen gravitacionalmente y gradualmente se juntan en espiral.

Estos pares de agujeros negros no son fáciles de detectar. Los telescopios de rayos X han descubierto un puñado de AGN con dos fuentes centrales separadas y brillantes, pero los supuestos agujeros negros están separados por cientos de años luz y no colisionarían durante miles de millones de años. Una vez que se acercan, es casi imposible separar su luz con un telescopio. Pero algunos AGN se atenúan y se iluminan con regularidad, lo que los astrónomos han argumentado recientemente que es una señal de que albergan pares de agujeros negros que se orbitan entre sí y que regularmente agitan y calientan el material circundante. Sin embargo, algunas de estas oscilaciones periódicas se han desvanecido, lo que cuestiona la interpretación binaria. “Los AGN hacen todo tipo de cosas locas que no entendemos”, dice Ransom.

En datos de un telescopio de exploración en California llamado Zwicky Transient Facility (ZTF), un equipo dirigido por Ning Jiang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China tropezó con un AGN periódico llamado SDSSJ1430+2303. “Mi primer instinto fue que debía estar relacionado con un par de agujeros negros supermasivos”, dice Jiang.

Luego, los investigadores encontraron algo más: una tendencia que interpretan como un par binario acercándose a una fusión. Los ciclos se iban acortando, pasando de 1 año a 1 mes en el espacio de 3 años. Es “el primer informe oficial de períodos de descomposición que se redujeron con el tiempo”, dice Youjun Lu, astrofísico teórico de los Observatorios Astronómicos Nacionales de China, que no formó parte del equipo.

Los investigadores confirmaron la oscilación de un mes en las observaciones de rayos X del Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA. Si esta tendencia decreciente continúa, los agujeros negros, que según Jiang se acercan tanto como el Sol a Plutón, se fusionarán en los próximos 100 a 300 días, informan en el documento, que no ha sido revisado por pares.

Si la fusión llega a suceder, los observadores podrían tener un día de campo. “Debería haber un gran estallido en todo el espectro electromagnético, desde los rayos gamma hasta la radio”, dice Kun. Algunos también esperan una avalancha de neutrinos, que el detector IceCube en el Polo Sur (1 kilómetro cúbico de hielo polar equipado con sensores de luz para detectar impactos de neutrinos) podría detectar. Ninguno, sin embargo, es seguro. Algunos predicen un gemido en lugar de una explosión. “Realmente no sabemos qué esperar”, dice Ransom.

La única señal segura son las ondas gravitacionales, pero las pesadas masas en colisión las emitirían a una frecuencia demasiado baja para ser captadas por detectores como el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser, que está sintonizado para fusiones más pequeñas. Sin embargo, deberían dejar una huella en el propio espacio-tiempo, una especie de relajación de la distancia y el tiempo denominada memoria de ondas gravitacionales, que podría detectarse durante muchos años al monitorear los pulsos metronómicos de los remanentes estelares giratorios conocidos como púlsares. «Es una señal muy difícil de medir», dice Ransom, «pero eso sería definitivo, una prueba irrefutable» de la fusión de agujeros negros supermasivos.

Pero Ransom está preparado para la decepción. Él y otros señalan que el equipo está basando su predicción en solo un puñado de ciclos observados. El teórico Daniel D’Orazio del Instituto Niels Bohr en Copenhague, Dinamarca, dice que algunos aspectos de la curva de luz del AGN también generan dudas. Por ejemplo, dice, los archivos de ZTF muestran que SDSSJ1430+2303 carecía de una oscilación periódica en los años anteriores a que el equipo de Jiang lo descubriera; su emisión tenue y constante se parecía más a un AGN estándar con un solo agujero negro supermasivo. «¿Por qué [la oscilación] acaba de encenderse ahora?» pregunta D’Orazio. «No estoy seguro de cómo encaja esa emisión constante con los modelos de emisión binaria».

Las observaciones en los próximos meses deberían mostrar si la oscilación continúa acortándose. El equipo tuvo que detener su observación en agosto de 2021 cuando la órbita de la Tierra colocó a la galaxia distante demasiado cerca del Sol para que los telescopios la observaran de manera segura. Las observaciones se reiniciaron en noviembre, pero desde entonces los problemas técnicos han dejado inactivos tanto a ZTF como a Swift.

Andrew Fabian, de la Universidad de Cambridge, se encuentra entre los astrónomos que buscarán el fuego fatuo, después de haber solicitado tiempo en el Explorador de composición interior de la estrella de neutrones de la NASA, un telescopio de rayos X adjunto a la Estación Espacial Internacional. «Si esto es cierto, entonces es importante obtener tantas observaciones como sea posible ahora para ver qué está haciendo», dice. Fabian dice que la posibilidad de que tal fusión tenga lugar tan cerca de la Tierra en un año determinado es de una entre 10.000. Es escéptico de que uno sea inminente, pero dice que vale la pena monitorear durante unos meses para ver si el reclamo se mantiene. “Los eventos raros suceden”, dice.

Al respecto, Gaston Giribet[1] ha comentado en su cuenta de Twitter:

Sobre la reciente noticia de una inminente colisión de dos agujeros negros supermasivos: El objeto SDSS J1430+2303, también conocido como J143016.05+230344.4, es una galaxia con un núcleo galáctico activo que, según se ha afirmado recientemente en https://arxiv.org/abs/2201.11633, exhibe una variabilidad periódica de brillo que, dicen los autores, está acelerando su frecuencia.

Una explicación para ese aumento de frecuencia es que podría tratarse de un sistema binario de agujeros negros de gran masa cerca del momento de coalescencia. Los autores del trabajo citado arriba infieren que la fusión podría observarse antes de finales de 2022, y esto atrajo la atención de los medios e incluso de prestigiosas publicaciones (https://science.org/content/article/crash-titans-imminent-merger-giant-black-holes-predicted).

No obstante, muchos consideran que la afirmación de la posible colisión inmanente es exagerada, ya que es necesario primero, no sólo confirmar la frecuencia de variabilidad de la fuente con observaciones independientes, sino incluso confirmar que, en efecto, haya evidencia sólida de que hay allí dos agujeros negros supermasivos.

Notas de prensa sobre esto se encuentran en:

• • Space: Two black holes locked in cosmic dance near galaxy’s center are doomed to crash [https://www.space.com/black-hole-pair-cosmic-dance-galactic-center]
  • SCience Alert: A Pair of Supermassive Black Holes Could Be Fated to Collide Within 3 Years [https://www.sciencealert.com/a-pair-of-supermassive-black-holes-could-be-fated-to-collide-within-3-years/amp]
  • JPL: Astronomers Find Two Giant Black Holes Spiraling Toward a Collision [https://www.jpl.nasa.gov/news/astronomers-find-two-giant-black-holes-spiraling-toward-a-collision]
  • LIVE SCience: 2 monster black holes are headed toward a collision that will rock the fabric of space-time [https://www.livescience.com/supermassive-black-hole-merger]

[1] Gaston Giribet: Dr. Física. Profesor de la Universidad de Buenos Aires & Investigador del CONICET. Integrante del Grupo de Física Teórica de Altas Energías del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA.

Referencia

• Ning Jiang et al. «Tick-Tock: The Imminent Merger of a Supermassive Black Hole Binary«. ArXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2201.11633