La teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo es una extensión de la teoría cuántica de campos estándar en la que se contempla la posibilidad de que el espacio-tiempo por el cual se propaga el campo no sea necesariamente plano (descrito por la métrica de Minkowski).  Una predicción genérica de esta teoría es que pueden generarse partículas debido a campos gravitacionales dependientes del tiempo, o a la presencia de horizontes.

La teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo puede considerarse como una primera aproximación de gravedad cuántica. El paso siguiente consiste en una gravedad semiclásica, en la que se tendrían en cuenta las correcciones cuánticas, debidas a la presencia de materia, sobre el espacio-tiempo.

En un espacio euclideo convencional un objeto físico finito está contenido dentro de un ortoedro mínimo, cuyas dimensiones se llaman ancho, largo y profundida o altura. El espacio físico a nuestro alrededor es tridimensional a simple vista. Sin embargo, cuando se consideran fenómenos físicos la gravedad, la teoría de la relatividad  nos lleva a que el universo es un ente tetra-dimensional que incluye tanto dimensiones espaciales como el tiempo como otra dimensión. Diferentes observadores percibirán diferentes “secciones espaciales” de este espacio-tiempo por lo que el espacio físico es algo más complejo que un espacio euclídeo tridimiensional.

En las teorías actuales no existe una razón clara para que el de dimensiones espaciales sean tres. Aunque existen ciertas instuiciónes sobre ello: Ehrenfest (aquel gran físico nunca reconocido) señaló que en cuatro o más dimensiones las órbitas planetarias cerradas, por ejemplo, no serían estables (y por ende, parece difícil que en un universo así existiera vida inteligente preguntándose por la tridimensionalidad espacial del universo).

Es cierto que en nuestro mundo tridimensional y mental existen cosas misteriosas. A veces me pregunto que importancia puede tener un . (“¿Qué hay en un nombre? Lo que llamamos rosa, / con cualquier otro nombre tendría el mismo dulce aroma”? (-Shakespeare, Romeo y Julieta-) – La rosa da sustento a muchos otros tópicos literarios: se marchita como símbolo de la fugacidad del tiempo y lo efímero de la vida humana; y provoca la prisa de la doncella recogerla mientras pueda. Por otro lado, le advierte de que hay que tener cuidado: no hay rosa sin espinas.

También el mundo de la poesía es un tanto misterioso y dicen, que… “Los poetas hablan consigo mismo y el mundo les oye por casualidad.” Tópicos ascéticos, metafísicos o existenciales: Quiénes somos, de dónde venimos, a dónde vamos, las llamadas preguntas trascendentales, propias de la cosmología, la antropología y la metafísica. Los poetas siempre han buscado un mundo irreal y han idealizado el enaltecido mucho más allá de este mundo.

Como siempre me pasa, me desvío del tema que en este trabajo nos ocupa: El espacio-tiempo.

Estamos inmersos en el espacio-tiempo curvo y tetradimensional de nuestro Universo. Hay que entender que el espacio–tiempo es la descripción en cuatro dimensiones del universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo. De acuerdo con la relatividadespecial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que eventos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar. El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como lo son las posiciones en el espacio (Euclides) tridimensional, y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio–tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio–tiempo se denomina por el de línea de universo. La relatividadgeneral nos explica lo que es un espacio–tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.

La introducción por parte de Minkowski de la idea espaciotemporal resultó tan importante es porque permitió a Einstein utilizar la idea de geometría espaciotemporal para formular su teoría de la relatividad general que describe la Gravedad que se genera en presencia de grandes masas y cómo ésta curva el espacio y distorsiona el tiempo. En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio–tiempo, eso que conocemos como gravedad, una fuerza de atracción que actúa todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. Hemos llegado a comprender que es la materia, la que determina la geometría del espacio-tiempo.

En la imagen, dos partículas en reposo relativo, en un espacio-tiempo llano y Se representan en este esquema dos partículas que se acercan entre sí siguiendo un movimiento acelerado. La interpretación newtoniana supone que el espacio-tiempo es llano y que lo que provoca la curvatura de las líneas de universo es la fuerza de interacción gravitatoria entre ambas partículas. Por el contrario, la interpretación einsteiniana supone que las líneas de universo de estas partículas son geodésicas (“rectas”), y que es la propia curvatura del espacio tiempo lo que provoca su aproximación progresiva.

El máximo exponente conocido del espacio-tiempo curvo, se podría decir que se da en la formación de los agujeros negros, donde la masa queda comprimida a tal densidad que se conforma en una singularidad, ese objeto de energía y densidad “infinitsas” en el que, el espacio y el tiempo desaparecen de nuestra vista y parece que entran en “otro mund” para nosotros desconocidos.

Los agujeros negros, cuya existencia se dedujo por Schwarzschild en 1.916 a partir de las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, son objetos supermasivos, invisibles a nuestra vista (de ahí su nombre) del que no escapa ni la luz; tal es la fuerza gravitatoria que generan que incluso engullen la materia de objetos vecinos y material circundante, y, objetos estelares, como estrellas que osan traspasar el cinturón de seguridad que llamamos horizonte de sucesos.

Hidden lair at the heart of NGC 1068. NGC 1068 can be seen in close. La guarida donde se esconde el agujero negro …

Desde siempre hemos tenido la tendencia de querer representar las cosas y a medida que pudimos descubrir conocimientos nuevos, también le dimos a esos nuevos saberes sus símbolos y ecuaciones matemáticas que representaban lo que creíamos saber. Mecánica cuántica, relatividad, átomos, el genóma, agujeros negros, la constante cosmológica, la constante de Planck racionalizada…

Wheeler decía allá por el año 1957, que el punto final de la compresión de la materia -la propia singularidad– debía estar gobernada por la unión, o matrimonio, de las leyes de la mecánica cuántica y las de la distorsión espaciotemporal. Esto debe ser así, puesto que la distorsión espaguetiza el espacio a escalas tan extraordinariamente microscópicas que están profundamente influenciadas por el principio de incertidumbre.

Las leyes unificadas de la distorsión espaciotemporal y la mecánica cuántica se denominan “leyes de la gravedad cuántica”, y han sido un “santo grial” para todos los físicos desde los años cincuenta. A principios de los sesenta los que estudiaban física con Wheeler, pensaban que esas leyes de la gravedad cuántica eran tan difíciles de comprender  que nunca las podrían descubrir durante sus vidas. Sin embargo, el tiempo inexorable no deja de transcurrir, mientras que, el Universo y nuestras mentes también, se expanden. De tal manera evolucionan nuestros conocimientos que, poco a poco, vamos pudiendo conquistar saberes que eran profundos secretos escondidos de la Naturaleza y, con la Teoría de cuerdas (aún en desarrollo), parece que por fín, podremos tener una teoría cuántica de la gravedad.

Una cosa sí sabemos: Las singularidades dentro de los agujeros negros no son de mucha utilidad puesto que no podemos contemplarla desde fuera, alejados del horizonte de sucesos que marca la línea infranqueable del irás y no volverás. Si alguna vez alguien pudiera llegar a ver la singularidad, no podría regresar para contarlo. Parece que la única singularidad que podríamos “contemplar” sin llegar a morir sería aquella del Big Bang, es decir, el lugar a partir del cual pudo surgir el universo y, cuando nuestros ingenios tecnológicos lo permitan, serán las ondas gravitacionales las que nos “enseñarán” esa singularidad.

 Esta pretende ser la imagen de un extraño objeto masivo, un quásar  que sería una evidencia vital del Universo primordial. Es un objeto muy raro que nos ayudará a entender cómo crecieron los agujeros negros súpermasivos unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang (ESO).

Representación artística del aspecto que debió tener 770 millones después del Big bang el quásar más distante descubierto hasta la fecha (Imagen ESO). Estas observaciones del quásar brindan una imagen de nuestro universo tal como era durante su infancia, solo 750 millones de años después de producirse la explosión inicial que creó al universo. El análisis del espectro de la luz del quásar no ha aportado evidencias de elementos pesados en la nube gaseosa circundante, un hallazgo que sugiere que el quásar data de una era cercana al nacimiento de las primeras estrellas del universo.

Basándose en numerosos modelos teóricos, la mayoría de los científicos está de acuerdo sobre la secuencia de sucesos que debió acontecer durante el desarrollo inicial del universo: Hace cerca de 14.000 millones de años, una explosión colosal, ahora conocida como el Big Bang, produjo cantidades inmensas de materia y energía, creando un universo que se expandía con suma rapidez. En los primeros minutos después de la explosión, protones y neutrones colisionaron en reacciones de fusión nuclear, formando así hidrógeno y helio.

Finalmente, el universo se enfrió hasta un punto en que la fusión dejó de generar estos elementos básicos, dejando al hidrógeno como el elemento predominante en el universo. En líneas generales, los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, como por ejemplo el carbono y el oxígeno, no se formaron hasta que aparecieron las primeras estrellas. Los astrónomos han intentado identificar el momento en el que nacieron las primeras estrellas, analizando a tal fin la luz de cuerpos muy distantes. (Cuanto más lejos está un objeto en el espacio, más antigua es la imagen que de él recibimos, en luz visible y otras longitudes de onda del espectro electromagnético.) Hasta ahora, los científicos sólo habían podido observar objetos que tienen menos de unos 11.000 millones de años. Todos estos objetos presentan elementos pesados, lo cual sugiere que las estrellas ya eran abundantes, o por lo menos estaban bien establecidas, en ese momento de la historia del universo.

                                          Supernova 1987 A

El Big Bang produjo tres tipos de radiación: electromagnética (fotones), radiación de neutrinos y ondas gravitatorias. Se estima que durante sus primeros 100.000 años de vida, el universo estaba tan caliente y denso que los fotones no podían propagarse; eran creados, dispersados y absorbidos antes de que apenas pudieran recorrer ínfimas distancias. Finalmente, a los cien mil años de edad, el universo se había expandido y enfriado lo suficiente para que los fotones sobrevivieran, y ellos comenzaron su viaje hacia la Tierra que aún no existía. Hoy los podemos ver como un “fondo cósmico de microondas”, que llega de todas las direcciones y llevan gravada en ellos una imagen del universo cuando sólo tenía esa edad de cien mil años.

Se dice que al principio sólo había una sola fuerza, la Gravedad que contenía a las otras tres que más tarde se desgajaron de ella y “caminaron” por sí mismas para hacer de nuestro universo el que ahora conocemos. En Cosmología, la fuerza de gravedad es muy importante, es ella la que mantiene unidos los sistemas planetarios, las estrellas en las galaxias y a las galaxias en los cúmulos. La Gravedad existe a partir de la materia que la genera para curvar el espaciotiempo y dibujar la geometría del universo.

Los telescopios de la NASA han captado la imagen de un agujero negro en el centro de una galaxia golpeando otra vecina hasta el punto de desviarla y de …”robarle su masa” que, finalmente se irá engullengo poco a poco el monstruo estelar.

Un agujero negro es lo definitivo en distorsión espaciotemporal, según las ecuaciones de Einstein: está hecho única y exclusivamente a partir de dicha distorsión. Su enorme distorsión está causada por una inmensa cantidad de energía compactada: energía que reside no en la materia, sino en la propia distorsión. La distorsión genera más distorsión sin la ayuda de la materia. es la esencia del agujero negro.

Lo cierto es que los físicos relativistas se han sentido muy frustrados desde que Einstein publicó su Teoría de la relatividad general y se desprendieron de ellas mensajes asombroso como el de la existencia de agujeros negros que predecían sus ecuaciones de campo. Así que, se dirigieron a los astrónomos para que ellos confirmaran o refutaran su existencia mediante la observación del universo profundo. Sin embargo y, a pesar de su enorme esfuerzo, los astrónomos npo han podido obtener medidas cuantitativas de ninguna distorsión espaciotemporal de agujeros negros. Sus grandes triunfos han consistido en varios descubrimientos casi incontrovertibles de la existencia de agujeros negros en el universo, pero han sido incapaces de cartografiar, ni siquiera de forma ruda, esa distorsión espaciotemporal alrededor de los agujeros negros descubiertos. No tenemos la técnica para ello y somos conscientes de lo mucho que nos queda por aprender y descubrir.

    Imaginar cómo podría escapar una nave que cayera cerca del remolino central… ¡Produce escalofríos!

Las matemáticas siempre van por delante de esa realidad que incansables buscamos. Ellas nos dicen que en un agujero negro, además de la curvatura y el frenado y ralentización del tiempo, hay un tercewr aspecto en la distorsi´pon espaciotemporal de un agujero negro: un torbellino similar a un enorme tornado de espacio y tiempo que da vueltas y vueltas alrtededor del horizonte del agujero. Así como el torbellino es muy lento lejos del corazón del tornado, también el torbellino. Más cerca del núcleo o del horizonte el torbellino es más rápido y, cuando nos acercamos hacia el centro ese torbellino espaciotemporal es tan rápido e intenso que arrastra a todos los objetos (materia) que ahí se aventuren a estar presentes y, por muy potentes que pudieran ser los motores de una nave espacial… ¡nunca podrían hacerla salir de esa inmensa fuerza que la atraería hacia sí! Su destino sería la singularidad del agujero negro donde la materia comprimida hasta límites inimaginables, no sabemos en qué se habrá podido convertir.

Todos conocemos la teoría de Einstein y lo que nos dice que ocurre cuando grandes masas, como planetas, están presentes: Curvan el espacio que lo circundan en función de la masa. El exponente máximo de dicha curvatura y distorsión temporal es el agujero negro que, comprime la masa hasta hacerla “desaparecer” y el tiempo, en la singularidad formada, deja de existir. En ese punto, la relatividadgeneral deja de ser válida y tenemos que acudir a la mecánica cuántica para seguir comprendiendo lo que allí está pasando.

Einstein no se preocupaba por la existencia de este extraño universo dentro del agujero negro porque la comunicación con él era imposible. Cualquier aparato o sonda enviada al centro de un agujero negroencontraría una curvatura infinita; es decir, el campo gravitatorio sería infinito y, como ya se explica anteriormente, nada puede salir de un agujero negro, con lo cual, el mensaje nunca llegará al exterior. Allí dentro, cualquier objeto material sería literalmente pulverizado, los electrones serían separados de los átomos, e incluso los protones y los neutrones dentro de los propios núcleos serían desgajados. De todas las maneras tenemos que reconocer que este universo especular es matemáticamente necesario para poder ir comprendiendo cómo es, en realidad, nuestro universo.

Con todo esto, nunca hemos dejado de fantasear. Ahí tenemos el famoso puente de Einstein-Rosen que conecta dos universos y que fue considerado un artificio matemático. De todo esto se ha escrito hasta  la extenuación:

“Pero la factibilidad de poder trasladarse de un punto a otro del Universo recurriendo a la ayuda de un agujero de gusano es tan sólo el principio de las posibilidades. Otra posibilidad sería la de poder viajar al pasado o de poder viajar al futuro. Con un túnel conectando dos regiones diferentes del espacio-tiempo, conectando el “pasado” con el “futuro”, un habitante del “futuro” podría trasladarse sin problema alguno hacia el “pasado”  Einstein—Rosen—Podolsky), para poder estar físicamente presente en dicho pasado con la capacidad de alterar lo que está ocurriendo en el “ahora”. Y un habitante del “pasado” podría trasladarse hacia el “futuro” para conocer a su descendencia mil generaciones después, si la hubo.“

 

El puente de Einstein-Rosen conecta universos diferentes. Einstein creía que cualquier cohete que entrara en el puente sería aplastado, haciendo así imposible la comunicación Posteriormente, los puentes de Einstein-Rosen se encontraron pronto en otras soluciones de las ecuaciones gravitatorias, tales como la solución de Reisner-Nordstrom que describe un agujero eléctricamente cargado. Sin embargo, el puente de Einstein-Rosen siguió siendo una nota a pie de página curiosa pero olvidada en el saber de la relatividad.

Lo cierto es que algunas veces, tengo la sensación de que aún no hemos llegado a comprender esa fuerza misteriosa que es la Gravedad, la que no se quiere juntar con las otras tres fuerzas de la Naturaleza. Ella campa solitaria y aunque es la más débil de las cuatro, esa debidad resulta engañosa poreque llega a todas partes y, además, como algunos de los antiguos filósofos naturales, algunos piensan que es la única fuerza del universo y, de ella, se desgajaron las otras tres cuando el Universo comenzó a enfriarse.

¡El Universo! Es todo lo que existe y es mucho para que nosotros, unos recien llegados, podamos llegar a comprenderlo en toda su inmensidad. Muchos son los secretos que esconde y, como siempre digo, son muchas más las preguntas que las respuestas. Sin embargo, estamos en el camino y… Como dijo el sabio: ¡Todos los grandes viajes comenzaron con un primer paso!

En el Universo todo es fruto de dos fuerzas contrapuestas:

Por ejemplo, las estrellas son estables por el hecho de que, la energía de fusión tiende a expandir la estrella y, la fuerza de Gravedad generada por su ingente masa, la hace contraerse. De esa manera, las dos fuerzas se contrarrestan y consiguen estabilizar a la estrella que vive miles de años. Cuando se agota el combustible nuclear de fusión, la estrella queda a merced de la Gravedad y se contrae (implosiona) bajo el peso de su propia masa, la gravedad la aplasta más y más hasta convertirla en una estrella de neutrones y un agujero negro si es una estrella masiva.

En el átomo, el equilibrio se alcanza como consecuencia de que, los protones (los nucleones que forman el núcleo), están cargados positivamente, y, los electrones que orbítan a su alrededor, están cargadas eléctricamente con cargas negativas equivalentes, con lo cual, el equilibrio queda servido y se alcanza la estabilidad.

Diagrama de Kruskal-Szekeres para un agujero negro. Las rectas azules son superficies de tiempo constante. Las curvas verdes son superficies de radio constante. -Las regiones I y II (sólo la parte blanca) son el exterior y el interior de un agujero negro. -La región III es una región exterior al agujero negro “paralela”. -La región IV (sólo la parte blanca) es un agujero blanco. Las zonas grises adyacentes a las regiones II y IV son las singularidades.

          El agujero Blñanco, al contrario del Agujero negro, en lugar de engullir materia la expulsaria

El agujero negro de Schwarzschild es descrito como una singularidad en la cual una geodésica puede sólo ingresar, tal tipo de agujero negro incluye dos tipos de horizonte: un horizonte “futuro” (es decir, una región de la cual no se puede salir una vez que se ha ingresado en ella, y en la cual el tiempo -con el espacio- son curvados hacia el futuro), y un horizonte “pasado”, el horizonte pasado tiene por definición la de una región donde es imposible la estancia y de la cual sólo se puede salir; el horizonte futuro entonces ya correspondería a un agujero blanco.

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Imagen del centro de la Vía Láctea, donde reside un agujero negro supermasivo y se acumulan estrellas, polvo y gas – Bruno Gilli/ESO

NATURE

Detectan 10.000 agujeros negros en el centro de la Vía Láctea

El hallazgo de 12 agujeros negros binarios confirma que en el núcleo galáctico hay decenas de miles de agujeros negros invisibles. Esto refuerza una importante teoría sobre la evolución de las galaxias

Un grupo de astrónomos de la Universidad de Columbia (EE.UU.) ha detectado la presencia de 12 agujeros negros cerca del centro de la Vía Láctea, a su vez un agujero negro supermasivo llamado «Sagitario A*» («Sgr A*», para abreviar). El hallazgo, logrado gracias a una nueva forma de observación en rayos X, apoya la hipótesis de que en torno al núcleo galáctico se arremolinan entre 10.000 a 20.000 agujeros negros pequeños o medianos.

«Hemos confirmado una predicción fundamental de la teoría galáctica: que debe existir un gran número de agujeros negros concentrados en el parsec (cerca de tres años luz) central de la Vía Láctea», explica a ABC Chuck Hailey, director de la investigación y co-director del Laboratorio de Astrofísica de la Universidad de Columbia.

«Sagitario A*» es un oscuro pozo situado a 26.000 años luz de la Tierra. Se trata de una concentración de masa, situada más allá de la comprensión de la Relatividad, que equivale a 4,3 millones de soles. Toda está concentrada en un volumen relativamente pequeño, a nivel galáctico: su tamaño le permitiría encajar holgadamente dentro del Sistema Solar puesto que tiene, según algunos autores, un radio de unos 6,25 horas luz. Para hacerse una idea, si lo colocáramos en la posición que ocupa el Sol, la frontera de «Sagitario A*» llegaría un poco más allá de Plutón.

Representación de la nube de polvo y gas que rodea a «Sagitario A*» (en el centro). Allí hay 12 parejas de agujeros negros y estrellas. Los primeros se alimentan del gas de estas y emiten rayos X que se pueden detectar para inferir cuántos agujeros negros en total hay cerca del centro de la Vía Láctea-Columbia University

Lo interesante en este caso es que en torno a «Sgr A*» se arremolina un importante halo de gas y polvo. Desde que la Vía Láctea comenzó a formarse, momento en el que también comenzó a formarse «Sagitario A*», este gas y este polvo estuvieron tan concentrados que se convirtieron en el combustible idóneo para la formación de grandes estrellas. Estas estrellas nacieron, vivieron y murieron, y eran tan pesadas, que sus cadáveres colapsaron y se transformaron en agujeros negros. Al menos en teoría.

Los agujeros invisibles

Durante más de dos décadas los astrofísicos han buscado pruebas de la presencia de todos los agujeros negros que deberían haberse creado cerca de «Sgr A*». No ha sido una tarea fácil porque la mayoría de los agujeros negros están aislados y no emiten ninguna luz: son realmente oscuros e invisibles. Pero, ¿por qué se buscan? El motivo fundamental es que detectarlos permitiría confirmar las teorías sobre cómo se formaron la Vía Láctea y todas las otras galaxias, mucho más lejanas y, por tanto, inaccesibles.

Imagen del centro de la Vía Láctea. Los puntos rojos emiten rayos X y son agujeros negros-Nature y Hailey, et. al.

«Apenas hay cinco docenas de agujeros negros conocidos en toda la galaxia, que mide 100.000 años luz, y se supone que debe de haber 10.000 o 20.000 de esas cosas en una región –el centro galáctico, cerca de “Sgr A*»– que apenas mide seis años luz, y que nadie ha podido encontrar», dice Chuck Hailey.

Se ha intentado muchas veces, pero hasta ahora no se han encontrado pruebas sólidas de que allí hubiera un «enjambre» de agujeros negros. Así que los astrofísicos han tenido que ingeniárselas para buscar una forma de detectar a estos fantasmas.

Las parejas de agujeros y estrellas

La forma ha sido buscar a la fracción de estos agujeros que en el pasado capturaron a una estrella vecina, y quedaron convertidos así en sistemas binarios. Según dice Hailey, cuando eso ocurre a veces pasa que el agujero negro roba gas de la estrella compañera y comienza a «tragárselo». Esto libera rayos X de forma constante que se pueden captar desde la Tierra, pero con una tecnología solo disponible ahora.

«Si podemos detectar agujeros negros acoplados a estrellas de baja masa –son estas parejas los que emiten los rayos X que se han detectado ahora– y conocemos qué proporción de los agujeros negros estarán en estas parejas, podemos inferir de forma científica cuál es la población de agujeros negros aislados ahí fuera», resume Hailey.

¿Cómo saben cuántos agujeros aislados hay por cada pareja? Según reconoce Hailey, para responder a eso solo se puede recurrir a una teoría, basada en observaciones, que dice que por cada 100 agujeros negros, cinco forman sistemas binarios que emiten rayos X. Pero, incide: «No creo que el número preciso sea muy importante. Lo que importa es la diferencia entre “no tenemos ni idea” y un número grande». Según el astrofísico, tanto si hubiera 1.000 como 5.000 se trataría de un resultado muy interesante.

Los investigadores recurrieron a los datos captados por el telescopio espacial de rayos X Chandra, en busca de las huellas características de los agujeros negros emparejados con estrellas de baja masa. Así encontraron 12 de estos sistemas binarios en una distancia de tres años luz de «Sgr A*». Después, analizaron las propiedades y la distribución de estos objetos e hicieron unas extrapolaciones según las cuales debe de haber de 300 a 500 agujeros negros de ese tipo y 10.000 agujeros negros solitarios en torno a «Sagitario A*».

«Probablemente hay agujeros negros de todas las edades. Algunos podrían haberse formado hace decenas de miles de millones de años, y otros apenas tener decenas de millones de años», dice Hailey.

La Vía Láctea, una más entre las galaxias

Sea como sea, lo cierto es que estos hallazgos confirman una hipótesis que desde hace dos décadas es clave para comprender el origen de la Vía Láctea y la evolución de las otras galaxias. «La Vía Láctea es una galaxia normal y corriente, así que encontrar todos esos agujeros negros dentro de ella nos dice que la mayoría de las galaxias también rebosan con grandes números de agujeros negros, lo que es bastante bueno».

Una de las consecuencias prácticas, aparte de lo interesante que es comprender de dónde venimos, es que si existen todos esos objetos en el núcleo de las galaxias, en teoría deberíamos captar el «ruido» que producen en forma de ondas gravitacionales. ¿Será así? ¿Qué aprenderemos sobre los centros y las historias de las galaxias en las próximas décadas

ABC-CIENCIA

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CIENCIA-ABC

El doble eructo de un agujero negro

Situado en una galaxia a 800 millones de años luz, los astrónomos han observado cómo remata un par de banquetes

Los agujeros negros supermasivos, millones o miles de millones de veces más pesados que el Sol, permanecen latentes en los corazones de las galaxias durante un largo tiempo hasta que llega su próxima comida. Y cuando la devoran no tienen precisamente buenos modales.

Un equipo de astrónomos ha detectado con el Telescopio Espacial Hubble y otros observatorios en la Tierra un parpadeante agujero negro en el centro de la galaxia J1354, ubicada a unos 800 millones de años luz de distancia. Y han descubierto que este pozo cósmico se ha dado un buen banquete que ha rematado con un par de potentísimos eructos, según explican en la revista «The Astrophysical Journal».

El telescopio Chandra detectó una fuente de emisión de rayos X brillante y puntual en la galaxia, un signo revelador de la presencia de un agujero negro supermasivo. Los rayos X son producidos por gas calentado a millones de grados por las enormes fuerzas gravitacionales y magnéticas cerca del agujero negro. Parte de este gas cae en el pozo cósmico, mientras que una porción es expulsada en una salida potente de partículas de alta energía.

Al comparar las imágenes de rayos X de Chandra y las imágenes de luz visible (óptica) del Hubble, el equipo determinó la situación del agujero negro, como era de esperar en el centro de la galaxia, y halló evidencias de que está incrustado en un pesado velo de polvo y gas.

Los resultados indican que, en el pasado, el agujero negro supermasivo en J1354 consumió grandes cantidades de gas, mientras explotaba un flujo de partículas de alta energía. El flujo de salida finalmente se apagó y luego se volvió a encender unos 100.000 años más tarde. Esta es una fuerte evidencia de que la acreción de los agujeros negros puede apagar y encender su producción de energía en escalas de tiempo que son cortas en comparación con la edad del Universo, de 13.800 millones de años.

«Hemos visto a este objeto darse un banquete, eructar y echarse la siesta, y luego darse otro banquete y eructar una vez más, lo que la teoría había predicho», explica Julie Comerford, de la Universidad de Colorado en Boulder (EE.UU.), quien dirigió el estudio. «Afortunadamente, sucedió que observamos esta galaxia en un momento en que podíamos ver claramente la evidencia de ambos eventos».

También el nuestro

Pero, ¿por qué el agujero negro tuvo dos comidas separadas? La respuesta se encuentra en una galaxia compañera que está vinculada a J1354 por las corrientes de estrellas y el gas producido por una colisión entre ambas. El equipo concluyó que grupos de material de la galaxia compañera se arremolinaron hacia el centro de J1354 y luego fueron devorados por el agujero negro supermasivo.

El equipo usó datos ópticos para mostrar que los electrones habían sido extraídos de los átomos en un cono de gas que se extiende unos 30.000 años luz al sur del centro de la galaxia. Es probable que esta extracción haya sido causada por una ráfaga de radiación proveniente de las proximidades del agujero negro, lo que indica que se había producido un banquete. Hacia el norte encontraron evidencias de una onda de choque, similar a un estampido sónico, ubicada a unos 3.000 años luz. Esto sugiere que se produjo un eructo después de que un grupo diferente de gas se consumiera aproximadamente 100.000 años más tarde.

El agujero negro supermasivo de nuestra Vía Láctea ha tenido al menos un eructo, ocurrido en 2010. Los astrónomos vieron salidas de gas llamadas «burbujas de Fermi» que brillan en la porción de rayos gamma, rayos X y ondas de radio del espectro electromagnético. Ahora duerme la siesta tras el atracón, al igual que el agujero negro de J1354 en el pasado, así que es posible que vuelva a atacar la despensa.

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Los científicos no entienden por qué existe el agujero negro más antiguo del Universo

Tiene una masa 800 millones de veces la del Sol y ya existía cuando el universo tenía solo el 5 por ciento de su edad actual.

Un grupo de astrónomos han descubierto el agujero negro supermasivo más distante observado. Reside en un cuásar luminoso y su luz llega desde cuando el universo tenía solo el 5 por ciento de su edad actual. Los cuásares son objetos tremendamente brillantes compuestos por enormes agujeros negros que acrecen la materia en el centro de las galaxias masivas. Este agujero negro recién descubierto tiene una masa 800 millones de veces la masa del Sol.

“Reunir toda esta masa en menos de 690 millones de años (desde el Big Bang) es un desafío enorme para las teorías del crecimiento súper masivo del agujero negro”, explica Eduardo Bañados, de la Carnegie Institution, que lideró la investigación, realizada con el telescopio Magallanes y que se publica en Nature.

Para explicar cómo agujeros negros tan grandes surgieron tan pronto después del Big Bang, los astrónomos han especulado que el universo primitivo podría haber tenido condiciones que permitieran la creación de agujeros negros muy grandes con masas que alcanzaban 100.000 veces la masa del Sol. Esto es muy diferente de los agujeros negros que se forman en el universo actual, que rara vez superan algunas docenas de masas solares.

Bram Venemans, del Instituto Max Planck de Astronomía en Alemania, añadió: “Los cuásares se encuentran entre los objetos celestes más brillantes y distantes conocidos y son cruciales para comprender el universo primitivo”. El cuásar de Bañados es especialmente interesante porque es del tiempo conocido como la época de reionización, cuando el universo emergió de su edad oscura.

El Big Bang comenzó el universo como una sopa caliente y turbia de partículas extremadamente energéticas que se expandía rápidamente. A medida que se expandió, se enfrió. Alrededor de 400.000 años más tarde (muy rápidamente en una escala cósmica), estas partículas se enfriaron y se fusionaron en gas hidrógeno neutro.

    Cuando se liberaron los fotones el Universo se hizo transparente, se hizo la luz

El universo permaneció oscuro, sin ninguna fuente luminosa, hasta que la gravedad condensó la materia en las primeras estrellas y galaxias. La energía liberada por estas galaxias antiguas causó que el hidrógeno neutral esparcido por todo el universo se excitara e ionizara, o perdiera un electrón, un estado en el que el gas se ha mantenido desde ese momento. Una vez que el universo se reionizó, los fotones podían viajar libremente por el espacio, por lo que el universo se volvió transparente a la luz.

El análisis del cuásar recién descubierto muestra que una gran fracción del hidrógeno en su entorno inmediato es neutral, lo que indica que los astrónomos han identificado una fuente en la época de reionización, antes de que suficientes de las primeras estrellas y galaxias se hubieran activado completamente para ionizar el universo. “Fue la última gran transición del universo y una de las fronteras actuales de la astrofísica”, señala Bañados.

La distancia del cuásar está determinada por lo que se denomina su desplazamiento al rojo, que es una medida de cuánto se estira la longitud de onda de su luz mediante la expansión del universo antes de llegar a la Tierra. Cuanto mayor es el desplazamiento al rojo, mayor es la distancia, y los astrónomos posteriores están mirando a tiempo cuando observan el objeto. Este cuásar recién descubierto tiene un corrimiento al rojo de 7.54, basado en la detección de emisiones de carbono ionizado de la galaxia que aloja el agujero negro masivo.

Detalles del cuásar 3C 273 observado con el Telescopio Espacial Hubble. La imagen de la izquierda muestra claramente lo brillante y compacto que es el objeto, lo que hizo que pareciese una estrella. Para conseguir la imagen de la izquierda se utilizó un instrumento (un coronógrafo) que bloqueaba la luz del cuásar, dejando ver su galaxia anfitriona. En ambas tomas se aprecia el chorro de gas a alta velocidad proveniente del agujero negro súper-masivo central. Una de las componentes de la emisión en radio de 3C 273 coincide perfectamente con este chorro de gas. | Crédito de la imagen: HST / NASA / ESA / STScI.

“Esta gran distancia hace que estos objetos sean extremadamente débiles cuando se ven desde la Tierra. Los cuásares tempranos también son muy raros en el cielo. Solo se sabía que existía un cuásar con un corrimiento al rojo mayor a siete antes de ahora, a pesar de una extensa búsqueda”, afirma Xiaohui Fan, del Observatorio Steward de la Universidad de Arizona.

Se prevé que entre 20 y 100 cuásares tan brillantes y tan distantes como el cuásar descubierto por Bañados y su equipo existan en todo el cielo, por lo que este es un descubrimiento importante que proporcionará información fundamental del universo joven, cuando solo era 5 por ciento su edad actual.

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