Los científicos revelan cómo los agujeros negros se aglutinan en pares durante su fusión

Crédito de la imagen: Stanford

Visualice la galaxia Vía Láctea: un disco de estrellas y gas, un esferoide estelar y un gran halo de materia oscura. Sus espirales rodean un agujero negro que es super masivo --casi tres millones el tamaño de nuestro sol. La masa total de la Vía Láctea es de alrededor de 100 mil millones de veces de nuestra masa solar --inmensa para nosotros pero de tamaño promedio entre las galaxias.

Ahora imagine a esa galaxia encontrando a gemela. La primera galaxia se fusiona con la segunda para producir una majestuosa y colosal galaxia. Los cosmólogos creen que es así como crecen las galaxias -- a través de un complejo proceso de continuas fusiones.

Actualmente, utilizando supercomputadoras para simular las fusiones galácticas, los científicos de Stanford y otros lugares han observado la formación de un nuevo tipo de estructura -- un disco central de gas que puede tener desde un ciento a algunos miles de años luz de amplitud y desde cientos de millones a miles de millones de masas solares. Publicaron la primera formación simulada de un par de agujeros negros super masivos (SMBH siglas en inglés de supermassive black hole) en la edición del 7 de junio de la publicación Science Express, una versión en internet de la revista Science.

"La Teoría de la Relatividad General que Einstein desarrolló hace casi 90 años que describe el funcionamiento de la gravedad, ha sido verificada en muchas de sus predicciones", dice Stelios Kazantzidis, del Instituto Kavli de Astrofísica de Partículos y Cosmología, de Stanford, co-autor del informe. "Sin embargo, existe una incidencia importante de esta teoría que no ha podido verificarse, y es la existencia de ondas gravitacionales. Debido al hecho de que SMBH binarios fusionados constituyen las fuentes más potentes de emisiones de ondas graviacionales en el universo, es de gran importancia establecer las condiciones necesarias que conducen a la fusión de dos SMBH".

Kazantzidis y Lucio Mayer del Instituto Federal suizo de Tecnología de Zurich (ETH) y la Universidad de Zurich, autores principales, conceptualizaron el proyecto y diseñaron y llevaron a cabo simulaciones numéricas. Mónica Colpi de la Universidad Milano-Bicocca y Piero Madau de la Universidad de California Santa Cruz ayudaron a interpretar los resultados. Tomas Quinn de la Universidad de Washington y James Wadsley de la Universidad McMaster escribieron el código utilizado para llevar a cabo las simulaciones.

Un SMBH binario consiste de dos SMBH que orbitan alrededor de su centro de masa. Los agujeros negros pueden o no fusionarse dependiendo de la existencia de un mecanismo que pueda extraer el movimiento angular de sus órbitas y reducir su relativa separación, mencionó Kazantzidis.

"Un par de SMBH puede interactuar con las estrellas de alrededor o con el gas", dijo. "Tanto el gas como las estrellas ejercen una fuerza de fricción en los agujeros negros. Esta fuerza de fricción extrae energía del movimiento orbital de los SMBHs. Como resultado, la separación entre ellos se reduce gradualmente". No queda claro si es la fricción de las estrellas o la del gas la que predomina en el proceso.

Para figurar una fusión galáctica, los científicos utilizaron primero un programa computacional que construía galaxias basado en observaciones y predicciones teóricas. Por ejemplo, todas las galaxias están rodeadas de extensos e inmensos halos de materia oscura, y las galaxias espirales contienen un disco de estrellas. En todas los modelos simulados de galaxias de disco deben estar presentes estos dos componentes.

"Una vez construidos estos modelos galácticos, debemos implementar los parámetros de las órbitas de las galaxias involucradas y ponerlas en un curso de colisión", señaló Kazantzidis.

Los científicos descubrieron que cuando las galaxias fusionadas contienen gas, sus SMBHs formarán un sistema binario en la mayoría de los casos. Una vez formado el par, los agujeros negros pueden continuar reduciendo su separación hasta que tengan una separación similar a la amplitud de nuestro sistema solar, dijo Kazantzidis.

"En este punto podemos predecir que deberán comenzar a producir fuertes ondas gravitacionalese", dijo. "Dado que la emisión de ondas extrae energía del agujero negro binario, los dos agujeros finalmente se fusionarán, menos de un millón de años desde que hayan iniciado la formación del sistema binario".

Este reporte informa la primera vez que una fusión galáctica es seguida de la formación de un SMBH binario atado gravitacionalmente y por debajo de la escala de unos pocos años luz.

Aunque científicos anteriores han investigado la formación de SMBH binarios utilizando super computadores para simular colisiones galácticas, Kazantzidis y sus colegas siguieron el proceso en un amplio rango de escalas espaciales y temporales.

"Con pocas excepciones, los estudios primrios no exploraron el papel que juega en gas en la evolución de un par de SMBH", agregó Kazantzidis. "La evidencia teórica y observacional sugiere que las regiones centrales de los remanentes de la fusión contienen cantidades significativas de gas. Nuestras simulaciones proporcionan nuevas pesquisas en la formación de SMBH pares y su fusión, y revela el papel vital del componente gaseoso de las galaxias para determinar el destino de los SMBHs".

Las galaxias promedio como la Vía Láctea no contienen discos nucleares gaseosos tan espectaculares, lo cual sugiere que las fusiones son importantes en la formación de esas estructuras, mencionó kazantzidis. "Nuestras simulaciones fueron las primeras en informar la formación de semejantes discos nucleares en galaxias fusionadas. Es natural asumir que la gran reserva de gas presente en estos discos nucleares representa el combustible que alimenta a los inmensos agujeros negros centrales e impulsa el activo núcleo galáctico".

Los resultados son buenas noticias para el experimento LISA, la Antena Espacial por Interferometría Láser (Laser Interferometer Space Antenna), un observatorio espacial diseñado para detectar ondas gravitacionales utilizando un láser de interferometría en distancias astronómicas. El detector LISA es ideal para demostrar la fusión de los inmensos agujeros negros semejantes a los simulados por Kazantzidis y sus colegas. LISA, un proyecto conjunto de la NASA y la Agencia Espacial Europea, podría empezar sus observaciones en 2015.

"La detección de las ondas gravitacionales a consecuencia de la fusión de agujeros negros super masivos no sólo será la confirmación más convincente de una de las más elementales teorías de la Física (La Teoría de la Relatividad General), sino también la confirmación de nuestro panorama general de la formación y evolución de las galaxias", mencionó Kazantzidis. "Este es uno de los más hermosos ejemplos de las profundas conexiones entre la astrofísica y la física fundamental".

Las simulaciones se llevaron a cabo en super computadoras del Centro de Super-Computación de Pittsburgh, la Universidad de Zurich y el ETH de Zurich. "El número de cálculos necesarios para el proceso es astronómico", señaló Kazantzidis. "Es por eso que recurrimos a potentes super computadoras capaces de realizar un gran número de cálculos por segundo. Las simulaciones por computadora nos permiten compactar de manera efectiva las vastas escalas de tiempo cosmológicas que aplican para las grandes estructuras en nuestro universo a semanas de tiempo virtual. Esto nos ofrece una visión completamente nueva del universo de lo que disponemos hoy solamente por observación.

Aún más, las super computadoras es lo más parecido a un laboratorio de Física disponible para los astrofísicos. "Las simulaciones numéricas que llevamos a cabo constituyen los cálculos más extensos jamás realizados sobre esta materia, consumiendo varios meses de tiempo de super computación cada uno en varios centros alrededor del mundo", mencionó.

A pesar de que la fusión simulada por los científicos --donde ambas galaxias tienen igual masa -- es menos problable que una fusión de galaxias distintas, no es del todo improbable, señaló Kazantzidis. De hecho, es el destino de nuestra propia Vía Láctea.

"Nuestra galaxia está en curso de colisión con su vecina mayor, Andrómeda, que tendrá lugar en aproximadamente tres mil millones de años", puntualizó Kazantzidis. "El resultado de esta colisión será la destrucción de los discos y la formación de una galaxia elíptica".
El trabajo fue patrocinado por el Departamento de Energía de Estados Unidos, la NASA y la Fundación Alexander von Humboldt.

Autor: Dawn Levy.

Original en inglés: Stanford News Service

Traducido por: María Luisa Hernández Castro