Este post es el segundo de una serie que acompaña a la próxima publicación de mi libro “Gravity’s Engines: How Bubble-Blowing Black Holes Rule Galaxies, Stars, and Life in the Cosmos» (Scientific American / FSG).

Agujeros por todas partes ….

Los agujeros negros, incluso los muy enormemente masivos, son pequeños, como puntitos microscópicos dispersos en la inmensidad del espacio-tiempo. Incluso los más grandes, quizá de unas diez mil millones de veces la masa de nuestro Sol, tienen horizontes de sucesos (es el área desde el cual la luz no puede salir jamás), que llegaría solamente a cerca de la órbita de Neptuno. Eso alcanza meramente a 4,5 mil millones de kilómetros (ó 0,00047 años-luz), absolutamente nada en comparación con la escala de las galaxias, cuyos componentes estelares pueden alcanzar longitudes de más de 100.000 años luz. Y nada tan masivo existe en la Vía Láctea, donde está el agujero negro más grande sólo llega a unos 4 a 5 millones de masas solares, acechando en las inmediaciones del centro galáctico. Su horizonte de sucesos es tan sólo un poco mayor que el radio de nuestro sol.

La mayoría de los agujeros de nuestra galaxia son quizás de 4 ó 5 masas solares, y muy pequeñitos, con horizontes de sólo unos 12 km. de radio. Pero debe haber decenas de miles, los inevitables restos de las cortas vidas de enormes estrellas. Sin embargo, irónicamente, las evidencias astronómicas sobre la existencia de estos objetos es menos segura que la de sus primos supermasivos, asentados imperialmente en el centro aparente de cada galaxia. La mayoría de las observaciones astronómicas más prometedoras de los agujeros negros de baja masa proviene del estudio de los sistemas binarios, donde una estrella compañera visible está siendo devorada por algo mucho más oscuro. El prototipo es la binaria de rayos X conocida como Cygnus X-1, descubierta en los años 1970. Se trata de una estrella azul gigante en su órbita de seis días con un objeto visto de forma indirecta, de unas diez veces la masa del sol. Ese cuerpo parece arrastrar hacia sí el material de la estrella y arremolinarlo en un disco caliente de materia que ilumina con fotones de rayos-X. Demasiado grande para ser una estrella de neutrones (las cuales colapsan en un agujero negro en tanto que alcanza unas 3 masas solares), o una enana blanca (limitada a unas 1,4 masas solares), este compañero se ajusta a la factura de un agujero negro.

Artist’s impression of Cygnus X-1 (Credit: ESA)

No obstante, sigue habiendo incertidumbres en las mediciones de este sistema. El mismo brillo de la estrella azul hace extremadamente difícil precisar la naturaleza de su compañero. Otros tipos de binarios, conocidos como los transitorios rayos X blandos, pueden presentar claras indicaciones de la masa estelar de agujeros negros. En estos sistemas, una estrella de tamaño más modesto orbita cerca de una masiva compañera invisible, pero el flujo de materia entre ellas es sólo ocasional, una llamarada de luz de rayos X durante unos seis meses cada 10 a 50 años. Esto proporciona una amplia oportunidad para los astrónomos de inspeccionar estos objetos cuando están básicamente dormidos, desenredando la luz de ambos cuerpos. En estos casos (un sistema llamado V404 Cygni es el mejor de ellos) parece que los compañeros son demasiado masivos para ser estrellas de neutrones, y es probable que los agujeros negros tengan alrededor de diez veces la masa del sol.

Todavía hay quienes cuestionan si los agujeros negros de este tamaño son realmente lo que creemos que son. Parte de este escepticismo se basan en datos no del todo inverosímiles, aunque no probados. Por ejemplo, ciertas teorías de campo de la interación nuclear fuertepermite el confinamiento de neutrones y protones en densidades más bajas de lo normalmente considerado, dando como resultado la formación de objetos que no son ni estrellas de neutrones ni agujeros negros (‘Q-estrellas‘). Estos pueden ser tan masivos como 100 soles, sin embargo, de un radio sólo un 40% más grande que el horizonte de sucesos de un agujero negro de masa equivalente. La característica distintiva para los astrónomos sería esta diferencia en el radio, y por supuesto, la presencia de una superficie realmente observable en lugar de un horizonte de eventos.

Por el contrario, la existencia de agujeros negros supermasivos, de millones a decenas de miles de millones de veces la masa del Sol, se mantiene más en pie , ya que realmente no hay teorías alternativas plausibles para la existencia de tales gigantescas masas, pero los objetos siguen siendo muy compactos en el universo. También son fuerzas extremadamente poderosas a lo largo de todo el cosmos, que producen cantidades colosales de energía en los centros de muchas galaxias que disparan hacia el exterior grandes cantidades de radiación y partículas, en forma de haces ultra-energéticos o chorros de materia que se extienden por cientos de miles de años luz. La energía proviene de la destrucción de la materia que está atrapada en sus pozos de gravedad increíblemente fuertes, y se propagan por todo el espacio-tiempo girando en sus proximidades.

El agujero negro gigante que hay en el centro de la Vía Láctea se ha precisado de una manera especialmente espectacular, al ver lo que hace sobre la órbita de las estrellas cercanas. Las animaciones siguientes provienen de datos reales tomados por el grupo de Reinhard Genzel en el Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, y muestra el movimiento de las estrellas en el centro galáctico en un período de dieciséis años, desde 1992 a 2008 (Genzel, junto con Andrea Ghez y su grupo de la UCLA, que recientemente compartió el Premio Crafoord por su trabajo pionero en la localización y caracterización de un agujero negro en el centro de nuestra galaxia).

Podrá ver la animación pulsando en la imagen. Observará de cerca el movimiento rápido y repentino de las estrellas en el centro en torno a algo invisible. Ese algo tiene una masa de más de 4 millones de soles.

También se pueden ver los movimientos en el vídeo más abajo, con poco más de detalle, donde las órbitas estelares en los acercamientos y las áreas de datos reales, enfocan el rápido movimiento de la estrella más cercana a cerca de 12.000 km. por segundo, casi 400 veces más rápido que la órbita de la Tierra alrededor del Sol, lo que revela la escala colosal de una masa invisible en el centro.

Vídeo Sagitario A

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Las órbitas de las estrellas dentro de 1 arcosegundo del centro galáctico tras un seguimiento de 15 años (Keck/UCLA/A. Ghez). En este gráfico se muestran las trayectorias estelares de dichas observaciones llevadas a cabo por el grupo de Ghez, donde se ven las muy elípticas órbitas en torno a una masa central invisible.

Hay una plenitud de evidencias, partiendo de otras observaciones de la longitud de onda de radio del centro galáctico, donde los datos de rayos X revelan los acontecimientos casi a diario de ‘estallidos’ en esa región, una posible firma de trozos de materia, del tamaño de asteroides, que han conseguido salir, completamente triturados, fuera del horizonte del eventos.

Algunas de las cuestiones más importantes de hoy día en la astrofísica se articulan acerca de cómo se originan este tipo de agujeros negros y de qué manera se relacionan con las inmediaciones concretas de su alrededor, al fin y al cabo, el mismo tipo de entorno del que surgieron. Este planteamiento suena un tanto extraño, pero de fascinantes posibilidades, ¿resulta concebible que exista una conexión entre la naturaleza de estos lugares extraordinarios y las condiciones que dieron origen a la vida en el universo?

El autor señala en este final de artículo …. To be continued, es decir, que continuará.

Acerca del autor: Caleb Scharf es director del Centro multidisciplinario de Astrobiología de la Universidad de Columbia. Ha trabajado en los campos de la cosmología observacional, la astronomía de rayos-X, y más recientemente, en la ciencia exoplanetaria. Su libro, “Gravity’s Engines: How Bubble-Blowing Black Holes Rule Galaxies, Stars, and Life in the Cosmos» estará disponible a partir del 7 de agosto 2012, y además, está trabajando en ‘The Copernicus Complex’ (ambos de la revista Scientific American / Farrar, Straus y Giroux).

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