Kip Thorne, especialista en Agujeros Negros e impulsor del Proyecto LIGO que localizó las ondas gravitacionales (por lo que le dieron el Nobel),  nos cuenta en uno de sus libros, cómo algunos científicos especializados como él, pudieron despejar muchas de las incógnitas escondidas en los misteriosos objetos.

La idea de que Agujeros negros gigantes podían activar los cuásares y las radio-galaxias fue concebida por Edwin Salpeter y Yakov Borisovich Zel´dovich en 1964. Esta idea era una aplicación obvia del descubrimiento de dichos personajes de que las corrientes de gas, cayendo hacia un agujero negro colisionarían y radiarían.

Una descripción más completa y realista de la caída de corriente de gas hacia un agujero negro fue imaginada en 1969 por Donald Lynden-Bell, un astrofísico británico en Cambridge. Él argumentó convincentemente, que tras la colisión de las corrientes de gas, estas se fundirían, y entonces las fuerzas centrífugas las harían moverse en espiral dando muchas vueltas en torno al agujero antes de caer dentro; y a medida que se movieran en espiral, formarían un objeto en forma de disco, muy parecidos a los anillos que rodean el planeta Saturno: Un disco de Acreción lo llamó Lynden-Bell puesto que el agujero está acreciendo (todos hemos visto la recreación de figuras de agujeros negros con su disco de acreción).

En Cygnus X-1, en el centro galáctico, tenemos un Agujero Negro modesto que, sin embargo, nos envía sus ondas electromagnéticas de rayos X. En el disco de acreción, las corrientes de gas adyacentes rozarán entre sí, y la intensa fricción de dicho roce calentará el disco a altas temperaturas.

                                    Imagen del quásar 3C273 captada por el telescopio espacial Hubble

“Un equipo de científicos de diferentes países, entre ellos Alemania, EE.UU. y Francia, han estudiado por primera vez con gran detalle el entorno del quásar 3C273 ubicado fuera de galaxia de la Vía Láctea, logrando medir la masa de su agujero negro con una precisión sin precedentes, según refleja su estudio, publicado en la revista Nature.”

En los años ochenta, los astrofísicos advirtieron que el objeto emisor de luz brillante en el centro de 3C273, el objeto de un tamaño de 1 mes-luz o menor, era probablemente el disco de acreción calentado por la fricción de Lynden-Bell.

Fue en 1963 cuando M. Schmidt identificó por primera vez al quasar 3C 273

Normalmente pensamos que la fricción es una pobre fuente de calor. Sin embargo, puesto que la energía gravitatoria es enorme, mucho mayor que la energía nuclear, la fricción puede realizar fácilmente la tarea de calentar el disco y hacer que brille con un brillo 100 veces mayor que la galaxia más luminosa.

¿Cómo puede un agujero negro actuar como un giróscopo? James Bardeen y Jacobus Petterson de la Universidad de Yale comprendieron la respuesta en 1975: si el agujero negro gira rápidamente, entonces se comporta precisamente como un giróscopo. La dirección del eje del giro permanece siempre firme fijo e inalterado, y el remolino creado por el giro en el espacio próximo al agujero permanece siempre firmemente orientado en la misma dirección.

Bardeen y Petterson demostraron mediante un cálculo matemático que este remolino en el espacio próximo al agujero debe agarrar la parte interna del disco de acreción y mantenerlo firmemente en el plano ecuatorial del agujero; y debe hacerlo así independientemente de cómo esté orientado el disco lejos del agujero.

A medida que se captura nuevo gas del espacio interestelar en la parte del disco distante del agujero, el gas puede cambiar la dirección del disco en dicha región, pero nunca puede cambiar la orientación del disco cerca del agujero. La acción giroscópica del agujero lo impide. Cerca del agujero el disco sigue y permanece siempre en el plano ecuatorial del mismo.

Sin la solución de Kerr a la ecuación de campo de Einstein, esta acción giroscópica hubiera sido desconocida y habría sido imposible explicar los cuásares. Con la solución de Kerr a mano, los astrofísicos de mitad de los años setenta estaban llegando a una explicación clara y elegante. Por primera vez, el concepto de un agujero negro como un cuerpo dinámico, más que un simple “agujero en el espacio”, estaba jugando un papel central en la explicación de las observaciones de los astrónomos.

¿Qué intensidad tendrá el remolino del espacio cerca de un agujero gigante? En otras palabras, ¿Cuál es la velocidad de rotación de los agujeros gigantes? James Bardeen dedujo la respuesta: demostró matemáticamente que la acreción de gas por el agujero debería hacer que el agujero girase cada vez más rápido. Cuando el agujero hubiera engullido suficiente gas en espiral para duplicar su masa, el agujero debería estar girando casi a su velocidad máxima posible, la velocidad más allá de la cual las fuerzas centrífugas impiden cualquier aceleración adicional. De este modo, los agujeros negros gigantes deberían tener típicamente momentos angulares próximos a su valor máximo.

En las imágenes podemos contemplar galaxias que se fusionarán y, sus agujeros negros centrales se harán gigantes

¿Cómo puede un agujero negro y su disco dar lugar a dos chorros que apuntan en direcciones opuestas? De una forma sorprendentemente fácil, reconocieron Blandford, Rees y Lynden-Bell en la Universidad de Cambridge a mediados de los setenta. Hay cuatro formas posibles de producir chorros; cualquiera de ellas funcionaria, y, aquí, donde se explica para el no versado en estos objetos cosmológicos, sólo explicaré el cuarto método por ser el más interesante:

El Agujero es atravesado por la línea de campo magnético. Cuando el agujero gira, arrastra líneas de campo que le rodean, haciendo que desvíen el plasma hacia arriba y hacia abajo. Los chorros apuntan a lo largo del eje de giro del agujero y su dirección está así firmemente anclada a la rotación giroscópica del agujero. El método fue concebido por Blandford poco después de que recibiera el doctorado de física en Cambridge, junto con un estudiante graduado de Cambridge, Roman Znajek, y es por ello llamado el proceso Blandford-Znajet.

Algunos dicen que en los agujeros negros está la puerta hacia la quinta dimensión (una idea peregrina), si miramos la manera en que ataca a una estrella vecina y la engulle, no creo que la lleve a dar una vuelta por esa quinta dimensión que imaginó Kaluza.

Este proceso es muy interesante porque la energía que va a los chorros procede de la enorme energía rotacional del agujero (esto debería parecer obvio porque es la rotación del agujero la que provoca el remolino en el espacio, y es el remolino del espacio el que provoca la rotación de las líneas de campo y, a su vez, es la rotación de las líneas de campo la que desvía el plasma hacia fuera.)

¿Cómo es posible, en este proceso Blandford-Znajet, que el horizonte del agujero sea atravesado por líneas de campo magnético? tales líneas de campo serían una forma de “pelo” que puede convertirse en radiación electromagnética y radiada hacia fuera, y por consiguiente, según el teorema de Price, deben ser radiadas hacia fuera. En realidad, el teorema de Price solo es correcto si el agujero está aislado, lejos de cualquier otro objeto.

Pero el agujero que estamos discutiendo no está aislado, está rodeado de un disco de acreción. Así que las líneas de campo que surgen del agujero, del hemisferio norte y las que salen del hemisferio sur se doblarán para empalmarse y ser una continuación una de otra, y la única forma de que estas líneas puedan entonces escapar es abriendo su camino a través del gas caliente del disco de acreción. Pero el gas caliente no permitirá que las líneas de campo lo atraviesen; las confina firmemente en la región del espacio en la cara interna del disco, y puesto que la mayor parte de dicha región está ocupada por el agujero, la mayoría de las líneas de campo confinadas atravesarán el agujero.

¿De donde proceden esas líneas de campo magnético? Del propio disco.

Cualquier gas en el Universo está magnetizado, al menos un poco, y el gas del disco no es una excepción. Conforme el agujero acrece, poco a poco, gas del disco, el gas lleva con él líneas de campo magnético. Cada pequeña cantidad de gas que se aproxima al agujero arrastra sus líneas de campo magnético y, al cruzar el horizonte, deja las líneas de campo detrás, sobresaliendo del horizonte y enroscándose. Estas líneas de campo enroscadas, firmemente confinadas por el disco circundante, extraerían entonces la energía rotacional del agujero mediante el proceso de Blandford-Znajet.

Los métodos de producir chorros (orificios en una nube de gas, viento de un embudo, líneas de campo arremolinadas ancladas en el disco, y el proceso Blandford-Znajet) actúan probablemente, en grados diversos, en los cuásares, en las radiogalaxias y en los núcleos característicos de algunos otros tipos de galaxias (núcleos que se denominan núcleos galácticos activos).

El 16 de marzo de 2013 se cumplió medio siglo del descubrimiento de que los cuásares eran objetos extra-galácticos muy brillantes y a enormes distancias de nosotros.

Si los cuásares y las radio-galaxias están activados por el mismo tipo de máquina de agujero negro, ¿Qué hace que parezcan tan diferentes? ¿Por qué la luz de un cuásar aparece como si procediera de un objeto similar a una estrella, intensamente luminoso y de un tamaño de 1 mes-luz o menos, mientras que la luz de radio-galaxias procede de un agregado de estrellas similar a la Vía Láctea, de un tamaño de 100.000 años-luz?

“Vista de radio galaxia NGC 4261 elíptico. La galaxia elíptica gigante NGC 4261 es una de las 12 galaxias más brillantes del cúmulo de Virgo, situado a 45 millones de años luz de distancia.”

Parece casi seguro que los cuásares no son diferentes de las radio-galaxias; sus máquinas centrales también están rodeadas de una galaxia se estrellas de un tamaño de 100.000 años luz. Sin embargo, en un cuásar el agujero negro central está alimentado a un ritmo especialmente elevado por el gas de acreción y, consiguientemente, el calentamiento friccional del disco es también elevado. Este calentamiento del disco hace que brille tan fuertemente que su brillo óptico es cientos o miles de veces que el de todas las estrellas de la galaxia circundante juntas.

Los astrónomos, cegados por el brillo del disco, no pueden ver las estrellas de la galaxia, y por ello el objeto parece “cuasi estelar” (es decir, similar a una estrella; como un minúsculo punto luminoso intenso) en lugar de parecer una galaxia.

La región más interna del disco es tan caliente que emite rayos X; un poco más lejos el disco está más frío y emite radiación ultravioleta; aún más lejos está más frío todavía y emite radiación óptica (luz); en su región mas externa está incluso más frío y emite radiación infrarroja. La región emisora de luz tiene típicamente un tamaño de aproximadamente un año-luz, aunque en algunos casos, tales como 3C273, puede ser de un mes luz o más pequeña.

Estas explicaciones para los cuásares y las radio-galaxias basadas en agujeros negros son tan satisfactorias que es tentador asegurar que deben ser correctas.

Ambos, Planck y Einstein, con su ingenio, nos abrieron las puertas de nuevos horizontes: El primero sembró la semilla de lo que sería la Mecánica Cuántica, y, el segundo, nos trajo una nueva Cosmología.

Está claro que hemos podido acceder a muchos conocimientos que no hace mucho tiempo eran impensables pero, las teorías de Einstein y Planck, deben ser sobrepasadas y debemos ir mucho más lejos, allí donde residen esas respuestas que hasta el momento nadie ha sabido dar y que responderán a preguntas que fueron posibles formular, gracias a Einstein y Planck, ya que, sin los conocimientos que ellos nos hicieron llegar, no podríamos intuir que hay muchas cosas que están más allá de sus postulados.

emilio silvera

 

Puesto que la curvatura-espaciotemporal es lo mismo que la gravedad, estas ondulaciones de curvatura son realmente ondas de gravedad, u ondas gravitatorias. La Teoría de la Relatividad General de Einstein predice, de forma inequívoca, que tales ondas gravitatorias deben producirse siempre que dos agujeros negros orbiten uno en torno al otro.

Cuando parten hacia el espacio exterior, las ondas gravitacionales producen una reacción sobre los agujeros de la misma forma que una bala hace retroceder el fusil que la dispara. El retroceso producido por las ondas aproxima más los agujeros y les hace moverse a velocidades mayores; es decir, hacen que se muevan en una espiral que se cierra lentamente y hace que se vayan acercando el uno hacia el otro. Al cerrarse la espiral se genera poco a poco energía gravitatoria, una mitad de la cual va a las ondas y la otra mitad va a incrementar las velocidades orbitales de los agujeros.

El movimiento en espiral de los agujeros es lento al principio; luego, a medida que los agujeros se acercan, se mueven con mayor velocidad, radian sus ondulaciones de curvatura con más intensidad, y pierden energía y se cierran en espiral con más rapidez. Finalmente, cuando cada agujero se está moviendo a una velocidad cercana a la de la luz, sus horizontes se tocan y se fusionan. Donde una vez hubo dos agujeros, ahora sólo hay uno.

El horizonmte del agujero giratorio queda perfectamente liso y con su sección ecuatorial circular, con la forma descrita precisamente por la solución de Kerr a la ecuación de campo de Einstein. Cuando se examina el agujero negro liso final, no hay ningún modo de descubrir su historia pasada. No es posible distinguir si fue creado por la coalescencia de dos agujeros más pequeños, o por la implosión directa de una estrella supermasiva construida por materia, o por la implosión directa de una estrella constituida por antimateria. El agujero negro no tiene “pelo” a partir del cual se pueda descifrar su historia.

Sin embargo, la historia no se ha perdido por completo: ha quedado un registro codificado en las ondulaciones de la curvatura espacio-temporal que emitieron los agujeros coalescentes. Dichas ondulaciones de curvatura son muy parecidas a las ondas sonoras de una sinfonía. De la misma forma que la sinfonía está codificada en las modulaciones de las ondas sonaras (mayor amplitud aquí, menor allí), también la historia de la coalescencia está codificada en modulaciones de las ondulaciones de curvatura. Y de la misma forma que las ondas sonoras llevan su sinfonía codificada desde la oequesta que la produce hasta la audiencia, también las ondulaciones de curvatura llevan su historia codificada desde los agujeros fusionados hasta los rincones más lejanos del Universo lejano.

Claro que, en toda esta historia hay un fallo, nosotros, los humanos, aún no somos lo suficientemente hábiles para haber podido construir aparatos capaces de detectar y oír las sinfonías mencionadas con entusiasmos por el Sr. Thorne y, que según el cree, son mensajes que nos traen esas ondas de gravedad de los agujeros negros binarios. Es como si no pudiéramos oír esa hermosa sinfonía que nos mostraría un nuevo Universo por nosotros desconocido.

Se han detectado colisiones de agujeros negros binarios

Ahora sabemos que por medio de potentes telescopios podemos conocer lo que es el Universo, podemos observar galaxias lejanas y estudiar cúmulos de galaxias o de estrellas y captar las imágenes de bonitas Nebulosas, todo eso es posible gracias a que al captar la luz que emitieron esos objetos cosmológicos hace decenas, cientos, miles o millones de años como señal electromagnética que viajando a la velocidad de c, hace posible que podamos ver lo observado como era entonces, en aquel pasado más o menos lejano. De la misma manera, se cree que, las ondas gravitatorias emitidas por estos objetos misteriosos, se podrán llegar a captar con tal claridad que nos permitirá saber de otra faceta (ahora) desconocida del Universo, y, sobre todo, podremos entender el pasado de esos densos objetos que, de momento, nos resultan exóticos y también extraños.

                              Foto: NASA

• Test: ¿Cuánto sabes de Einstein?

Kip Thorne (Logan, EE UU, 1940) es uno de los mayores expertos mundiales en agujeros negros. Hace algún tiempo también se convirtió en una estrella de la divulgación como asesor de Interstellar, la película que plantea una expedición humana a un agujero de gusano, seguida de una caída en un agujero negro, seguida de un viaje hacia la quinta dimensión. En su momento, este físico teórico del Instituto Tecnológico de California acudió a Londres para la presentación de la medalla Stephen Hawking (Un gran amigo suyo), impulsada por el Festival Starmus. Después de la ceremonia, el físico explicó a Materia sus próximos proyectos.

Pregunta. ¿Por qué cree que los agujeros negros son tan atractivos para la gente?

Respuesta. Bueno, son misteriosos, son extraños, llevan la marca personal de Stephen Hawking… Para los científicos, son únicos. Aunque se crearon por la implosión de una estrella, la materia desaparece en la singularidad en el centro del agujero negro. Por eso están hechos solo de tiempo y espacio curvos, no tienen materia, son completamente diferentes de ti y de mí.

P. Para Interstellar hizo cálculos reales de qué sucede si caes en un agujero negro. ¿Qué es lo más interesante que descubrió?

R. Lo más excitante fue ver cuál sería el aspecto de Gargantúa, el agujero negro. Es maravillosa, con ese halo alrededor y el disco que lo cruza. Otra cosa muy interesante es cuando Cooper [Matthew McConaughey] entra en el agujero negro. En ese momento dice: estoy cruzando el horizonte de sucesos [el punto de no retorno en un agujero negro]. Claro, nada escapa de un agujero negro, ni siquiera la luz, por lo que de frente no verías nada, pero, si miras atrás y ya estás dentro de él, sí verías el universo exterior. Y es una imagen maravillosa en la que el disco de gas caliente en torno al agujero negro es un anillo en el cielo que contiene al universo.

Los agujeros negros están hechos de tiempo y espacio curvo, no tienen materia, son completamente diferentes de ti y de mí”