En abril de 2019, la colaboración del Event Horizon Telescope (EHT) publicó unas imágenes impresionantes de M87*, un agujero negro de 6.500 millones de masas solares en el centro de la galaxia elíptica gigante Messier 87, que se encuentra a unos 53 millones de años luz de nosotros en la constelación de Virgo. Ahora, un dúo de astrofísicos de la Universidad de Columbia ha desarrollado una nueva técnica de imagen que puede ayudar a estudiar agujeros negros mucho más pequeños que M87*.

En esta simulación de una fusión de agujeros negros supermasivos, el agujero negro con desplazamiento azul más cercano al espectador amplifica el agujero negro con desplazamiento rojo de la parte posterior a través de una lente gravitacional. Davelaar & Haiman descubrieron un claro descenso del brillo cuando el agujero negro más cercano pasaba por delante de la sombra de su homólogo, una observación que podría utilizarse para medir el tamaño de ambos agujeros negros y probar teorías alternativas de la gravedad. Crédito de la imagen: Jordy Davelaar.

En esta simulación de una fusión de agujeros negros supermasivos, el agujero negro desplazado al azul más cercano al espectador amplifica el agujero negro desplazado al rojo de la parte posterior mediante una lente gravitacional. Davelaar & Haiman descubrieron un claro descenso del brillo cuando el agujero negro más cercano pasaba por delante de la sombra de su homólogo, una observación que podría utilizarse para medir el tamaño de ambos agujeros negros y probar teorías alternativas de la gravedad. Crédito de la imagen: Jordy Davelaar.

La nueva técnica desarrollada por los investigadores de la Universidad de Columbia Jordy Davelaar y Zoltan Haiman sólo tiene dos requisitos.

En primer lugar, se necesita un par de agujeros negros supermasivos en pleno proceso de fusión. En segundo lugar, hay que mirar al par en un ángulo casi lateral.

Desde este punto de vista lateral, cuando un agujero negro pasa por delante del otro, deberías ser capaz de ver un brillante destello de luz cuando el anillo brillante del agujero negro más lejano es magnificado por el agujero negro más cercano a ti, un fenómeno conocido como lente gravitacional.

El efecto de lente es bien conocido, pero lo que los investigadores descubrieron aquí fue una señal oculta: un distintivo descenso en el brillo correspondiente a la sombra del agujero negro de atrás.

Este sutil oscurecimiento puede durar desde unas horas hasta unos días, dependiendo de la masa de los agujeros negros y de la proximidad de sus órbitas.

Según los astrofísicos, si se mide el tiempo que dura el oscurecimiento, se puede estimar el tamaño y la forma de la sombra proyectada por el horizonte de sucesos del agujero negro, el punto de no salida, por el que nada escapa, ni siquiera la luz.

«Han sido necesarios años y un enorme esfuerzo de decenas de científicos para obtener esa imagen de alta resolución de los agujeros negros Messier 87», dijo el Dr. Davelaar.

«Ese enfoque sólo funciona para los agujeros negros más grandes y cercanos: el par en el corazón de Messier 87 y potencialmente nuestra propia Vía Láctea».

«Con nuestra técnica, se mide el brillo de los agujeros negros a lo largo del tiempo, no es necesario resolver espacialmente cada objeto. Debería ser posible encontrar esta señal en muchas galaxias».

«Esa mancha oscura nos habla del tamaño del agujero negro, de la forma del espacio-tiempo que lo rodea y de cómo la materia cae en el agujero negro cerca de su horizonte», dijo el profesor Haiman.

Los investigadores empezaron a interesarse por los agujeros negros supermasivos en llamas tras detectar una supuesta pareja de agujeros negros supermasivos en el centro de KIC 11606854 (apodado Spikey), una galaxia del Universo primitivo.

El telescopio espacial Kepler de la NASA estaba buscando las pequeñas caídas de brillo correspondientes a un planeta que pasara por delante de su estrella anfitriona. En lugar de ello, Kepler acabó detectando las llamaradas de lo que, según los científicos, son un par de agujeros negros en fusión.

Para saber más sobre las llamaradas, los autores construyeron un modelo. Sin embargo, se confundieron cuando su par de agujeros negros simulado produjo una inesperada, pero periódica, caída de brillo cada vez que uno orbitaba delante del otro.

Al principio, pensaron que se trataba de un error de codificación. Pero una comprobación posterior les llevó a confiar en la señal.

Mientras buscaban un mecanismo físico que lo explicara, se dieron cuenta de que cada bajada de brillo coincidía estrechamente con el tiempo que tardaba el agujero negro más cercano al espectador en pasar por delante de la sombra del agujero negro de atrás.

Actualmente están buscando datos de otros telescopios para intentar confirmar la caída que vieron en los datos de Kepler para verificar que Spikey está, de hecho, albergando un par de agujeros negros en fusión.

Si todo se confirma, la técnica podría aplicarse a otros pares de agujeros negros supermasivos que se sospecha que se están fusionando, entre los aproximadamente 150 que se han detectado hasta ahora y que están a la espera de confirmación.

A medida que vayan apareciendo telescopios más potentes en los próximos años, podrían surgir otras oportunidades.

«Incluso si sólo una pequeña fracción de estas binarias de agujeros negros tiene las condiciones adecuadas para medir nuestro efecto propuesto, podríamos encontrar muchas de estas caídas de agujeros negros», dijo el Dr. Davelaar.

Los resultados aparecen en dos artículos de la revista Physical Review Letters y la revista Physical Review D.

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Jordy Davelaar & Zoltán Haiman. 2022. Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observación de las sombras de los agujeros negros mediante tomografía de la curva de luz. Phys. Rev. Lett 128 (19): 191101; doi: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

Jordy Davelaar & Zoltán Haiman. 2022. Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries. Phys. Rev. D 105 (10): 103010; doi: 10.1103/PhysRevD.105.103010

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