Cómo surgieron los agujeros negros más grandes del universo

En la mitad del camino que separa las pequeñas constelaciones de Delphinus el Delfín y la pezuña trasera de Pegasus el caballo volador, un molinillo inmaculado se mueve por el espacio.

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Durante miles de millones de años, los lanudos brazos espirales de la galaxia UCG 11700 han girado en paz sin ser perturbados por las colisiones y fusiones que han deformado otras galaxias.

Sin embargo, mientras la UCG 11700 gira armoniosamente en el espacio, algo monstruoso acecha en su centro.

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En el corazón de esta hermosa rueda cósmica se encuentra uno de los objetos más misteriosos del universo: un agujero negro supermasivo.

Si bien la masa de los agujeros negros estándar equivale a alrededor de cuatro veces la de nuestro Sol, sus enormes parientes son millones y, en ocasiones, miles de millones de veces más masivos.

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Los científicos creen que casi todas las grandes galaxias tienen un agujero negro supermasivo en su corazón, a pesar de que nadie sabe cómo llegaron allí.

Aquí es donde la galaxia UCG 11700 podría ser útil.

“Las galaxias ideales para mi estudio son las espirales más hermosas y perfectas que puedas imaginar”, dice la investigadora junior de la Universidad de Oxford Becky Smethurst, quien estudia los agujeros negros supermasivos.

“Las galaxias más bonitas son las que podrían ayudarnos a resolver el misterio de cómo crecen estos agujeros negros”, agrega.

Estudiar algo que por su naturaleza es tan denso que ni siquiera la luz puede escapar de su centro dificulta su aprendizaje.

Pero las nuevas técnicas que buscan los efectos que los agujeros negros supermasivos tienen en los objetos interestelares que los rodean —e incluso en las ondas que crean en el tejido del espacio y el tiempo— están dando nuevas pistas.

Cómo aparece un agujero negro

Hay un pequeño secreto sobre cuán convencional, si se le puede llamar así, es la forma en la que un agujero negro aparece y crece.

Una estrella moribunda se queda sin combustible, explota en una supernova, colapsa sobre sí misma y se vuelve tan densa que ni siquiera la luz puede escapar de su intensa gravedad.

La idea de los agujeros negros existe desde hace un siglo y ya la predijo la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein.

En la cultura popular, los agujeros negros son perfectamente oscuros y están infinitamente hambrientos.

Ellos atraviesan el universo absorbiendo todo lo que encuentran a su paso, haciéndose más grandes y voraces a medida que lo hacen.

Misterio resuelto, uno podría pensar: los agujeros negros supermasivos son simplemente los más hambrientos y los más antiguos de su tipo.

Sin embargo, los agujeros negros no están a la altura de su monstruosa reputación.

Son sorprendentemente ineficaces en la acreción (término científico para decir “absorber”) del material circundante, incluso en un núcleo galáctico denso.

De hecho, las estrellas colapsadas crecen tan lentamente que no podrían volverse supermasivas simplemente absorbiendo material nuevo.

“Supongamos que las primeras estrellas formaron agujeros negros alrededor de 200 millones de años después del Big Bang”, dice Smethurst.

“Después de que colapsaron, tienes alrededor de 13.500 millones de años para hacer crecer tu agujero negro a miles de millones de veces la masa del Sol. Es un tiempo demasiado corto para hacerlo tan grande solo con la absorción de material”, agrega.

Aún más desconcertante es saber que los agujeros negros supermasivos ya existían cuando el universo estaba todavía en su relativa infancia.

Los cuásares lejanos, algunos de los objetos más brillantes del cielo nocturno, son en realidad antiguos agujeros negros supermasivos que han incendiado los núcleos de galaxias moribundas.

Algunos de estos gigantes han estado presentes al menos desde que el universo tenía apenas 670 millones de años, en un momento en que se estaban formando algunas de las galaxias más antiguas conocidas.

La realidad sobre estos motores energéticos

Mientras que el corazón de un agujero negro sigue siendo desconocido para los observadores externos, los agujeros negros supermasivos pueden brillar más intensamente que una galaxia entera de estrellas, e incluso pueden producir “eructos” de radiación ultravioleta a medida que consumen material a su alrededor.

Los agujeros negros tienen un límite esférico conocido como “horizonte de eventos”. Dentro de esta esfera, la luz, la energía y la materia están atrapadas ineludiblemente.

El espacio y el tiempo se pliegan sobre sí mismos y las leyes físicas que describen cómo funciona la mayor parte de nuestro universo se rompen.

Pero, justo fuera del horizonte de eventos, un agujero negro giratorio puede convertir el material cercano en un disco giratorio sobrecalentado.

Alcanzando temperaturas superiores a los 10 millones de grados centígrados, el disco de acreción en un cuásar libera una radiación cegadoramente brillante en todo el espectro electromagnético.

Los agujeros negros son los motores más eficaces y eficientes del universo”, dice Marta Volonteri, investigadora de agujeros negros en el Institut d’Astrophysique de Paris.

“Transforman la masa en energía con una eficiencia de hasta un 40%. Si piensas en cualquier cosa que nosotros quemamos con carbono o energía química o, incluso, en lo que sucede en las estrellas, es solo una pequeña fracción de lo que produce un agujero negro”.

Los agujeros negros supermasivos interesan a los científicos por algo más que su eficiencia energética. Su formación y evolución están claramente conectadas con el desarrollo de las galaxias y con el tema aún mayor de la historia y estructura de todo nuestro universo.

Resolver el misterio de estos gigantes cósmicos representaría un paso significativo en el esfuerzo continuo de los científicos por comprender por qué las cosas son como son.

Las ondas gravitacionales y su papel en el tamaño de los agujeros

La liberación de energía es una de las muchas formas en que los agujeros negros divulgan sus secretos.

Cuando los agujeros negros se fusionan o chocan con objetos ligeramente menos densos como estrellas de neutrones, los eventos crean ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.

Estas ondas se mueven a través del cosmos a la velocidad de la luz y se detectaron por primera vez en la Tierra en 2015.

Desde entonces, grandes centros como el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO, por sus siglas en inglés) en Estados Unidos y las instalaciones de Virgo cerca de Pisa, Italia, han ido recogiendo las ondas creadas por estas colisiones.

Pero aunque estos observatorios utilizan instrumentos que miden varios kilómetros de extensión, solo pueden detectar ondas de agujeros negros de tamaño relativamente modesto.

“LIGO ha detectado fusiones de sólo unas 150 masas solares”, dice Nadine Neumayer, quien dirige el grupo de investigación Galactic Nuclei en el Instituto Max Planck de Astronomía.

“Hay una brecha en los datos sobre lo que la gente llama ‘agujeros negros de masa intermedia’ de unas 10.000 masas solares más o menos. Y esos, en realidad, podrían ser las semillas de los agujeros negros supermasivos”.

La experta señala que los agujeros negros de masa intermedia podrían haberse formado en el universo muy temprano a partir del colapso de nubes de gas gigantes o colisiones descontroladas de estrellas.

En el entorno estrecho del joven universo, las sucesivas colisiones entre estos agujeros negros de tamaño mediano, combinadas con una rápida acumulación del material circundante, podrían haber acelerado su crecimiento a escalas supermasivas.

Aun así, la teoría de la semilla del agujero negro de masa intermedia tiene problemas. El pequeño universo incipiente también estaba muy caliente.

Las nubes de gas se habrían bañado en radiación, posiblemente dándoles demasiada energía para colapsar sobre sí mismas.

Incluso en un cosmos denso, las leyes de la física también limitan la velocidad máxima a la que los agujeros negros pueden absorber materia.

Volonteri dice que toda explicación actual para los agujeros negros supermasivos tiene “cuellos de botella e inconvenientes” que impiden que los científicos converjan en una respuesta definitiva.

“Las teorías que involucran lo que llamamos ‘procesos dinámicos’, lo que significa que se forma un agujero negro a partir de muchas, muchas estrellas en lugar de solo una, son posibles, pero estos procesos deben suceder en condiciones muy específicas”, dice.

“También hay teorías sobre los ‘agujeros negros primordiales’, que podrían haber existido y comenzado a crecer antes de que hubiera estrellas. Pero este es un territorio completamente desconocido. No tenemos ninguna prueba de observación para probar este principio”, agrega.

Volonteri dice que le encanta la física de los procesos dinámicos, pero reconoce que es muy difícil para la teoría predecir de manera creíble algo que crezca más de aproximadamente 1.000 masas solares.

“Cuando se consideran los cuásares que ya tenían mil millones de masas solares cuando el universo tenía mil millones de años, es muy difícil llegar a esos números”, dice.

Esta experta cree que la verdadera historia de cómo surgieron los agujeros negros supermasivos aún no se ha contado.

“Cuanto más investigamos, más descubrimos que hay problemas que pensamos que habíamos entendido. Nos falta algo fundamental”, apunta.

La generación actual de instrumentos de observación ha comenzado a llenar los vacíos. Virgo, LIGO y observatorios similares están proporcionando “información demográfica” cada vez más profunda sobre el tamaño, la edad y la ubicación de la población de agujeros negros del Universo.

Pero para completar este tipo de datos sobre los agujeros negros supermasivos, los investigadores necesitarán detectores aún más grandes.

Los esfuerzos para medir los agujeros y la “óptica adaptativa”

En la década de 2030, la NASA y la Agencia Espacial Europea lanzarán la ambiciosa Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA, por sus siglas en inglés), que comprende tres satélites que vuelan en un triángulo con lados de 2,5 millones de kilómetros de largo.

Esta matriz funcionará con principios similares a los de Ligo y Virgo, pero su escala masiva le permitirá detectar ondas gravitacionales de agujeros negros muy grandes más allá del alcance de la tecnología existente.

Pero hay otras formas más directas de ver los agujeros negros.

El telescopio Event Horizons capturó recientemente las primeras imágenes fotográficas de agujeros negros, sacando a estos misteriosos objetos de las sombras y revelando más sobre su naturaleza y los efectos de su gravedad y magnetismo en las galaxias que habitan.

Los astrofísicos también pueden rastrear el movimiento de estrellas en órbitas cercanas alrededor de los agujeros negros en el núcleo galáctico, extrapolando información sobre los objetos masivos en su centro.

La mayoría de las observaciones de este tipo se basan en telescopios terrestres que utilizan una tecnología llamada “óptica adaptativa”.

Los observadores analizan una estrella brillante (o un rayo láser generado por humanos) para medir las distorsiones atmosféricas que, de otro modo, reducirían la calidad de la imagen.

Las señales controladas por computadora corrigen estas distorsiones mediante pequeños ajustes a la forma física del espejo del telescopio.

El resultado son observaciones precisas de los corazones de galaxias a miles de millones de años luz de distancia y una gran cantidad de datos sobre sus agujeros negros supermasivos.

Neumayer fue una de las primeras científicas en utilizar la óptica adaptativa para estudiar los núcleos galácticos.

“Fue simplemente alucinante que pudieras tener una mejor resolución desde la Tierra que desde el telescopio espacial Hubble”, comenta.

“Trabajé en la medición de masas específicas de agujeros negros. Existe una estrecha correlación: cuanta más masa tiene una galaxia, más masivo es su agujero negro supermasivo central”, apunta.

A pesar de esta correlación, no hay evidencia clara de que las galaxias masivas creen agujeros negros masivos, o viceversa. Están conectados, pero la naturaleza de esa conexión sigue siendo un misterio.

Una parte de la explicación podría involucrar colisiones entre galaxias.

La mayoría de los dos billones de galaxias observables del universo se están alejando entre sí, pero ocurren muchas colisiones, creando oportunidades para que dos agujeros negros centrales muy grandes se fusionen en algo aún más grande.

Algunos científicos creen que esta podría ser la forma en que se forman los agujeros negros supermasivos verdaderamente monstruosos.

Cuando los agujeros negros estelares comparativamente pequeños chocan, liberan enormes cantidades de energía durante una fracción de segundo, produciendo un destello tan brillante que eclipsa brevemente todo lo demás en el cielo.

Si viéramos un evento similar que involucre agujeros negros supermasivos, sería uno de los eventos más cataclísmicos que se pudieran detectar en el cielo nocturno.

Sin embargo, aunque los científicos sospechan que las fusiones de agujeros negros supermasivos sí ocurren, puede que sean menos comunes debido a otro aspecto problemático de las dinámicas de

Los agujeros negros que van en una trayectoria de colisión giran en torno el uno al otro con mayor velocidad a medida que se acercan. Pero los agujeros negros muy grandes alcanzan un punto de más o menos un pársec (3,26 años luz) de distancia donde su velocidad orbital empieza a nivelar la atracción gravitacional.

La degradación de sus órbitas ocurriría tan lentamente que la actual fusión no sucedería dentro de la edad actual del universo.

No obstante, los físicos sí creen que estas fusiones ocurren, lo que requiere nuevas teorías de cómo superar el llamado “problema del pársec final”.

Se necesita algún tipo de fuerza adicional que junte otra vez a los agujeros negros en órbita.

El universo está repleto de galaxias que se cree fueron formadas por fusiones, incluyendo nuestra propia Vía Láctea, lo que sugiere que sí ocurren.

Cuando las galaxias chocan su estructura espiral original se destruye a medida que las estrellas, nubes de gas, materia oscura y agujeros negros interactúan. Hasta un roce entre galaxias puede desestabilizar sus estructuras, lo que las hace fácil de detectar.

La soledad de algunas galaxias

Pero eso significa que los agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias que giran como un molinillo inmaculado como la UCG11700 no se pueden explicar en términos de colisiones. Sus estructuras sugieren que nunca se han acercado a otra galaxia.

“Selecciono galaxias muy raras que han estado solas toda su existencia, que han estado muy, muy aisladas en el universo”, dice Becky Smethurst. “Con esas estamos seguros de que el agujero negro en el centro nunca ha crecido por la fusión con alguna otra cosa”.

Eso quiere decir que se deben haber formado de otra manera.

Smethurst trabaja retroactivamente para determinar qué tan grandes tendrían que ser estos agujeros negros al comienzo para alcanzar su tamaño actual.

Sus mejores modelos indican que un agujero negro que se formó al inicio del universo de entre 1.000 y 10.000 masas solares podría ser suficiente -cifras que cuadran con las teorías de Neymayer sobre los agujeros negros “semilla” de tamaño intermedio.

Pero esos agujeros negros probablemente no provienen de estrellas colapsadas.

Los astrofísicos también están explorando la posibilidad de que los agujeros negros supermasivos se forman directamente de la materia oscura, el misterioso material que mantiene unidas a las galaxias.

Pero la materia oscura, que es un tipo teórico de partícula que interactúa con la gravedad, pero es invisible a la luz y el electromagnetismo, es en sí muy poco entendida.

La combinación de los misterios de los agujeros negros y la materia oscura sólo vuelve la física más compleja.

“Todavía hay mucho que no conocemos”, dice Smethurst.

“Creo que sería arrogante de nuestra parte concluir que la única manera de formar un agujero negro es a través de una supernova, porque no sabemos eso con seguridad.

Tal vez la explicación es algo completamente impensable hasta ahora. Espero con ahínco el día que el universo nos sorprenda con la respuesta. Creo que será un gran día para la ciencia”.

La NASA y su Telescopio Espacial James Webb

Instrumentos de observación más avanzados están en camino.

Este año, la NASA planea lanzar el Telescopio Espacial James Webb (aunque actualmente hay una campaña para cambiar el nombre del instrumento debido a las políticas homofóbicas impuestas por el epónimo director de la NASA), cuyo tamaño y capacidad sensorial sin precedentes lo convertirá en un instrumento valioso en la investigación de agujeros negros supermasivos.

La misión Lisa, cuando sea lanzada, también le dotará a los científicos con nuevas formas de observar los agujeros negros supermasivos a través de sus ondas gravitacionales.

Otros científicos están creando mapas cada vez más detallados de los lugares, movimientos, formas y tamaños de millones de galaxias, que alimentan la investigación tanto de observadores como teoréticos.

“El ritmo de trabajo es simplemente fenomenal”, comenta Smethurst.

“Tenemos el equivalente a 100 años de investigación sobre agujeros negros. Pero comparado a los 14.000 millones de años que lleva el universo, eso no es suficiente para resolver todos los misterios. Pretendo contestar un interrogante y termino con cinco más. Y eso está bien por mi lado”.

Neumayer coincide con Smethurst que los descubrimientos más fascinantes sobre los agujeros negros probablemente tendrán que ver con preguntas que nadie se ha hecho.

“Ha sido un siglo asombroso de desarrollos técnicos que ha hecho posibles estos descubrimientos”, dice la científica.

“Conocemos muchos problemas que queremos resolver. Pero también veremos cosas nuevas que no podemos siquiera imaginar. Y creo que eso es increíble”.

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