Ausencia del estallido previsto en la galaxia OJ 287 e implicaciones

Observaciones de radio a alta energía avalan la existencia de un par de agujeros negros en el centro de la galaxia OJ 287 con una masa menor a 100 millones de masas solares para el agujero negro primario.

Varios misterios pendientes, como la aparente ausencia del último gran estallido de OJ 287 y el muy discutido mecanismo de emisión durante los estallidos principales, pueden resolverse de esta manera, según los investigadores de la Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) que lideran la nueva investigación.

Los blázares son galaxias que albergan potentes y duraderos chorros de partículas relativistas que se lanzan en las inmediaciones de su agujero negro supermasivo central.

Cuando dos galaxias colisionan y se fusionan, se forman agujeros negros binarios supermasivos. Estas binarias son de gran interés porque desempeñan un papel clave en la evolución de las galaxias y el crecimiento de los agujeros negros supermasivos. Además, las binarias en coalescencia son las fuentes de ondas gravitacionales más ruidosas del universo.

OJ 287 es un brillante blazar en dirección a la constelación de Cáncer, a una distancia de unos 5.000 millones de años luz. Es uno de los mejores candidatos a albergar un agujero negro binario supermasivo compacto. OJ 287 es famoso por sus excepcionales estallidos de radiación que se repiten cada 11 o 12 años. Algunos de ellos son tan brillantes que OJ 287 se convierte temporalmente en la fuente más brillante de su tipo en el cielo. Sus estallidos repetidos son tan notables que se han propuesto y discutido en la literatura varios modelos binarios diferentes para explicarlos.

Como el segundo agujero negro del sistema orbita alrededor del otro agujero negro más masivo, impone señales semiperiódicas en la salida de luz del sistema al afectar al chorro o al disco de acreción del agujero negro más masivo.

Sin embargo, hasta ahora no se había determinado de forma directa e independiente la masa del agujero negro, y ninguno de los modelos se había podido probar de forma crítica en campañas de observación sistemáticas, porque estas campañas carecían de una cobertura de banda ancha que incluyera radiación de muchas frecuencias diferentes.

Por primera vez se utilizaron múltiples observaciones simultáneas de rayos X, UV y radio, junto con bandas ópticas y de rayos gamma. Los nuevos hallazgos han sido posibles gracias al proyecto MOMO ("Multiwavelength Observations and Modeling of OJ 287"), que es uno de los proyectos de seguimiento multifrecuencia más densos y duraderos de cualquier blazar que incluya rayos X, y el más denso jamás realizado en OJ 287.

"OJ 287 es un laboratorio excelente para estudiar los procesos físicos que reinan en uno de los entornos astrofísicos más extremos: discos y chorros de materia en las inmediaciones de uno o dos agujeros negros supermasivos", afirma en un comunicado Stefanie Komossa, del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR), primera autora de los dos estudios aquí presentados. "Por ello, iniciamos el proyecto MOMO. Consiste en observaciones de alta cadencia de OJ 287 en más de 14 frecuencias, desde el régimen de radio hasta el de alta energía, que duran años, además de seguimientos específicos en múltiples instalaciones terrestres y espaciales cuando el blazar se encuentra en estados excepcionales."

Uno de los estudios se ha publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters y el otro en The Astrophysical Journal (ApJ).

"Ya se han tomado y analizado miles de conjuntos de datos. Esto hace que OJ 287 destaque como uno de los blazares mejor monitorizados de la historia en el régimen de rayos UV-X-radio", añade el coautor Alex Kraus, del MPIfR. "El radiotelescopio Effelsberg y la misión espacial Swift desempeñan un papel central en el proyecto".

El telescopio Effelsberg proporciona información en una amplia gama de radiofrecuencias, mientras que el observatorio Neil Gehrels Swift se utiliza para obtener datos simultáneos de UV, ópticos y de rayos X. Se han añadido datos de rayos gamma de alta energía procedentes del Observatorio Espacial de Rayos Gamma Fermi, así como datos de radio del Conjunto Submilimétrico (SMA) de Maunakea/Hawaii.

El chorro domina la emisión electromagnética de OJ 287 debido a su naturaleza de blazar. El chorro es tan brillante que eclipsa la radiación del disco de acreción (la radiación de la materia que cae en el agujero negro), lo que hace difícil o imposible observar la emisión del disco de acreción, como si se mirara directamente al faro de un coche.

Sin embargo, debido al gran número de observaciones MOMO que cubrían densamente la emisión luminosa de OJ 287 (una nueva observación casi cada dos días con Swift), se descubrieron "desvanecimientos profundos". Se trata de momentos en los que la emisión del chorro se desvanece rápidamente, lo que permite a los investigadores restringir la emisión del disco de acreción.

Los resultados muestran que el disco de materia que rodea al agujero negro es al menos 10 veces más débil de lo que se pensaba, con una luminosidad estimada en no más de 2 x 1046 erg/s, lo que corresponde a unos 5 billones de veces la luminosidad de nuestro sol.

Por primera vez se ha obtenido la masa del agujero negro primario de OJ 287 a partir del movimiento de la materia gaseosa ligada al agujero negro. La masa asciende a 100 millones de veces la masa de nuestro sol. "Este resultado es muy importante, ya que la masa es un parámetro clave en los modelos que estudian la evolución de este sistema binario: A qué distancia están separados los agujeros negros, con qué rapidez se fusionarán, qué intensidad tendrá su señal de ondas gravitacionales...", afirma Dirk Grupe, de la Universidad Northern Kentucky, coautor de ambos estudios.

"Los nuevos resultados implican que ya no es necesaria una masa excepcionalmente grande del agujero negro de OJ 287, superior a 10.000 millones de masas solares; tampoco es necesario un disco de materia especialmente luminoso que se acrete sobre el agujero negro", añade Thomas Krichbaum, del MPIfR, coautor del artículo de ApJ. Los resultados favorecen más bien un modelo binario de masa más modesta".

El estudio también resuelve dos viejos enigmas: la aparente ausencia de los últimos estallidos brillantes por los que es famoso OJ 287 y el mecanismo de emisión que hay detrás de los estallidos. Las observaciones de MOMO permiten determinar el momento exacto del último estallido. No se produjo en octubre de 2022, como predice el modelo de "masa enorme", sino en 2016-2017, que MOMO cubrió ampliamente. Además, las observaciones de radio realizadas con el telescopio Effelsberg de 100 metros revelan que estos estallidos son de naturaleza no térmica, lo que implica que los procesos de chorro son la fuente de energía de los estallidos.

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