Cómo crecen los gigantes del Universo

Hace mucho tiempo, en una galaxia elíptica muy, muy lejana, había billones de estrellas, unos 15 mil cúmulos globulares y, en el centro, un agujero negro supermasivo. Se llama M87 y es la galaxia dominante de un grupo de unas dos mil galaxias que se encuentra a 55 millones de años luz de la Tierra en la constelación de Virgo.

Si comparamos a M87 con la Vía Láctea, nuestra galaxia contiene pocos cientos de miles de millones de estrellas, alrededor de 150 cúmulos globulares, y el agujero negro central tiene una masa equivalente a “sólo” 4 millones de soles. El de M87 tiene una masa equivalente a 6 mil 500 millones de masas solares.

A pesar de sus diferencias, tanto el agujero negro de M87 como el de nuestra Vía Láctea son considerados “súper masivos” y uno de los misterios por resolver es cómo alcanzan a acumular tanta masa.

Ciertamente, la naturaleza de los agujeros negros es que tienen una gravedad tan intensa que nada puede escaparse de ellos, ni siquiera la luz. Pero no hay que imaginar que se “tragan” todo como una aspiradora. Un agujero negro que inicia con el tamaño de una estrella grande podría pasar miles de millones de años sin crecer demasiado, porque el material que atrae se queda orbitando en torno a él de manera más o menos estable.

En busca de lo invisible

“La historia que quiero contarles hoy es cómo encontramos un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra propia galaxia”, dijo Andrea Ghez en la conferencia magistral que ofreció con motivo de la recepción de un cuarto del premio Nobel de física que se le concedió en 2020, precisamente por ser junto con Reinhard Genzel (quien se llevó el otro cuarto), protagonista de esa historia.

Ghez y Genzel ubicaron al agujero negro, que ahora recibe el nombre de Sagitario A*, y calcularon su masa a partir de las alteraciones que su campo gravitatorio produce en el movimiento de las estrellas cercanas. Con este descubrimiento publicado en el año 2000, se llegó la certeza de que la generación de las galaxias estaba asociada a la formación de agujeros negros súper masivos.

Los métodos para detectar agujeros negros súper masivos se han refinado desde entonces, al punto que a principios de febrero de 2021, un equipo internacional de astrónomos publicó un mapa con más de 25 mil agujeros negros supermasivos.

El mapa, por el momento cubre el 4% del cielo observable desde el hemisferio norte de la Tierra, pero no se hizo a partir de observaciones de luz visible, sino de las llamadas bajas frecuencias de radio. Para elaborarlo se utilizó el radiotelescopio LOFAR, el más grande de su tipo, pues consta de 52 estaciones o “antenas” distribuidas en nueve países europeos.

La red del gigante

A los científicos en general no les gusta utilizar metáforas o frases figurativas en sus reportes; cualquier cosa que vaya más allá de una descripción precisa de lo que descubrieron, se considera poco seria.

Sin embargo, “el título de nuestro artículo - ‘La Red del Gigante’ - sugiere la idea de un agujero negro supermasivo como una araña negra gigante en el centro de una red que es tanto la trampa como el camino para llevar el material que alimenta al gigante en el centro”, dijo a la agencia ZME Science Marco Mignoli, del Observatorio de Astrofísica y Ciencia del Espacio de Bolonia, Italia.

Mignoli encabeza un equipo de astrónomos que descubrió un agujero negro supermasivo rodeado de seis galaxias que conforman efectivamente, una red que proporciona material que es “devorado” por el agujero negro al que le calculan una masa de mil millones de masas solares.

De acuerdo con las observaciones hechas con el Very Large Telescope (telescopio muy grande) del Observatorio Europeo del Sur, esa “telaraña” es una estructura filamentosa cuyo tamaño es de alrededor de 300 veces el de la Vía Láctea. “Las galaxias permanecen y crecen donde los filamentos se cruzan, y las corrientes de gas, disponibles para alimentar tanto a las galaxias como al agujero negro supermasivo central, pueden fluir a lo largo de los filamentos”, explica Mignoli.

Esta Red del Gigante es la más antigua de su tipo que se conoce, pues la luz de sus galaxias y filamentos proviene de cuando el Universo era joven, cuando habían pasado alrededor de mil millones de años después del Big Bang. Mignoli y su equipo suponen que en aquel entonces este tipo de estructuras no eran tan raras, y que si no se han encontrado más es por la dificultad técnica de “ver” algo que está a unos 13 mil millones de años luz de distancia.

Curiosamente, en marzo de este año se publicó el hallazgo de otro gigante que es más o menos contemporáneo y que permite entender cómo es que los agujeros negros alcanzan a ser tan masivos.

Chorros de materia

Por el uso que le hemos dado, la palabra “chorro” parece insuficiente. Al decir que un equipo de astrónomos descubrió un agujero negro supermasivo que emite “un chorro de partículas”, pareciera que solo estamos queriendo decir, de manera coloquial, que emite muchas partículas.

Sin embargo, el chorro de materia que emite PJ325-15 (que es como se le dice en corto al objeto PSO J352.4034-15.3373) se extiende a lo largo de una distancia equivalente a una vez y media el largo de la Vía Láctea; es decir, aproximadamente 160 mil años luz.

Este chorro, que se encontró utilizando el Observatorio de rayos X Chandra, se encuentra ubicado en una galaxia ubicada a unos 12 mil 700 millones de años luz de la Tierra; esto significa que su luz también proviene de una época muy temprana de la historia del universo.

Cuando un agujero negro tiene este tipo de emisiones, se le denomina cuásar, y PJ325-15 es uno de los dos cuásares más poderosos detectados en ondas de radio en los primeros mil millones de años después del Big Bang, y es aproximadamente mil millones de veces más masivo que el Sol.

La explicación más plausible de por qué un agujero negro, que en principio absorbe todo lo que le queda cerca, emite chorros de materia implica, primero, que no es el propio agujero negro el responsable de la emisión, sino la materia que se encuentra en órbita en torno a él.

“El material que orbita alrededor de un agujero negro en un disco necesita perder velocidad y energía antes de que pueda caer más hacia adentro para cruzar el llamado horizonte de eventos, el punto sin retorno”, se explica en un comunicado de la NASA.

Ese frenado en el disco de materia estaría causado por campos magnéticos. Sin embargo, es una ley universal que la materia y la energía no se pierden, así que la energía que implica la disminución de la velocidad orbital, se compensa con la emisión de los chorros de energía.

Hasta ahora, esta explicación era la hipótesis más plausible, pero no había ninguna forma de comprobarla ni de estudiar cómo funciona. Sin embargo, a partir del 24 de marzo de este año, será posible.

El horizonte de eventos

El 10 de abril de 2019 se publicó la primera imagen del horizonte de eventos que rodea a un agujero negro. Gracias a la utilización de 11 radiotelescopios en diversos países del mundo, se conformó el Telescopio Horizonte de Eventos (THE) que prácticamente tiene el diámetro de la Tierra, y con él se pudo observar la sombra del agujero negro de la galaxia M87 y el anillo de luz a su alrededor.

La segunda imagen se publicó el pasado 24 de marzo, es una imagen de luz polarizada y es el resultado de enlazar ocho telescopios de distintos países, entre ellos el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano de la Sierra Negra de Puebla. Involucró a más de 300 investigadores de múltiples organizaciones y universidades de todo el mundo.

Una de esas investigadoras es la mexicana Alejandra Jiménez Rosales, quien participó en el proyecto por parte de la Universidad de Radboud en Países Bajos, donde está empleada y hace su posdoctorado con la profesora Monika Mościbrodzka, coordinadora del grupo de trabajo de polarimetría del THE.

En torno al agujero negro “el material está en estado de plasma, es una mezcla de protones y electrones que andan dando vueltas… los electrones interaccionan con el campo magnético y generan luz que está polarizada”, explica Jiménez Rosales, que trabaja en los aspectos teóricos del proyecto.

Se puede entender qué es la luz polarizada si pensamos que es una onda que transita por el espacio con una cierta orientación. Digamos que las crestas y los valles de una onda de luz van de arriba hacia abajo y que esto la hace distinta a otra onda que esté orientada de izquierda a derecha. Una lente polarizada, entonces, oscurece la imagen porque deja pasar solamente a los rayos de luz que tienen cierta polarización y bloquea a los otros.

El trabajo de interpretación de la nueva imagen requirió de considerar la curvatura del espacio en torno al agujero negro, la cual cambia la dirección con que la luz fue emitida, el plasma y el propio campo magnético también lo hacen. Gracias a esto, explica la astrofísica, los modelos teóricos permiten conocer, a partir de la imagen de luz polarizada, cómo son los campos magnéticos, el plasma y la curvatura del espacio en la vecindad del agujero negro, entre otros parámetros.

Esto les permitió entender que sí es por los campos magnéticos que este agujero negro puede consumir tanto material; sin embargo, hay algo que aún no está claro:

“La galaxia M87 es caracterizada por este chorro de material, sumamente largo y energético, que se extiende por unos 5 mil años luz”. Jiménez Rosales explica que la hipótesis de que el agujero negro genera estos chorros debido a los campos magnéticos, es sólo “una de las ideas que se tienen”, pero que en su “librería de modelos” se pueden encontrar otras explicaciones que también se ajustan a los datos observados.

Crédito: Cortesía GTM

Fotos: NASA y el Hubble Heritage Team (STScI / AURA)

Crédito: Colaboración EHT.