Todas las galaxias, incluída la nuestra, podrían estar completamente rodeadas por una enorme esfera de agujeros negros. Esa es la extraordinaria conclusión de un equipo de investigadores del Centro Espacial Goddard, de la NASA, que ha sugerido la posibilidad de que la misteriosa y hasta ahora esquiva materia oscura esté hecha, en realidad, de “agujeros negros primordiales“, esto es, formados durante el primer segundo tras el Big Bang.

Para Alexander Kashlinsky, director de la investigación, la idea es consistente con lo que observamos en el fondo cósmico, tanto en la longitud de onda del infrarrojo como en la de los rayos X, y puede explicar también las masas inesperadamente elevadas de los dos agujeros negros en proceso de fusión observadas el año pasado, durante la primera detección de ondas gravitacionales. El estudio se acaba de publicar en The Astrophysical Journal Letters.

“Este estudio -explica el investigador- constituye un gran esfuerzo para unir toda una serie de ideas y observaciones y ver lo bien que encajan. Y resulta que encajan sorprendentemente bien. Si esto es correcto, entonces todas las galaxias, incluyendo la nuestra, serían parte de una gran esfera de agujeros negros, cada uno de ellos de aproximadamente 30 masas solares”.

Ya en 2005, Kashlinsky dirigió a un equipo de astrónomos, que usaron el telescopio espacial Spitzer para explorar el brillo del fondo cósmico en el rango del infrarrojo en una porción concreta de cielo. Los científicos reportaron una irregularidad excesiva en ese brillo, y concluyeron que probablementese se debía a la suma de los brillos de las primeras fuentes de luz que iluminaron el Universo primitivo, hace más de 13.000 millones de años. Estudios posteriores confirmaron que este brillo del fondo cósmico de infrarrojos (CIB, por sus siglas en inglés) tiene la misma e inesperada estructura irregular también en otras partes del cielo.

En 2013, otra investigación hizo lo mismo, pero esta vez observando el brillo del fóndo cósmico en el rango de los rayos X (CXB), utilizando el telescopio espacial Chandra, y en la misma porción de cielo en la que se había medido el brillo en el infrarrojo. Las primeras estrellas, que emiten la mayor parte de su radiación en el espectro visible y en el ultravioleta, no contribuyen en exceso al CXB.

El resultado fue que los brillos irregulares en el fondo cósmico coincidían muy bien tanto en los rayos X como en el infrarrojo. Y el único objeto conocido capaz de ser lo suficientemente luminoso en cualquier rango de energía es un agujero negro. Los investigadores, pues, concluyeron que los agujeros negros primordiales, los que se formaron durante el Big Bang, debieron de ser muy abundantes entre las primeras estrellas, tanto como para constituir al menos una de cada cinco de las fuentes que contribuyen al CIB.

No es materia oscura, sino agujeros negros

Y aquí es donde entra en juego la materia oscura, cuya auténtica naturaleza sigue siendo uno de los problemas no resueltos más importantes de la astrofísica. Cinco veces más abundante que la materia ordinaria, de la que están hechas todas las galaxias, estrellas y planetas que podemos ver, la materia oscura no “brilla”, es decir, no emite radiación, en ninguna longitud de onda, por lo que resulta indetectable para cualquiera de nuestros instrumentos. Sabemos que está ahí, sin embargo, porque su fuerza gravitatoria obliga a la materia ordinaria (la que sí podemos ver) a moverse de formas que, sin la existencia de esa masa invisible, serían imposibles.

Hasta ahora los físicos han tratado de construir modelos teóricos que puedan explicar la materia oscura con una partícula exótica muy masiva, pero todas las pruebas llevadas a cabo para encontrar esa hipotética partícula han fracasado sin excepción.

Según Kashlinsky, “estos estudios están proporcionando resultados cada vez más sensibles, reduciendo lentamente el abanico de parámetros donde las partículas de materia oscura se podrían ocultar. Pero el fracaso a la hora de encontrarlas ha llevado a un renovado interés por el estudio de lo bien que los agujeros negros primordiales -agujeros negros formados en primera fracción de segundo del universo- podrían funcionar como materia oscura”.

Los físicos creen que hay varias formas en que el universo temprano, muy caliente y en rápida expansión, pudo producir agujeros negros primordiales en la primera milésima de segundo tras el Big Bang. Y cuanto más tarde se pusiera en marcha este mecanismo, mayores serían los agujeros negros “fabricados” por el Universo recién nacido. Dado que la “ventana” para crear estos agujeros negros dura apenas una fracción de segundo, los agujeros negros primordiales, según los investigadores, deberían de estar todos dentro de un estrecho rango de masas.

Ondas gravitacionales, la primera pista

El pasado 14 de septiembre, los observatorios LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) detectaron las ondas gravitacionales causadas por la fusión de dos agujeros negros a 1.300 millones de años luz de distancia. Fue la primera (y por ahora la única) vez que se lograba detectar las ondas gravitacionales que había predicho Einstein hace un siglo, pero también fue la primera detección directa de un agujero negro en toda la historia de la Ciencia. La señal captada por los investigadores aportó información sobre las masas de los dos agujeros negros en proceso de fusión: 29 y 36 masas solares, respectivamente. Valores inesperadamente grandes y, sobre todo, sorprendentemente similares.

“Según cuál sea el mecanismo que está actualdo -explica Kashlinsky- los agujeros negros primordiales podrían tener propiedades muy similares a las detectadas por LIGO. Si asumimos que ese es el caso, y que LIGO captó la fusión de dos agujeros negros nacidos en el universo temprano, entonces podemos estudiar las consecuencias que esto tiene en nuestra comprensión de cómo el cosmos, en última instancia, evolucionó”.

En su nuevo trabajo, Kashlinsky analiza lo que podría haber sucedido si la materia oscura realmente consiste en una gran población de agujeros negros similares a los detectados por LIGO. Esos agujeros negros, por ejemplo, distorsionaron la distribución de la masa en el universo temprano, añadiendo una pequeña fluctuación que tuvo consecuencias cientos de millones de años más tarde, cuando las primeras estrellas empezaron a formarse.

Durante los primeros 500 millones de años de existencia del Universo, la materia ordinaria estaba demasiado caliente como para unirse y formar las primeras estrellas. Pero la materia oscura no resultó afectada por la temperatura ya que, debido a su propia naturaleza, no depende de la radiación e interactúa fundamentalmente a través de la gravedad. Agregándose a causa de esta atracción gravitatoria, la materia oscura se agrupó primero en estructuras llamadas “mini halos”, lo que proporcionó una serie de “semillas gravitacionales” alrededor de las cuales la materia ordinaria pudo ir acumulándose. Así, el gas caliente (la materia ordinaria) se fue acumulando alredodor de los “mini halos”, dando lugar a “paquetes” de gas lo suficientemente densos como para colapsar sobre sí mismos y formar las primeras estrellas.

Kashlinsky observa que si efectivamente los agujeros negros son la materia oscura, el proceso de formación estelar sucedería más rápidamente y se producirían con más facilidad las irregularidades en la luminosidad del fondo cosmico observadas en el rango de los infrarrojos por el telescopio Spitzer. Y esto sería así incluso si solo una pequeña parte de los “mini halos” estuviera produciendo estrellas.

Por supuesto, los agujeros negros también capturarían una parte del gas caliente que era atraído lor los “mini halos”. Esa materia, se recalentaría según se fuera acercando a los agujeros negros y terminaría, también, por producir rayos X. Juntas, la luz infrarroja procedente de las primeras estrellas y los rayos X emitidos por la materia atraída por los agujeros negros, producirían los mismos efectos que los científicos han observado en los brillos en CIB y el CXB.

De vez en cuando, además, alguno de estos agujeros negros primordiales pasaría lo suficientemente cerca de otro como para ser capturado por su gravedad y formar un sistema binario. Durante eones, los dos agujeros negros de esos sistemas binarios se orbitarían mutuamente, para terminar fundiéndose en uno solo, como el encontrado el año pasado por los detectores LIGO.

“Las futuras observaciones de LIGO -afirma Kashlinsky- nos dirán mucho más sobre la población de agujeros negros en el Universo, y no hará falta demasiado tiempo para saber si el escenario que propongo se sostiene o no”.

 « La reinvención del Universo basada en su propia Memoria

Me ha venido a la memoria escenas y hechos que, en la última charla que pude dar en un Centro Educativo,  en el apartado de Ciencia, para chavales de 2º de Bachillerato, comencé la sesión ilustrándola con la Imagen de arriba, de la que di una breve explicación antes de entrar en materia: Nacimiento, Vida y Muerte de las estrellas y, de lo que hacían durante eseos largos períodos de tiempo y, en qué se convertían al final de sus vidas como estrellas.

El caso fue que, comencé con las explicaciones y, de entre el auditorio de jóvenes llenos de energía y revoltosos, algunos, no prestaban atención y, además, con sus bromas y risas, no dejaban que los demás, se pudieran interesar en lo que allí se trataba.

Aquella actitud de algunos, me obligó a parar la exposición y, mirando seriamente a los alborotadores, les dije: Chicos, si el tema no os interesa, y queréis salir de aquí siendo un poco más “burros”, sois libres de hacerlo. Sin embargo, os ruego que, si finalmente decidías seguir con nosotros, y al final ser un poco más “sabios”, dejéis de alborotar.

Como ya son “hombrecitos y mujeres”, la reprimenda tuvo su efecto y, a partir de aquel momento, todos estuvieron atentos a mis palabras con las que fui desgranando, despacio y con palabras sencillas, lo que era una explosión de supernova y cómo dejaba regada una amplia región del espacio interestelar por una hermosa e inmensa nebulosa de cuyos materiales, vuelven a nacer nuevas estrellas y nuevos mundos.

Apoyaba mis palabras con imágenes  como la de arriba.  La fotografía combina diferentes radiaciones, como rayos X, infrarojos o luz visible, y genera una amalgama de colores que aportan información importante para entender cómo llega una estrella a ser una estrella. Esta imagen ofrece una interesante mirada hacia el interior de la región activa de estrellas en ciernes llamada NGC 346. Los científicos responsables del telescopio aseguran que revela información nueva sobre cómo se forman las estrellas en el Universo.

La NASA publicó un video (1/09/2011) donde se aprecia el proceso de nacimiento estelar. Con grandes chorros de gas incandescente nacen las estrellas a millones de años luz, algo que ahora está al alcance del ojo humano a través de un vídeo reconstruido con imágenes fijas tomadas por el telescopio Hubble.  El vídeo, publicado en la página web de la agencia espacial estadounidense (NASA), ofrecía nuevos detalles sobre el proceso de nacimiento estelar, en el que se pueden apreciar los chorros de gas que expulsan las estrellas jóvenes con un detalle hasta ahora nunca visto.

A medida que las explicaciones avanzaban, pude notar como el interés de los chicos crecía. Ya no bromeaba nadie, la sala estaba en silencio y todos, sin excepción, se veían interesados e incluso, algunos, tenían la boca abierta por asombro. Allí, lo que al principio era una simple charla para alumnos, se fue convirtiendo en un auditoriun donde, profesores y alumnos de otras clases llegaban y se unián a los ya presentes.

Les pude explicar con todo detalle y de la manera más sencilla posible, como se formaban los elementos en las estrellas a partir del Hidrogeno, el elemento más sencillo de la Naturaleza.

Les expliqué el proceso protón–protón que convertía Hidrógeno en Helio y el proceso triple Alfa que convertía Helio en Carbono, el material químicamente más idóneo para la vida -al menos aquí en la Tierra- y, se hizo un largo recorrido por la transmutación que se producía en  todos los elementos, a medida que transcurría el tiempo y la estrella evolucionaba.

Pude darles una buena noción de las clases de estrellas que existen y de que, no todas tienen las mismas masas y que, como consecuencia de ello, cada una de esas estrellas, viven más o menos tiempo y que, cuando al final mueren, lo hacen de muy diferentes maneras. Ya que, estrellas medianas como nuestro Sol, terminan creando una Nebulosa planetaria al convertirse en Gigante roja y, terminan sus días como enanas blancas de una gran densidad. Les expliqué el proceso que hacían hasta llegar a tal estado y los parámetros que, como ekl principio de exclusión de Pauli, estaban allí presentes. De la misma manera, les expliqué que, estrellas más masivas terminaban como estrellas de neutrones y más masivas aún, como agujeros negros.

El recorrido fue algo largo (más de lo esperado), ya que, vista la gran atención que todos ponían en las explicaciones y en las imágenes que se ivan poniendo en cada fasa del proceso explicativo, procuraba que el tema tratado lo fuera en profundidad y amplitud y, de esa manera, la cosa resultó, además de más amena, mucho más completa y, sobre todo, comprensible.

Cuando al final di la charla por finalizada, pregunté si alguien quería alguna explicación sobre algún aspecxto delo que habíamos tratado, y, las manos que se levantaban presagiaban un largo, muy largo debate. Y, así fue. Los jóvenes se interesaban por todo y, de entre todo lo explicado, las cosas que más llamaron su atención fueron, por ejemplo:

Que nuestro Sol, cada segundo, pueda fusionar 4.654.600 toneladas de Hidrógeno en 4.650.000 toneladas de Helio. Y, un observador inquisitivo, me preguntaba: ¿dónde están las 4.600 Tn que se han perdido? Bueno, le expliqué que habían sido lanzadas al espacio interestelar en forma de luz y de calor y, una pequeña fracción, llegaba a la Tierra para permitir la fotosíntesis y la vida.

Otra de las cuestiones que les llamó más la atención fue, cómo era posible que estrellas supergigantes, pudieran tener una vida más corta cuando tenían a su disposición mucho más material. Y, cuando les expliqué que, esas estrellas, no consumen sino que devoran literalmente el material nuclaer de fusión, comprendieron el por qué de sus cortas vidas.

Y, preguntaban cómo no todas las estrellas tenían el mismo color, amarillas como nuestro Sol. La exlicación, como sabemos, está en el hecho de que no todas están formadas por el mismo material: Hay estrellas de Carbono, otras son de Oxígeno, Litio, manganeso…, la diversidad es enorme.

Mostraron mucha curiosidad y más intewrés aún, al saber -no todos conocían tal hecho- que, los elementos para hacer posible, la bio-química de la vida, se fabrica en las estrellas, es allí, en sus hornos nucleares donde se producen los elementos que conforma la materia del Universo, su diversidad que, bajo ciertas condiciones y, en los mundos adecuados situados en las zonas habitables de sus estrellas, pueden hacer surgir formas de vida que, a veces, llegan incluso a ser conscientes, como ha pasado aquí, en la Tierra.

Los remanentes de supernovas y de cómo en esas inmensas explosiones se producían oro y platino, también fue uno de los temas que llamó la atención del personal. Todos querían hablar al mismo tiempo y todos -era un auténtico gozo- tenían preguntas que plantear. Al final, el tiempo pasaba sin sentir y tuve que dar por finalizado el evento que, al contrario de lo que parecía al principio, fue todo un exito, sobre todo, al comprobar que aquellos jóvenes al terminar la charla y el coloquio, eran un poco “más sabios” que antes de empezar.

Claro que, no siempre las cosas salen tan bien paradas. Recuerdo aquel Asilo de Ancianos al que hace tiempo fuí a dar una charla de astronomía y, antes de terminar, estaban todos, prácticamewnte dormidos. La curiosidad y el interés, les había abandonado y, ese fue un día triste para mí.

emilio silvera

       Ilustración de una galaxia con un agujero negro en su centro. / ESA/AOES Medialab

 

Ilustración del futuro telescopio espacial de rayos X Athena. / IFCA

 

“Athena, combinando el hecho de ser un gran telescopio de rayos X con los instrumentos científicos más avanzados, abordará cuestiones clave de la astrofísica: y por qué la materia ordinaria se junta formando galaxias y grupos de galaxias que vemos hoy en el cielo y los agujeros negros crecen e influyen en su entorno”, explica la ESA en un comunicado. “Los científicos creen que en el centro de casi todas las galaxias hay agujeros negros desempeñando un papel fundamental en su formación y evolución. Para investigar esta conexión, Athena observará las emisiones muy calientes de materia justo antes de ser tragada por un agujero negro”.

El futuro observatorio ha sido propuesto por un equipo internacional liderado por siete científicos europeos, incluido Xavier Barcons, investigador del Instituto de Física de Cantabria IFCA (CSIC– Universidad de Cantabria), según informa esa institución.

Athena a una distancia de un millón y medio de kilómetros de la Tierra, en torno al punto de equilibrio gravitatorio Lagrange-2, donde están, entre otros, los telescopios Herschel, Planck y Gaia de la ESA y a donde se enviará el James Webb, futuro sustituto del telescopio espacial Hubble.

“Agujeros negros, cúmulos de galaxias, estrellas de neutrones, restos de supernovas, estrellas activas o incluso atmósferas de planetas del Sistema Solar estarán en el punto de mira de Athena”, resume el IFCA.

Esta misión nueva de la ESA, inscrita en el programa Cosmic Visions. “Su elección asegura que el éxito de Europa en el campo de la astronomía de rayos X se mantendrá más allá de la vida útil de nuestro observatorio insignia XMM-Newton”, ha declarado Álvaro Giménez, director de Ciencia y Exploración Robótica de la ESA.

A partir de ahora los científicos y los ingenieros deben abordar los retos tecnológicos del nuevo telescopio, incluida la óptica del mismo y la refrigeración, ya que uno de los detectores funcionará a solo 50 milésimas de grado sobre el cero absoluto (273 grados bajo cero). Todavía está en discusión la posible participación en Athena de socios internacionales, como la NASA y la agencia espacial japonesa JAXA, según informa el IFCA.

 La Fascinación de algunas estrellas