CAF-Elhuyar 2018: Sinfonía de agujeros negros

2018/05/16 Miguel Querejeta Pérez Iturria: Elhuyar aldizkaria

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La mayoría de las galaxias tienen un agujero negro gigante en el centro. Y esos enormes agujeros negros, que ocultan en su interior la masa de millones de estrellas y la luz tampoco puede escapar de ellos. Pero estos gigantescos agujeros negros tienen una gran influencia en las galaxias, ya que sus grandes campos gravitatorios atraen a la materia que les rodea y pueden provocar fuertes cambios en las galaxias hosteleras. El objetivo de esta tesis doctoral ha sido analizar la interacción entre gigantescos agujeros negros y galaxias. Bienvenidos a este curioso espectáculo cósmico: comienza la sinfonía de los agujeros negros.

El corazón negro de las galaxias

Podríamos decir que todo lo que está a nuestro alrededor es el polvo de las estrellas y la mayoría de los átomos que forman nuestro cuerpo. Para crear elementos pesados es necesario que se produzcan explosiones cósmicas como explosiones de estrellas masivas como supernovas o choques de estrellas de neutrones. Estos fenómenos emiten tanta energía, en la que las partículas elementales pueden reorganizarse formando elementos pesados, a la vez que la explosión dispersa a través de la galaxia, dando lugar a nuevas estrellas y planetas. Además, las explosiones de estrellas masivas dejan detrás un agujero negro.

Pero, si los agujeros negros también atrapan la luz, ¿cómo es posible encontrar y analizar agujeros negros? No podemos ver qué pasa dentro del agujero, pero sí podemos medir la influencia que tienen los agujeros negros sobre ellos, es decir, analizamos los agujeros negros de forma indirecta investigando sus consecuencias. Durante la pasada década, siguiendo con cuidado el movimiento de las estrellas que se encuentran en el centro de nuestra Vía Láctea, fue posible deducir la existencia de un enorme agujero negro. Las leyes de Newton nos dicen que las estrellas que están en órbita alrededor de un punto girarán más rápido cuando la masa del centro sea mayor, y eso es lo que concluyeron: el equivalente a miles de millones de estrellas está concentrado en el núcleo de la Vía Láctea (Figura 1). Lo que está en el centro de nuestra galaxia es el agujero negro gigante más cercano a nosotros, pero como estamos sumergidos en nuestra galaxia, no es fácil palpar las consecuencias globales del agujero negro. Cuando estamos en el bosque, podemos ver los árboles con gran precisión, pero a la vez perder la perspectiva de todo el bosque. Por eso, en esta tesis doctoral hemos observado una galaxia fuera de la Vía Láctea, la famosa espiral M51.

Viaje galáctico al agujero negro

La organización del gas tiene gran importancia, ya que condiciona la creación de nuevas estrellas. Y en la galaxia M51 el gas no está quieto, sino que viaja hacia el centro, que es el primer gran resultado de esta tesis doctoral. Para concluir esto es imprescindible conocer bien el campo gravitatorio de la galaxia. Esta zona de gravitación puede ser estudiada gracias a las imágenes procedentes del telescopio espacial Spitzer de la NASA, que recibe ondas infrarrojas y reflejan la posición de la masa de las estrellas. Es fácil calcular el campo gravitatorio que genera esta masa y el efecto que tendrá sobre el gas. Pero para ello también sería necesario un mapa preciso del gas, el mapa más preciso alcanzado hasta la fecha.

En los Alpes franceses, a 2.550 metros de altura, las antenas parabólicas del interferómetro NOEMA observan el universo. En invierno, los collados alrededor de las antenas están llenos de esquiadores, ya que los astrónomos utilizamos telescopios para subir a estos telescopios. Las antenas parabólicas reciben ondas de radio que permiten estudiar la situación y el movimiento del gas molecular. Además, combinando la información recogida por diferentes antenas, podemos obtener imágenes de muy alta resolución. Las moléculas emiten energía a determinadas longitudes de onda, como consecuencia de las transiciones cuánticas; la transición fundamental de la molécula de CO, por ejemplo, tiene una longitud de onda de 2,6 milímetros. En la galaxia M51 hemos detectado esta línea de emisión utilizando el NOEMA, con la máxima precisión alcanzada hasta ahora en una galaxia externa (Figura 2).

Por lo tanto, utilizando como trazador la línea correspondiente a los 2,6 mm de la molécula de CO, hemos podido medir el movimiento del campo gravitatorio de la galaxia sobre el gas molecular (o mejor dicho, qué cambio le produce en el momento angular). Este cálculo ha demostrado claramente que el gas tiende a moverse lentamente hacia el centro, alcanzando anualmente el equivalente de la masa del Sol al núcleo de la galaxia. Por tanto, el gigantesco agujero negro de la galaxia M51 está en continua ingestión de gas molecular y esta transferencia de materia tiene consecuencias importantes, como se explicará en el siguiente apartado.

Los quasares y el núcleo de M51 están relacionados

Los quasares son fuentes astronómicas de alta densidad energética que emiten una enorme energía electromagnética desde un pequeño campo. En un principio no estaba claro el origen de esta energía. Hoy sabemos que su origen es el gas que cae a los enormes agujeros negros que hay en los núcleos de las galaxias. Alrededor de los orificios negros se crean discos de acrecición, cuyos campos magnéticos adquieren gran intensidad, acelerando los electrones y otras partículas elementales; también crean chorros gigantes de plasma observables por ondas de radio (Figura 3).

Sabemos que en el núcleo de la galaxia M51 se ha desarrollado un disco de acrecion, ya que mediante ondas de radio podemos ver el chorro de plasma. Paradójicamente, el efecto más significativo de este núcleo activo es el lanzamiento de gas molecular fuera del núcleo: la transferencia de masa que llega al agujero negro produce este efecto contrario, ayudado por campos magnéticos. Dado que los mapas de NOEMA nos ofrecen información sobre la velocidad, podemos analizar con detalle este movimiento y medir la masa que se está expulsando. Podríamos decir que se ha logrado un cierto equilibrio dinámico en el núcleo: la caída de una pequeña cantidad de gas al agujero negro es la causa de que la mayor parte del gas salga del núcleo; en casos extremos, el gas abandona la galaxia, lo que limitará totalmente el futuro de la galaxia. El principal resultado de la tesis ha sido la medición de esta tasa de eliminación de gas, comparando con modelos dinámicos la posición y velocidad del gas medido por el interferómetro NOEMA, y concluyendo que este gas se está moviendo fuera del núcleo a una velocidad de 300.000 km/h.

Por primera vez hemos demostrado en esta tesis que el chorro de plasma, además de expulsar gas del entorno del enorme agujero negro, altera el estado del gas. Este chorro está formado por partículas que se mueven a una velocidad similar a la de la luz y, por efectos magnetohidrodinámicos, aumenta la turbulencia del gas que atraviesa. Al mismo tiempo, la turbulencia puede evitar el colapso del gas: por eso no hay estrella joven cerca del núcleo de la galaxia M51, porque el propio núcleo ha transformado el gas en estéril. La figura 4 muestra la localización del chorro de plasma y resume los efectos que produce sobre el gas.

Incluso quasar puede controlar la tasa de natalidad de las estrellas gracias a un mecanismo de este tipo. Los núcleos activos de las galaxias, además de explicar el brillo de los quasares, pueden condicionar la evolución de las galaxias. Si no, las galaxias transformarían el gas mucho más rápido para formar estrellas, y todas las galaxias de nuestro entorno tendrían un color rojo (color de estrellas viejas y frías), sin brazos espirales, ya que es imposible mantener los brazos espirales sin gas. Por tanto, la interacción entre gigantescos agujeros negros y galaxias es imprescindible para explicar la diversidad de galaxias actuales, y las observaciones realizadas en la galaxia M51 han revelado los detalles importantes de este mecanismo.

Ver y escuchar agujeros negros

El 14 de septiembre de 2015 el observatorio LIGO detecta las ondas gravitatorias generadas por la unión de dos agujeros negros. Fue la primera detección directa de las ondas gravitatorias, que fueron galardonadas con el Premio Nobel de Física Rainer Weiss, Barry C. Barish y Kip S. A los científicos Thorne, por hacer posible la observación de las ondas gravitatorias. Esta primera detección se denominó GW150914, no es un nombre muy poético, en realidad, pero el uso de la fecha del suceso facilita la clasificación. Estos agujeros negros chocaron tenían alrededor de 30 masas solares, lo que supone una masa mucho menor que la del agujero negro gigante que hemos estudiado en esta tesis doctoral. El 17 de agosto de 2017 LIGO detectó otras ondas gravitatorias, siendo la quinta detección pero con una característica especial de este GW170817. Por primera vez, además de recibir la señal de las ondas gravitatorias, los científicos pudimos detectar este fenómeno a través de todo el espectro electromagnético. Este encuentro entre dos estrellas de neutrones puso de manifiesto la existencia de una nueva forma de estudiar la astrofísica: además de mirar el universo, se pueden escuchar simultáneamente ondas gravitatorias que se extienden a lo largo del espacio.

Como hemos explicado, los enormes agujeros negros tienen una gran importancia para las galaxias, ya que controlando la posición y el estado del gas condicionan el nacimiento de nuevas estrellas (y por tanto, delimitar el futuro de las galaxias completas). Los agujeros negros los podemos ver transversalmente y medir la influencia de estos monstruos en las galaxias. Todavía tenemos que aprender mucho sobre el comportamiento de este poderoso motor que las galaxias ocultan en su interior, pero las ondas gravitatorias pueden ayudarnos a ello. Sería fascinante ver y oír estos misteriosos núcleos de galaxias al mismo tiempo y completar el siguiente compás de la sinfonía de agujeros negros.

 

Bibliografía

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