Agujeros Negros

Registrando la velocidad de rotación de un agujero negro supermasivo.

Una campaña observacional reciente permitió a un equipo de astrónomos para medir con precisión la velocidad de rotación de uno de los agujeros negros más masivos del universo.

Un ejemplo de sistema de agujero negro binario en OJ287.  Las predicciones del modelo son verificadas mediante observaciones.

Una reciente campaña de observación que involucró a más de dos docenas de telescopios ópticos y el telescopio espacial de rayos X de la NASA permitió a un equipo internacional de astrónomos para medir con precisión la velocidad de rotación de uno de los agujeros negros más masivos del universo. La tasa de rotación de este agujero negro supermasivo es un tercio de la velocidad de centrifugado máxima permitida en la relatividad general. El poder del cuásar llamado OJ287 es de una masa solar equivalente a 18 mil millones la masa del Sol y más de seis veces el valor calculado para el anterior agujero negros más grande conocido y que se encuentra a unos 3,5 millones de años luz de la Tierra.

La curva de luz muestra que OJ 287 tiene una variación periódica de entre 11 y 12 años con un reducido pico doble de máximo brillo. Este tipo de variación sugiere que su motor es un agujero negro supermasivo binario donde un (relativamente) pequeño agujero negro con unos 100 millones de masas solares orbita el agujero negro mucho mayor con un período orbital observable de 11 a 12 años. El brillo máximo es obtenido cuando la componente menor atraviesa el disco de acrecimiento de la componente supermasiva en el pericentro o apsis.

Este quásar se encuentra cerca de la trayectoria aparente del movimiento del Sol sobre la esfera celeste, visto desde la Tierra, donde se llevan a cabo la mayoría de las búsquedas de los asteroides y cometas. Por lo tanto, sus mediciones fotométricas ópticas ya cubren más de 100 años. Un análisis cuidadoso de estas observaciones muestran que la OJ287 ha producido estallidos ópticos casi periódicos a intervalos de aproximadamente 12 años, según datos obtenidos desde alrededor de 1891. Además, una inspección minuciosa de los conjuntos de datos más recientes revela la presencia de picos dobles en estos estallidos.

Estas deducciones impulsaron Mauri Valtonen de la Universidad de Turku, en Finlandia y sus colaboradores para desarrollar un modelo para el cuásar OJ287 que permita albergar dos agujeros negros de masa desiguales. Su modelo consiste en un agujero negro masivo con un disco de acreción (es un disco de material interestelar formado por materia que cae en objetos como los agujeros negros) mientras que el agujero negro más pequeño gira alrededor de el. El cuásar OJ287 es visible debido a la lenta acumulación de materia presente en el disco de acreción en el mayor de los agujeros negros. Además, el pequeño agujero negro pasa a través del disco de acreción durante su órbita, que hace que el material del disco se caliente a altas temperaturas. Este material calentado fluye hacia fuera desde ambos lados del disco de acreción e irradia fuertemente una vez por semana. Esto hace que surjan picos en el brillo debido a la elipticidad de la órbita de los picos dobles, como se muestra en la figura. Este efecto se debe a la teoría general de la relatividad de Einstein, y su tasa de precesión depende principalmente de las dos masas de los agujeros negros y la velocidad de rotación del agujero negro más masivo.

En 2010, Valtonen y sus colaboradores utilizaron ocho estallidos brillantes del OJ287 para medir con precisión la velocidad de precesión de la órbita del agujero más pequeño. Este análisis reveló por primera vez la velocidad de rotación del agujero negro masivo, junto con estimaciones precisas de las masas de los dos agujeros negros. Esto fue posible gracias a la precesión de la órbita del agujero negro más pequeño y a la increíble velocidad de 39 grados por órbita individual. El modelo relativista general para OJ287 también predijo que la próxima explosión podría producirse en torno al 25 de noviembre de 2015, que marca el 100 aniversario de la teoría general de la relatividad de Einstein. Por tanto, una campaña de observación se puso en marcha para atrapar esta predicción. La bengala óptica  comenzó en torno al 18 de noviembre de 2015 y alcanzó su máximo brillo, el 4 de diciembre de 2015.

Fue el instante de la explosión más brillante que permitió Valtonen y sus compañeros de trabajo para medir directamente la velocidad de rotación del agujero negro más masivo siendo un tercio de la velocidad de centrifugado máxima permitida en la relatividad general. En otras palabras, su parámetro Kerr se mide con precisión para ser 0,31, y su valor máximo permitido en la relatividad general es uno. En comparación, el parámetro de Kerr del agujero negro final asociado con la primera vez directo detección de ondas gravitacionales solamente se estima que es por debajo de 0,7. Las observaciones que conducen a la medición de giro exacto se han realizado gracias a la colaboración de un número de telescopios ópticos en Japón, Corea del Sur, India, Turquía, Grecia, Finlandia, Polonia, Alemania, Reino Unido, España, EE.UU., y México. El esfuerzo, dirigido por Staszek Zola de Polonia, implicado cerca de 100 astrónomos de estos países. Curiosamente, varios participantes destacados eran astrónomos no profesionales que usaban sus propios telescopios. El equipo de Valtonen que desarrolló y contribuyó al modelo de agujero negro binario incluyen al astrofísico A. Gopakumar de TIFR en la India y el astrónomo italiano Ray Stefano Ciprini que obtuvieron y analizaron los datos de rayos-X. La aparición de la explosión óptica predicho de OJ287 también permitió al equipo para confirmar la pérdida de energía orbital a las ondas gravitacionales dentro de un dos por ciento de la predicción de la relatividad general. Esto proporciona la primera evidencia indirecta, por la emisión de ondas gravitacionales, de la existencia de un enorme agujero negro binario. Esta es una noticia alentadora, en un futuro próximo, para los esfuerzos de sincronización de la matriz Pulsar que detectan directamente las ondas gravitacionales de tales sistemas. Por lo tanto, la presente observación óptica de OJ287 hace un aporte apropiado en las celebraciones del centenario de la teoría de la relatividad general y se suma a la emoción de la primera observación directa de una señal de onda gravitatoria transitoria por LIGO.

Fuente

ASTRONOMY MAGAZINI

Instituto Tata de Investigación Fundamental, Mumbai, India,

Universidad de Turku, Finlandia,

Universidad de Jagiellonian, Cracovia, Polonia