Hacer supermasivo agujeros negros ¿tener amigos? La naturaleza de la formación de galaxias sugiere que la respuesta es sí, y de hecho, los pares de agujeros negros supermasivos deberían ser comunes en el Universo.
Soy astrofísico y estoy interesado en una amplia gama de problemas teóricos en astrofísica, desde la formación de las primeras galaxias hasta las interacciones gravitacionales de agujeros negros, estrellas e incluso planetas.
Los agujeros negros son sistemas intrigantes, y los agujeros negros supermasivos y los densos entornos estelares que los rodean representan uno de los lugares más extremos de nuestro universo.
El supermasivo calabozo que acecha en el centro de nuestra galaxia, llamada Sgr A *, tiene una masa de aproximadamente 4 millones de veces la de nuestro Sol. Un agujero negro es un lugar en el espacio donde la gravedad es tan fuerte que ni las partículas ni la luz pueden escapar de él.
Alrededor de Sgr A * hay un denso grupo de estrellas. Las mediciones precisas de las órbitas de estas estrellas permitieron a los astrónomos confirmar la existencia de este agujero negro supermasivo y medir su masa.
Durante más de 20 años, los científicos han estado monitoreando las órbitas de estas estrellas alrededor del agujero negro supermasivo. Según lo que hemos visto, mis colegas y yo mostramos
Agujeros negros supermasivos y sus amigos
Casi todas las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, tienen un agujero negro supermasivo en su corazón, con masas de millones a miles de millones de veces la masa del Sol. Los astrónomos son sigo estudiando por qué el corazón de las galaxias a menudo alberga un agujero negro supermasivo. Una idea popular se conecta con la posibilidad de que los agujeros supermasivos tengan amigos.
Para entender esta idea, necesitamos volver a cuando el Universo tenía unos 100 millones de años, a la era de las primeras galaxias. Eran mucho más pequeños que las galaxias de hoy, aproximadamente 10,000 o más veces menos masivas que la Vía Láctea.
Dentro de estas primeras galaxias, las primeras estrellas que murieron crearon agujeros negros, de aproximadamente decenas a miles de la masa del Sol.
Estos agujeros negros se hundieron en el centro de gravedad, el corazón de su galaxia anfitriona. Dado que las galaxias evolucionan fusionándose y colisionando entre sí, las colisiones entre galaxias darán como resultado pares de agujeros negros supermasivos, la parte clave de esta historia.
Los agujeros negros luego chocan y crecen en tamaño también. Un agujero negro que es más de un millón de veces la masa de nuestro hijo se considera supermasivo.
Si, de hecho, el agujero negro supermasivo tiene un amigo girando a su alrededor en órbita cercana, el centro de la galaxia está encerrado en una danza compleja. Los tirones gravitacionales de los socios también ejercerán su propio tirón sobre las estrellas cercanas que perturben sus órbitas.
Los dos agujeros negros supermasivos están orbitando entre sí, y al mismo tiempo, cada uno ejerce su propio tirón sobre las estrellas a su alrededor.
Las fuerzas gravitacionales de los agujeros negros tiran de estas estrellas y hacen que cambien su órbita; en otras palabras, después de una revolución alrededor del par de agujeros negros supermasivos, una estrella no volverá exactamente al punto en el que comenzó.
Utilizando nuestra comprensión de la interacción gravitacional entre el posible par de agujeros negros supermasivos y las estrellas circundantes, los astrónomos pueden predecir lo que sucederá con las estrellas.
Los astrofísicos como mis colegas y yo podemos comparar nuestras predicciones con las observaciones, y luego podemos determinar las posibles órbitas de las estrellas y determinar si el agujero negro supermasivo tiene un compañero que ejerce influencia gravitacional.
Usando una estrella bien estudiada, llamada S0-2, que orbita el agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la galaxia cada 16 años, ya podemos descartar la idea de que hay un segundo agujero negro supermasivo con una masa superior a 100,000 veces La masa del Sol y más de 200 veces la distancia entre el Sol y la Tierra. Si hubiera tal compañero, entonces yo y mis colegas hubiéramos detectado sus efectos en la órbita de SO-2.
Pero eso no significa que un agujero negro compañero más pequeño aún no pueda esconderse allí. Tal objeto puede no alterar la órbita de SO-2 de una manera que podamos medir fácilmente.
La física de los agujeros negros supermasivos
Los agujeros negros supermasivos han recibido mucha atención últimamente. En particular, el imagen reciente de tal gigante en el centro de la galaxia M87 abrió una nueva ventana para comprender la física detrás de los agujeros negros.
La proximidad del centro galáctico de la Vía Láctea, a solo 24,000 años luz de distancia, proporciona un laboratorio único para abordar problemas en la física fundamental de los agujeros negros supermasivos.
Por ejemplo, a los astrofísicos como yo les gustaría entender su impacto en las regiones centrales de las galaxias y su papel en la formación y evolución de las galaxias. La detección de un par de agujeros negros supermasivos en el centro galáctico indicaría que la Vía Láctea se fusionó con otra galaxia, posiblemente pequeña, en algún momento en el pasado.
Eso no es todo lo que el monitoreo de las estrellas circundantes nos puede decir. Las mediciones de la estrella S0-2 permitieron a los científicos llevar a cabo una prueba única de Einstein teoría general de la relatividad.
En mayo de 2018, S0-2 pasó por el agujero negro supermasivo a una distancia de solo 130 veces la distancia de la Tierra al Sol. Según la teoría de Einstein, la longitud de onda de la luz emitida por la estrella debería estirarse a medida que sube desde el pozo gravitacional profundo del agujero negro supermasivo.
Se detectó la longitud de onda de estiramiento que predijo Einstein, que hace que la estrella parezca más roja, y demuestra que la teoría de relatividad general describe con precisión el física en este extremo gravitacional zona.
Espero ansiosamente el segundo enfoque más cercano de S0-2, que ocurrirá en unos 16 años, porque los astrofísicos como yo podrán probar más de las predicciones de Einstein sobre la relatividad general, incluido el cambio de orientación de la órbita alargada de las estrellas. .
Pero si el agujero negro supermasivo tiene un compañero, esto podría alterar el resultado esperado.
Finalmente, si hay dos agujeros negros masivos orbitando entre sí en el centro galáctico, como mi equipo sugiere que es posible, emitirán ondas gravitacionales. Desde 2015, el LIGO-Virgo los observatorios han estado detectando onda gravitacional radiación de la fusión de agujeros negros de masa estelar y estrellas de neutrones.
Estas innovadoras detecciones han abierto una nueva forma para que los científicos perciban el Universo.
Cualquier onda emitida por nuestro hipotético par de agujeros negros estará en frecuencias bajas, demasiado bajas para que los detectores LIGO-Virgo las detecten. Pero un detector planeado basado en el espacio conocido como LISA puede detectar estas ondas que ayudarán a los astrofísicos a determinar si nuestro agujero negro en el centro galáctico está solo o tiene un compañero. 
Smadar Naoz, Profesor Asociado de Física y Astronomía, Universidad de California, Los Angeles.
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