Estudios de la NASA con Swift Observan Agujeros Negros Gigantes Agitando Gas

Científicos utilizando observaciones del Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA han detectado, por primera vez, la señal de un par de agujeros negros gigantes perturbando una nube de gas en el centro de una galaxia.

«Es un evento muy extraño, llamado AT 2021hdr, que se repite cada pocos meses», comentó Lorena Hernández-García, astrofísica del Instituto Milenio de Astrofísica, el Núcleo Milenio en Investigación Transversal y Tecnología para Explorar Agujeros Negros Supermasivos, y la Universidad de Valparaíso en Chile. «Creemos que una nube de gas envolvió a los agujeros negros. A medida que orbitan entre sí, los agujeros negros interactúan con la nube, perturbando y consumiendo su gas. Esto produce un patrón oscilante en la luz del sistema.»

Un artículo sobre AT 2021hdr, liderado por Hernández-García, fue publicado el 13 de noviembre en la revista Astronomy and Astrophysics.

Los agujeros negros dobles están en el centro de una galaxia llamada 2MASX J21240027+3409114, ubicada a 1,000 millones de años luz en la constelación norteña de Cygnus. La pareja está separada por unos 16 mil millones de millas (26 mil millones de kilómetros), lo suficientemente cerca como para que la luz tarde solo un día en viajar entre ellos. Juntos contienen 40 millones de veces la masa del Sol.

Los científicos estiman que los agujeros negros completan una órbita cada 130 días y colisionarán y se fusionarán en aproximadamente 70,000 años.

AT 2021hdr fue detectado por primera vez en marzo de 2021 por el ZTF (Zwicky Transient Facility) liderado por Caltech en el Observatorio Palomar en California. Fue señalado como una fuente potencialmente interesante por ALeRCE (Automatic Learning for the Rapid Classification of Events). Este equipo multidisciplinario combina herramientas de inteligencia artificial con la experiencia humana para informar eventos en el cielo nocturno a la comunidad astronómica utilizando los vastos datos recopilados por programas de investigación como ZTF.

«Aunque inicialmente se pensó que este destello era una supernova, las erupciones en 2022 nos hicieron considerar otras explicaciones», dijo la coautora Alejandra Muñoz-Arancibia, miembro del equipo de ALeRCE y astrofísica del Instituto Milenio de Astrofísica y el Centro de Modelamiento Matemático de la Universidad de Chile. «Cada evento subsecuente nos ha ayudado a refinar nuestro modelo de lo que está ocurriendo en el sistema.»

Desde el primer destello, ZTF ha detectado erupciones de AT 2021hdr cada 60 a 90 días.

Hernández-García y su equipo han estado observando la fuente con Swift desde noviembre de 2022. Swift les ayudó a determinar que el sistema binario produce oscilaciones en la luz ultravioleta y de rayos X en las mismas escalas de tiempo que ZTF las ve en el rango visible.

Los investigadores realizaron una eliminación tipo Ricitos de Oro de diferentes modelos para explicar lo que vieron en los datos.

Inicialmente, pensaron que la señal podría ser el subproducto de la actividad normal en el centro galáctico. Luego consideraron si un evento de disrupción de marea —la destrucción de una estrella que se acercó demasiado a uno de los agujeros negros— podría ser la causa.

Finalmente, se decidieron por otra posibilidad, la disrupción de marea de una nube de gas, una que era más grande que el propio binario. Cuando la nube encontró los agujeros negros, la gravedad la destrozó, formando filamentos alrededor de la pareja, y la fricción comenzó a calentarla. El gas se volvió particularmente denso y caliente cerca de los agujeros negros. A medida que el binario orbita, la compleja interacción de fuerzas expulsa algo del gas del sistema en cada rotación. Estas interacciones producen la luz fluctuante que Swift y ZTF observan.

Hernández-García y su equipo planean continuar observando AT 2021hdr para entender mejor el sistema y mejorar sus modelos. También están interesados en estudiar su galaxia de origen, que actualmente se está fusionando con otra cercana —un evento reportado por primera vez en su artículo.

«A medida que Swift se acerca a su vigésimo aniversario, es increíble ver toda la nueva ciencia que aún está ayudando a la comunidad a lograr», dijo S. Bradley Cenko, investigador principal de Swift en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. «Todavía tiene mucho que enseñarnos sobre nuestro cosmos en constante cambio.»

Las misiones de la NASA son parte de una red mundial en crecimiento que observa los cambios en el cielo para resolver los misterios de cómo funciona el universo.

Goddard gestiona la misión Swift en colaboración con Penn State, el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México, y Northrop Grumman Space Systems en Dulles, Virginia. Otros socios incluyen la Universidad de Leicester y el Laboratorio de Ciencia Espacial Mullard en el Reino Unido, el Observatorio de Brera en Italia, y la Agencia Espacial Italiana.