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Agujeros negros: los dragones de las galaxias

M. VillarPor Montserrat Villar (CSIC)*

Érase una vez un dragón que dormitaba en el interior de una gruta, en pleno corazón del reino. Los habitantes de aquel país vivían plácidamente y sin grandes avatares, salvo los propios de una existencia cotidiana. Todos sabían que allí moraba un temible monstruo. Sin embargo, residían despreocupados pues este pasaba los días escondido y tranquilo, sin molestar a nadie. Salvo a quienes entraban en la cueva: estos no regresaban jamás. La bestia entonces despertaba y las consecuencias eran devastadoras.

Muchas galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, contienen agujeros negros en sus centros. Son los monstruos de nuestra historia. Los denominamos ‘supermasivos’ por sus masas enormes. Si usamos la de nuestro Sol como unidad, las masas pueden estar en un rango de entre unos pocos millones y hasta 20 mil millones de soles. Habría que juntar todas las estrellas de una galaxia como la Gran Nube de Magallanes para reunir una masa equivalente. Con la asombrosa diferencia de que ocuparían un volumen menor que el del Sistema Solar.

Superviento

Impresión artística de un superviento generado en el entorno de un agujero negro en la galaxia activa NGC 3783. / ESO-M. Kornmesser.

En general, los agujeros negros supermasivos se hallan en estado latente. No sabríamos de su existencia si no fuera porque vemos que las estrellas y el gas en las proximidades del centro galáctico se mueven tan deprisa y en un volumen tan pequeño, que solo un agujero negro puede explicar movimientos tan extremos. Sin embargo, en un 10% de las galaxias estos agujeros negros presentan una actividad frenética. Son las llamadas galaxias activas. En ellas el agujero negro está siendo alimentado; aportes suficientes de material (gas, estrellas) hacen que se active. Como el dragón que dormita tranquilo sin molestar a nadie hasta que entra algún incauto despistado y su furia se desata. En estos casos la actividad del agujero negro puede hacer que el centro de una galaxia brille tanto como decenas, hasta miles de galaxias juntas. Esta luz tan intensa es emitida por material muy caliente cercano al agujero negro, pero situado fuera del horizonte de sucesos, pues nada que cruce este horizonte puede escapar, ni siquiera la luz.

Un descubrimiento de gran importancia realizado hace tan sólo unos 15 años ha mostrado que (dicho de manera simplificada) la masa de las estrellas de una galaxia y la del agujero negro supermasivo se hallan relacionadas, siendo la masa del agujero negro aproximadamente una milésima (0,1%) la de la galaxia. Es decir, cuanta más masa tiene uno, más masa tiene la otra. Como si lo que pesa el dragón de la historia estuviera relacionado con lo que pesan todos los habitantes del reino juntos.

Grafica

La masa del agujero negro supermasivo está íntimamente relacionada con la masa de las estrellas de la galaxia que lo alberga (K. Cordes y S. Brown, STScI).

Esto sugiere que la galaxia y el agujero negro central no se formaron y crecieron de manera independiente, sino que hubo algún mecanismo que los conectaba. Sin embargo, dada la enorme diferencia en masa, la región en la que se siente la gravedad del agujero negro es diminuta en relación a la galaxia entera. Esto puede imaginarse al comparar el tamaño de una moneda de euro con el de una ciudad como Madrid. ¿Qué mecanismos pueden conectar la evolución de algo tan pequeño y la de algo comparativamente gigantesco? Es una cuestión que actualmente causa un acalorado debate en la comunidad científica, puesto que su respuesta tiene implicaciones importantes en cuanto a nuestra comprensión de la formación y la evolución de galaxias.

Un posible mecanismo es el de los llamados ‘supervientos’. Los modelos predicen que con su enorme potencia, la energía liberada en las proximidades del agujero negro activo podría ser capaz de expulsar gran parte del gas en las galaxias en formación. Este ‘superviento’ privaría a las galaxias de buena parte del combustible necesario para formar nuevas estrellas y alimentar el agujero negro. Así, la energía inyectada en el medio circundante regularía simultáneamente el crecimiento del agujero negro y el de la galaxia que lo alberga, que podría así ralentizarse, llegando incluso a detenerse. Según esto, los agujeros negros supermasivos ‘conspiraron’ en los inicios para manipular la formación de las galaxias; algo comparativamente minúsculo consiguió así moldear la evolución de algo gigantesco.

El dragón de la historia no ha medido las consecuencias de su devastadora violencia: ha destruido su entorno causando dramáticos efectos que impiden el crecimiento futuro de la población del reino y ha provocado además su propia muerte por inanición.

¿O no…?

¿Qué ocurrirá si un día, cuando todo parezca inerte y en calma, un aventurero temerario se arriesgue a entrar en la gruta?

¿Volverá a despertar el monstruo?

 

* Montserrat Villar es investigadora en el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) en el grupo de Astrofísica extragaláctica. 

A la caza del agujero negro en el corazón de la Vía Láctea

M. VillarPor Montserrat Villar (CSIC)*

Si pudiéramos reducir el tamaño de la Tierra al de un azucarillo, nuestro planeta se convertiría en un agujero negro. En teoría, lo mismo ocurriría con cualquier objeto siempre que contáramos con un sistema capaz de comprimirlo lo suficiente: una casa, una mesa, yo misma. Por debajo de un tamaño crítico el efecto de la gravedad será imparable: ninguna fuerza podrá impedir el colapso e inevitablemente se formará un agujero negro. Ese tamaño crítico viene determinado por el llamado ‘radio de Schwarschild’ y depende únicamente de la masa del objeto en cuestión. Es decir, conocida la masa, el radio de Schwarschild se deduce con facilidad. Para la Tierra es aproximadamente 1 centímetro, mientras que para el Sol son unos 3 kilómetros. Por tanto, si el Sol se redujera a una bola de unos 3 kilómetros de radio, nada impediría que se convirtiera en un agujero negro.

Agujero negro

Distorsión visual que observaríamos en las proximidades del agujero negro en el centro de la Vía Láctea debida a los efectos de la gravedad.

La existencia de un agujero negro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, fue propuesta en 1971 a partir de evidencias indirectas. Las pruebas concluyentes empezaron a acumularse hacia 1995 y hoy su existencia está confirmada. ¿Cómo lo sabemos?

Para comprobarlo necesitamos determinar cuánta masa hay en el centro galáctico y el volumen que ocupa. Si es menor que el correspondiente al ‘radio de Schwarchild’, tendremos la prueba definitiva. Sin embargo, no podemos ver un agujero negro. En el interior de dicho radio (que coincide con el llamado horizonte de sucesos del agujero negro), la fuerza de la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. ¿Cómo medir la masa y el volumen de algo que no podemos ver?

Esto se ha logrado estudiando cómo se mueven las estrellas más cercanas a la localización de ese objeto invisible en el centro de nuestra galaxia, región llamada Sagitario A*. Puesto que la fuerza de la gravedad determina los movimientos de dichas estrellas, midiendo la velocidad, forma y tamaño de sus órbitas podremos inferir la masa responsable y determinar su tamaño máximo.

A mediados de la década de los 90 y durante casi veinte años se han rastreado los movimientos de unas treinta estrellas, las más próximas conocidas a Sagitario A*. Para estas observaciones astronómicas se utilizaron los mayores telescopios ópticos del mundo (telescopios VLT y Keck, en Chile y Hawai respectivamente). Así se obtuvo la visión más nítida conseguida hasta la fecha del centro de nuestra galaxia.

örbitas

Imagen generada por ordenador. Órbitas de las estrellas conocidas más próximas a Sagitario A* rastreadas a lo largo de veinte años (Keck/UCLA/A. Ghez).

La estrella más cercana a Sagitario A* tarda poco más de quince años en describir su órbita y se acerca a una distancia mínima equivalente a unas tres veces la distancia media entre el Sol y Plutón. Llega a alcanzar una velocidad de ¡18 millones de kilómetros por hora! Para explicar movimientos tan extremos se necesita una masa equivalente a cuatro millones de soles. El ‘radio de Schwarschild’ correspondiente a esta masa es de unos 13 millones de kilómetros. Medidas realizadas con técnicas diversas demuestran que ese objeto invisible ocupa un volumen con un radio de, como máximo, unos 45 millones de kilómetros; es decir, unas 3.5 veces el ‘radio de Schwarschild’. Aunque estrictamente no podemos afirmar que la masa central está contenida en un volumen inferior al de Schwarshchild, sabemos que se trata de un agujero negro. Pensemos que en un volumen menor que el que contiene al Sol y Mercurio, tendríamos que ‘empaquetar’ cuatro millones de soles. No hay explicación alternativa: nada que conozcamos puede tener una masa tan enorme y ocupar un volumen tan pequeño.

 

* Montserrat Villar es investigadora en el Centro de Astrobiología (INTA/CSIC) en el grupo de Astrofísica extragaláctica