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Agujeros Negros
NASA
o deje que el nombre lo engañe: un agujero negro es todo menos espacio vacío. Más bien, es una gran cantidad de materia comprimida en un volumen muy pequeño. Piense en una estrella diez veces más masiva que nuestro Sol, compactada en una esfera cuyo diámetro sea aproximadamente el de la Ciudad de Nueva York. El resultado es un campo gravitatorio tan intenso que nada, ni aun la luz, puede escapar. En los últimos años, los instrumentos de la NASA han pintado una nueva imagen de estos extraños objetos que son, para muchos, los objetos más fascinantes en el espacio.
Telescopio Espacial Spitzer - Centro Vía Láctea
Spitzer. Imagen en infrarrojo del complejo centro de la Vía Láctea, obtenida por el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA. En esta imagen en falso color, las estrellas viejas y frías aparecen en azul, y el polvo cercano a las estrellas masivas y calientes se muestra en rojo. Los astrónomos piensan que existe un agujero negro supermasivo en el corazón de la galaxia, visible aquí como un brillante punto blanco. (NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy)
Aunque el término no fue acuñado hasta 1967 por el físico de Princeton John Wheeler, la idea de un objeto en el espacio tan masivo y denso que la luz no podría escapar ha estado rondando por siglos. Los agujeros negros fueron predichos por la célebre teoría de la relatividad general de Einstein, la cual demostraba que cuando una estrella masiva muere, deja como remanente un núcleo pequeño y denso. Si la masa de este núcleo es mayor que aproximadamente tres veces la masa del Sol, de acuerdo a la teoría, la fuerza de la gravedad prevalece sobre todas las otras fuerzas y produce un agujero negro.

Los científicos no pueden observar directamente a los agujeros negros con telescopios que detecten rayos-x, luz, u otras formas de radiación electromagnética. Sí podemos, no obstante, inferir la presencia de agujeros negros y estudiarlos al detectar sus efectos sobre la materia que los rodea. Si un agujero negro pasa a través de una nube de materia interestelar, por ejemplo, atraerá materia hacia su centro, en un proceso conocido como acreción. Un proceso similar puede ocurrir si una estrella normal pasa cerca de un agujero negro. En este caso, el tremendo campo gravitatorio del agujero negro ejercerá una atracción tal que puede llegar a destrozar la estrella, “devorando” su material. A medida que la materia arrancada a la estrella cae en espiral hacia el agujero negro, se acelera y se calienta, emitiendo al espacio rayos-x. Descubrimientos recientes nos brindan reveladoras evidencias respecto de que los agujeros negros tienen una influencia dramática en los entornos que los rodean – emitiendo poderosos estallidos de rayos gama, devorando estrellas cercanas, estimulando la aparición de nuevas estrellas en algunas áreas, o deteniendo este surgimiento en otras.

Otra interesante oportunidad de estudiar agujeros negros es cuando éstos forman parte de un sistema binario, acompañando a una estrella compacta como ser una estrella de neutrones, o a otro agujero negro. Cuando dos agujeros negros orbitan uno en torno al otro, sus masas aceleradas directamente crean ondas gravitatorias que se propagan por el espacio transportando información sobre las masas y los poderosos campos que las crearon. Las ondas gravitatorias son ondulaciones o rizos del espacio-tiempo y sorprendentemente pueden ser detectadas por misiones tales como la LISA (Laser Interferometer Space Antenna, o Antena Espacial por Interferometría Láser en español), que estudiará la manera en que estas ondas afectan la geometría del espacio en las posiciones de los detectores. En cierto sentido, un agujero negro es la masa que contiene más el poderoso campo gravitatorio que lo rodea, por lo que LISA en realidad será capaz de “ver” agujeros negros. A partir de estas observaciones, los astrónomos serán capaces de estudiar los detalles del campo gravitatorio del agujero negro bajo estudio y medir todos los parámetros del mismo – su masa, su rotación, y su ubicación en el espacio.
La muerte de una estrella puede ser el nacimiento de un agujero negro
Los agujeros negros se forman, en su mayoría, a partir de los restos de una gran estrella que muere en una explosión llamada supernova (las estrellas pequeñas se convierten en estrellas densas de neutrones, las cuales no son lo suficientemente masivas para atrapar la luz). Si la masa total de la estrella es lo suficientemente grande (aproximadamente tres veces la masa del Sol como bien se mencionó antes), se puede probar teóricamente que no existe fuerza que pueda evitar que la estrella colapse debido a la influencia de la gravedad. Sin embargo, cuando la estrella colapsa, ocurre algo extraño. A medida que la superficie de la estrella se aproxima a una superficie imaginaria llamada el “horizonte de sucesos”, el tiempo en la estrella comienza a transcurrir más lento en relación con el tiempo medido por un observador lejano. Cuando la superficie alcanza al horizonte de sucesos, el tiempo se detiene, por lo que la estrella no puede colapsarse más – un agujero negro es un objeto en estado de colapso congelado.
Doble Estallido. Cuando una estrella masiva agota su combustible, como muestra esta animación, el núcleo colapsa para convertirse en un agujero negro. Por mucho tiempo los científicos pensaron que a esta explosión le seguiría un resplandor residual producido por los restos incandescentes, pero nueva evidencia proveniente del telescopio Swift indica que un agujero negro recién nacido de alguna manera realimenta la explosión muchas veces, creando en unos pocos minutos múltiples estallidos de energía.
(NASA/GSFC/Dana Berry)
Agujeros negros incluso más grandes se pueden formar a partir de colisiones estelares. Al poco tiempo de su lanzamiento en Diciembre de 2004, el telescopio Swift de la NASA detectó poderosos y breves destellos de luz conocidos como estallidos de rayos gamma. El Chandra y el Telescopio Espacial Hubble de la NASA obtuvieron con posterioridad datos adicionales relacionados con estos eventos, que junto con las observaciones llevaron a los astrónomos a concluir que estas poderosas explosiones de rayos gamma se pueden originar cuando un agujero negro y una estrella de neutrones colisionan, produciendo otro agujero negro.
Bebés y Gigantes
Aunque se entiende el proceso básico de formación, la ciencia de los agujeros negros todavía no ha podido revelar el misterio de por qué éstos parecen existir en dos escalas de tamaños radicalmente diferentes. En un extremo, hay cantidad de agujeros negros formados a partir de los restos de estrellas masivas. Distribuidos por todo el Universo, estos agujeros negros de “masa estelar” son generalmente de 10 a 24 veces más masivos que el Sol. Los astrónomos los descubren cuando otra estrella gira lo suficientemente cerca como para que parte de su materia caiga en el agujero negro, emitiendo en el proceso abundantes rayos-x. Muchos agujeros negros estelares, sin embargo, llevan una vida “en soledad”, por lo que es imposible detectarlos. No obstante, a juzgar por el número de estrellas lo suficientemente masivas para producir tales agujeros negros, los científicos estiman que hay de diez millones a mil millones de agujeros negros de este tipo sólo en la Vía Láctea.

En el otro extremo del espectro de tamaños están los llamados agujeros negros “supermasivos”, los cuales son millones, y hasta miles de millones, de veces más masivos que el Sol. Los astrónomos creen que estos agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de prácticamente todas las grandes galaxias, incluso en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Los astrónomos pueden detectarlos al observar sus efectos sobre las estrellas y las nubes de gas cercanas.

Hasta el momento, no ha habido evidencias directas de la existencia de agujeros negros de tamaño medio. La pregunta es, ¿por qué no?. Históricamente, los científicos simplemente han pensado que tales agujeros negros no existen, pero observaciones recientes están haciendo que algunos astrónomos cambien de opinión. En la actualidad, la pregunta de si los agujeros negros de mediano tamaño existen es un tema de mucha investigación.
Cúmulos Globulares
Cúmulos Globulares. Por décadas, la mayoría de los investigadores ha pensado que los agujeros negros venían en dos tamaños: chico (masa equivalente al de relativamente pocas estrellas) y grande (masa equivalente a millones de estrellas). Estos dos nuevos agujeros negros descubiertos proporcionan una excelente oportunidad de aprender cómo crecen los agujeros negros. El agujero negro en M15 (izquierda) es 4 000 veces más masivo que nuestro Sol. M31 G1 (derecha), un cúmulo globular mucho más grande, alberga en su centro a un poderoso agujero negro, aproximadamente 20 000 veces más masivo que nuestro Sol.
En 1997, el Telescopio Espacial Hubble fue equipado con un instrumento que separa la luz visible en varias longitudes de onda, el STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph, o Espectrógrafo de Imágenes del Telescopio Espacial en español). Las mediciones efectuadas por el STIS pueden revelar la velocidad y otras propiedades del gas a medida que cae en espiral en un agujero negro, lo cual, a su vez, revela ciertas características del agujero negro mismo – su masa, por ejemplo, y cuán rápida es su rotación. Son estas observaciones las que indican que casi todas, o posiblemente todas, las grandes galaxias albergan en sus centros agujeros negros supermasivos. Se ha calculado que un agujero negro ubicado en la constelación de Virgo, a 50 millones de años luz de distancia, tiene una masa igual a unos tres mil millones de Soles.
Galaxias en Fusión
Galaxias en Fusión. La ilustración muestra a dos galaxias en fusión, un evento que provoca una explosión en la formación de estrellas y que proporciona el combustible para los agujeros negros supermasivos en el centro de cada galaxia. La imagen del recuadro fue obtenida por el Chandra, y muestra a dos agujeros negros centrales en un sistema de dos galaxias en fusión. La separación entre ambos es de unos 70 000 años luz. Los distintos colores representan diferencias en la absorción de rayos-x por el gas y el polvo alrededor de los agujeros negros. (CXC/M.Weiss)
La materia que rodea a un agujero negro estelar, llamada “disco de acreción”, se compone de gas y polvo. Sin embargo, en los agujeros negros supermasivos que se alojan en los núcleos galácticos, este disco también puede contener estrellas. En el 2004, los datos obtenidos por el Chandra proporcionaron a la comunidad científica las primeras evidencias de un agujero negro devorando a una estrella cercana.

A fines del año 2002, el Chandra observó a dos agujeros negros supermasivos orbitando en la misma galaxia, y por lo tanto condenados a colisionar. Y en Octubre del 2005, el Chandra descubrió numerosas estrellas que se piensa han sido disparadas por el agujero negro supermasivo que se aloja en el centro de la Vía Láctea.
Traducción: Wilfredo Orozco
 
Mendoza, Argentina, 07 de Agosto de 2008.
 
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