Las simulaciones binarias de agujeros negros proporcionan un modelo para futuras observaciones

Los astrónomos continúan desarrollando simulaciones por ordenador para ayudar a los futuros observatorios a centrarse mejor en los agujeros negros, los habitantes más esquivos del universo.

Aunque es probable que los agujeros negros existan abundantemente en el universo, son muy difíciles de ver. Los científicos capturaron la primera imagen de radio de un agujero negro en 2019, y solo se han detectado unas cuatro docenas de fusiones de agujeros negros, desde la primera detección en 2015, a través de ondas gravitacionales.

No supone una gran cantidad de datos con los que trabajar. Por lo tanto, los científicos crean simulaciones de agujeros negros para obtener información que ayude a encontrar más fusiones con misiones futuras. Algunas de estas simulaciones, desarrolladas por científicos como el astrofísico Scott Noble, rastrean sistemas binarios de agujeros negros supermasivos. Los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos constan de dos monstruosos agujeros negros, como los que se encuentran en los centros de las galaxias, orbitando estrechamente entre sí hasta que finalmente se fusionan.

El gas brilla intensamente en esta simulación por ordenador de agujeros negros supermasivos a solo 40 órbitas de la fusión. Modelos como este pueden ayudar a los científicos a identificar ejemplos reales de estos poderosos sistemas binarios.
Créditos: Goddard Space Flight Center de la NASA.

Las simulaciones, creadas por ordenadores que trabajan con conjuntos de ecuaciones demasiado complicadas para resolver a mano, ilustran cómo la materia interactúa en entornos de fusión. Los científicos pueden usar lo que aprenden sobre las fusiones de agujeros negros para identificar algunas características reveladoras que les permitan distinguir las fusiones de agujeros negros de los eventos estelares. De esta manera, los astrónomos pueden buscar estos signos reveladores y detectar fusiones de agujeros negros en la vida real.

Noble, que trabaja en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, señaló que estos sistemas binarios emiten ondas gravitacionales e influyen en los gases circundantes, lo que genera espectáculos de luz únicos, detectables con telescopios convencionales. Esto permite a los científicos aprender sobre diferentes aspectos del mismo sistema. Las observaciones de múltiples combinan diferentes formas de luz u ondas gravitacionales y podrían permitir a los científicos refinar sus modelos de sistemas binarios de agujeros negros.

“Hemos dependido de la luz para ver todo lo que hay ahí fuera”, dijo Noble. “Pero no todo emite luz, por lo que la única forma de ‘ver’ directamente dos agujeros negros es a través de las ondas gravitacionales que generan. Las ondas gravitacionales y la luz del gas circundante son formas alternativas de aprender sobre el sistema, y ​​la esperanza reside en que se encuentren en el mismo punto “.

Las simulaciones binarias de agujeros negros también pueden ayudar a la misión Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Se espera que este observatorio de ondas gravitacionales ubicado en el espacio, dirigido por la Agencia Espacial Europea con importantes contribuciones de la NASA, se lance en 2034. Si las simulaciones determinan qué características electromagnéticas distinguen un sistema binario de agujeros negros de otros eventos, los científicos podrán detectar estos sistemas antes de LISA, según Noble. Estas observaciones podrían confirmarse mediante detecciones adicionales una vez que se lance LISA.

La primera imagen de un agujero negro muestra el núcleo de la galaxia Messier 87, obtenido en ondas de radio por el Event Horizon Telescope en 2019.
Créditos: National Science Foundation/Event Horizon Telescope Consortium.

Eso permitiría a los científicos verificar que LISA está funcionandocorrectamente, observar los sistemas durante un período más largo antes de que se fusionen, predecir lo que sucederá y probar esas predicciones.

“Nunca antes habíamos podido hacer esto”, dijo Noble. “Es muy emocionante”.

Las simulaciones se basan en un código que describe cómo cambia la densidad y la presión del plasma en las regiones de fuerte gravedad cerca de un solo agujero negro o estrella de neutrones, dijo Noble. Entonces modificó el código para permitir la evolución de dos agujeros negros.

Noble está trabajando con Goddard y socios universitarios, incluidos Bernard Kelly en la Universidad de Maryland, Manuela Campanelli que dirige un equipo de investigadores en el Instituto de Tecnología de Rochester y Julian Krolik que dirige un equipo de investigación de la Universidad Johns Hopkins.

Kelly crea simulaciones utilizando un enfoque especial llamado simulación de pinchazo en movimiento.

Estas simulaciones permiten a los científicos evitar representar una singularidad dentro del horizonte de sucesos, la parte del agujero negro de la que nada puede escapar, dijo Kelly. Todo lo que está fuera de ese horizonte de sucesos evoluciona, mientras que los objetos del interior permanecen congelados desde antes en la simulación. Esto permite a los científicos pasar por alto el hecho de que no sepan qué sucede dentro de un horizonte de eventos.

Para imitar situaciones de la vida real, donde los agujeros negros acumulan discos de acreción de gas, polvo y materia difusa, los científicos deben incorporar un código adicional para rastrear cómo el material ionizado interactúa con los campos magnéticos.

“Estamos tratando de unir sin problemas y correctamente, diferentes códigos y métodos de simulación para producir una imagen coherente”, dijo Kelly.

En 2018, el equipo publicó un análisis de una nueva simulación en The Astrophysical Journal que incorporó por completo los efectos físicos de la teoría general de la relatividad de Einstein, para mostrar los efectos de una fusión en el entorno que la rodea. La simulación estableció que el gas en los sistemas binarios de agujeros negros brillará predominantemente con luz ultravioleta y rayos X.

Esta visualización de los datos de la supercomputadora muestra el brillo de rayos X del disco de acreción interno de un agujero negro.
Créditos: NASA Goddard/Jeremy Schnittman/Scott Noble.

Las simulaciones también mostraron que los discos de acreción en estos sistemas no son completamente fluidos. Se forma un grupo denso que orbita al binario, y cada vez que un agujero negro se cierra, extrae la materia del grupo. Esa colisión calienta la materia, produciendo una señal brillante y creando una fluctuación de luz observable.

Además de mejorar la precisión de las simulaciones, el astrofísico de Goddard Jeremy Schnittman dijo que también necesitan poder aplicar el mismo código de simulación a un solo agujero negro o un binario, para mostrar las similitudes y las diferencias entre los dos sistemas. .

“La simulación nos dirá cómo deberían verse los sistemas”, dijo Schnittman. “LISA funciona más como una antena de radio que como un telescopio óptico. Vamos a escuchar algo en el universo y obtendremos su dirección básica, pero nada muy preciso. Lo que tenemos que hacer es usar otros telescopios y apuntar a esa parte del cielo. Las simulaciones nos dirán qué buscar para encontrar un agujero negro que se fusiona ”.

Kelly dijo que LISA será más sensible a frecuencias de ondas gravitacionales más bajas que el actual observador de ondas gravitacionales ubicado en tierra, el Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Eso significa que LISA podrá detectar sistemas binarios de masa más pequeña mucho antes y probablemente detectará sistemas fusionados a tiempo para alertar a los telescopios electromagnéticos.

Para Schnittman, estas simulaciones son clave para comprender los datos de la vida real que recopilen LISA y otras naves espaciales. El caso de los modelos puede ser aún más importante para los agujeros negros binarios, dijo Schnittman, porque la comunidad científica tiene pocos datos.

“Probablemente nunca encontremos un agujero negro binario con un telescopio si no los simulamos hasta el punto en que sepamos exactamente lo que estamos buscando, porque están tan lejos, son tan pequeños, que vas a ver sólo una pizca de luz ”, dijo Schnittman.

Edición: R. Castro.