CAF-Elhuyar 2018: Sinfonía de buracos negros

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

• Astronomia
• Fisika
• Sariak

A maioría das galaxias teñen un buraco negro xigante no centro. E eses enormes buracos negros, que ocultan no seu interior a masa de millóns de estrelas e a luz tampouco pode escapar deles. Pero estes xigantescos buracos negros teñen una gran influencia nas galaxias, xa que os seus grandes campos gravitatorios atraen á materia que lles rodea e poden provocar fortes cambios nas galaxias hostaleiras. O obxectivo desta tese doutoral foi analizar a interacción entre xigantescos buracos negros e galaxias. Benvidos a este curioso espectáculo cósmico: comeza a sinfonía dos buracos negros.

O corazón negro das galaxias

Poderiamos dicir que todo o que está ao noso ao redor é o po das estrelas e a maioría dos átomos que forman o noso corpo. Paira crear elementos pesados é necesario que se produzan explosións cósmicas como explosións de estrelas masivas como supernovas ou choques de estrelas de neutróns. Estes fenómenos emiten tanta enerxía, na que as partículas elementais poden reorganizarse formando elementos pesados, á vez que a explosión dispersa a través da galaxia, dando lugar a novas estrelas e planetas. Ademais, as explosións de estrelas masivas deixan detrás un buraco negro.

Pero, se os buracos negros tamén atrapan a luz, como é posible atopar e analizar buracos negros? Non podemos ver que pasa dentro do buraco, pero si podemos medir a influencia que teñen os buracos negros sobre eles, é dicir, analizamos os buracos negros de forma indirecta investigando as súas consecuencias. Durante a pasada década, seguindo con coidado o movemento das estrelas que se atopan no centro da nosa Vía Láctea, foi posible deducir a existencia dun enorme buraco negro. As leis de Newton dinnos que as estrelas que están en órbita ao redor dun punto virarán máis rápido cando a masa do centro sexa maior, e iso é o que concluíron: o equivalente a miles de millóns de estrelas está concentrado no núcleo da Vía Láctea (Figura 1). O que está no centro da nosa galaxia é o buraco negro xigante máis próximo a nós, pero como estamos mergullados na nosa galaxia, non é fácil palpar as consecuencias globais do buraco negro. Cando estamos no bosque, podemos ver as árbores con gran precisión, pero á vez perder a perspectiva de todo o bosque. Por iso, nesta tese doutoral habemos observado una galaxia fóra da Vía Láctea, a famosa espiral M51.

Viaxe galáctica ao buraco negro

A organización do gas ten gran importancia, xa que condiciona a creación de novas estrelas. E na galaxia M51 o gas non está quieto, senón que viaxa cara ao centro, que é o primeiro gran resultado desta tese doutoral. Paira concluír isto é imprescindible coñecer ben o campo gravitatorio da galaxia. Esta zona de gravitación pode ser estudada grazas ás imaxes procedentes do telescopio espacial Spitzer da NASA, que recibe ondas infravermellas e reflicten a posición da masa das estrelas. É fácil calcular o campo gravitatorio que xera esta masa e o efecto que terá sobre o gas. Pero paira iso tamén sería necesario un mapa preciso do gas, o mapa máis preciso alcanzado até a data.

Nos Alpes franceses, a 2.550 metros de altura, as antenas parabólicas do interferómetro NOEMA observan o universo. No inverno, os collados ao redor das antenas están cheos de esquiadores, xa que os astrónomos utilizamos telescopios paira subir a estes telescopios. As antenas parabólicas reciben ondas de radio que permiten estudar a situación e o movemento do gas molecular. Ademais, combinando a información recollida por diferentes antenas, podemos obter imaxes de moi alta resolución. As moléculas emiten enerxía a determinadas lonxitudes de onda, como consecuencia das transicións cuánticas; a transición fundamental da molécula de CO, por exemplo, ten una lonxitude de onda de 2,6 milímetros. Na galaxia M51 detectamos esta liña de emisión utilizando o NOEMA, coa máxima precisión alcanzada até agora nunha galaxia externa (Figura 2).

Por tanto, utilizando como trazador a liña correspondente aos 2,6 mm da molécula de CO, puidemos medir o movemento do campo gravitatorio da galaxia sobre o gas molecular (ou mellor devandito, que cambio prodúcelle no momento angular). Este cálculo demostrou claramente que o gas tende a moverse lentamente cara ao centro, alcanzando anualmente o equivalente da masa do Sol ao núcleo da galaxia. Por tanto, o xigantesco buraco negro da galaxia M51 está en continua inxestión de gas molecular e esta transferencia de materia ten consecuencias importantes, como se explicará no seguinte apartado.

Os quasares e o núcleo de M51 están relacionados

Os quasares son fontes astronómicas de alta densidade enerxética que emiten una enorme enerxía electromagnética desde un pequeno campo. Nun principio non estaba claro a orixe desta enerxía. Hoxe sabemos que a súa orixe é o gas que cae aos enormes buracos negros que hai nos núcleos das galaxias. Ao redor dos orificios negros créanse discos de acrecición, cuxos campos magnéticos adquiren gran intensidade, acelerando os electróns e outras partículas elementais; tamén crean chorros xigantes de plasma observables por ondas de radio (Figura 3).

Sabemos que no núcleo da galaxia M51 desenvolveuse un disco de acrecion, xa que mediante ondas de radio podemos ver o chorro de plasma. Paradoxalmente, o efecto máis significativo deste núcleo activo é o lanzamento de gas molecular fose do núcleo: a transferencia de masa que chega ao buraco negro produce este efecto contrario, axudado por campos magnéticos. Dado que os mapas de NOEMA ofrécennos información sobre a velocidade, podemos analizar con detalle este movemento e medir a masa que se está expulsando. Poderiamos dicir que se logrou un certo equilibrio dinámico no núcleo: a caída dunha pequena cantidade de gas ao buraco negro é a causa de que a maior parte do gas salga do núcleo; en casos extremos, o gas abandona a galaxia, o que limitará totalmente o futuro da galaxia. O principal resultado da tese foi a medición desta taxa de eliminación de gas, comparando con modelos dinámicos a posición e velocidade do gas medido polo interferómetro NOEMA, e concluíndo que este gas se está movendo fose do núcleo a unha velocidade de 300.000 km/h.

Por primeira vez demostramos nesta tese que o chorro de plasma, ademais de expulsar gas da contorna do enorme buraco negro, altera o estado do gas. Este chorro está formado por partículas que se moven a unha velocidade similar á da luz e, por efectos magnetohidrodinámicos, aumenta a turbulencia do gas que atravesa. Ao mesmo tempo, a turbulencia pode evitar o colapso do gas: por iso non hai estrela nova cerca do núcleo da galaxia M51, porque o propio núcleo transformou o gas en estéril. A figura 4 mostra a localización do chorro de plasma e resume os efectos que produce sobre o gas.

Mesmo quasar pode controlar a taxa de natalidade das estrelas grazas a un mecanismo deste tipo. Os núcleos activos das galaxias, ademais de explicar o brillo dos quasares, poden condicionar a evolución das galaxias. Se non, as galaxias transformarían o gas moito máis rápido paira formar estrelas, e todas as galaxias da nosa contorna terían unha cor vermella (cor de estrelas vellas e frías), sen brazos espirales, xa que é imposible manter os brazos espirales sen gas. Por tanto, a interacción entre xigantescos buracos negros e galaxias é imprescindible paira explicar a diversidade de galaxias actuais, e as observacións realizadas na galaxia M51 revelaron os detalles importantes deste mecanismo.

Ver e escoitar buracos negros

O 14 de setembro de 2015 o observatorio LIGO detecta as ondas gravitatorias xeradas pola unión de dous buracos negros. Foi a primeira detección directa das ondas gravitatorias, que foron galardoadas co Premio Nobel de Física Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Aos científicos Thorne, por facer posible a observación das ondas gravitatorias. Esta primeira detección denominouse GW150914, non é un nome moi poético, en realidade, pero o uso da data do suceso facilita a clasificación. Estes buracos negros chocaron tiñan ao redor de 30 masas solares, o que supón una masa moito menor que a do buraco negro xigante que estudamos nesta tese doutoral. O 17 de agosto de 2017 LIGO detectou outras ondas gravitatorias, sendo a quinta detección pero cunha característica especial de leste GW170817. Por primeira vez, ademais de recibir o sinal das ondas gravitatorias, os científicos puidemos detectar este fenómeno a través de todo o espectro electromagnético. Este encontro entre dúas estrelas de neutróns puxo de manifesto a existencia dunha nova forma de estudar a astrofísica: ademais de mirar o universo, pódense escoitar simultaneamente ondas gravitatorias que se estenden ao longo do espazo.

Como explicamos, os enormes buracos negros teñen una gran importancia paira as galaxias, xa que controlando a posición e o estado do gas condicionan o nacemento de novas estrelas (e por tanto, delimitar o futuro das galaxias completas). Os buracos negros podémolos ver transversalmente e medir a influencia destes monstros nas galaxias. Aínda temos que aprender moito sobre o comportamento deste poderoso motor que as galaxias ocultan no seu interior, pero as ondas gravitatorias poden axudarnos a iso. Sería fascinante ver e ouvir estes misteriosos núcleos de galaxias ao mesmo tempo e completar o seguinte compás da sinfonía de buracos negros.

 

Bibliografía

Sparke, L. S.; Gallagher, J. S. Galaxies in the Universe (Cambridge University Press, 2000).

Crane, P. C.; van der Hulst, J. M. (1992). “The radio jet in M51”, The Astronomical Journal, 103: 1146-50.

Fabian, A. C. (2012). “Observational Evidence of Active Galactic Nuclei Feedback”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 50: 455-89.

Querejeta, M.; Meidt, S. R.; Schinnerer, E. et ao. (2015). “The Spitzer Survey of Stellar Structure in Galaxies (S4G)”, The Astrophysical Journal Supplement, 219: 5, 1-19.

Querejeta, M.; Schinnerer, E.; Meidt, S. E. et ao. (2016). “Gravitational torques imply molecular gas inflow towards the nucleus of M51”, Astronomy & Astrophysics, 588: 33, 1-19.

Querejeta, M.; Schinnerer, E.; García-Burillo, S. et ao. (2016b). “AGN feedback in the nucleus of M51”, Astronomy & Astrophysics, 593: 118, 1-21.

Schinnerer, E.; Meidt, S. R.; Pety, J. et ao. (2013). “The PdBI Arcsecond Whirlpool Survey (PAWS)”, The Astrophysical Journal, 779: 42, 1-29.