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Ciencia

En la boca de un agujero negro

Investigadora de la UFRGS muestra cómo es devorada la materia por un agujero negro ubicado en el centro de una galaxia

En los últimos años, los telescopios terrestres y espaciales confirmaron la existencia de los agujeros negros, objetos dotados de una atracción gravitacional tan intensa que ninguna materia escapa a ellos, y ni siquiera la luz. Los mecanismos por los cuales absorben todo lo que pasa cerca se volvieron menos misteriosos con un trabajo concluido en abril en el Instituto de Física de la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS).

“Estamos viendo cómo un agujero negro ubicado en el centro de una galaxia devora la materia que está su alrededor”, celebra la coordinadora del estudio, Thaisa Storchi-Bergmann, al terminar el artículo en el que relata los resultados. El equipo de Thaisa reconstituyó lo sucesos que se producen en el centro de NGC 1097, una galaxia espiral situada a 60 millones de años luz de la Tierra (un año luz equivale a unos de 9,5 billones de kilómetros). Y confirmó: existe allí un agujero negro supermasivo – de masa equivalente a un millón de soles, como mínimo -, formado probablemente por el colapso de nubes de gas o por aglomerados de millones de estrellas.

Con el foco en los efectos
Debido que un agujero negro no puede ser detectado directamente, sino solamente a través de sus efectos sobre los objetos próximos, el grupo gaúcho centró su foco en la luz emitida por el disco de acreción – una nube achatada con la forma de un espeso anillo, hecha de plasma (una mezcla de protones y electrones) e hidrógeno, que gira alrededor del poderoso aspirador de materia. Con base en las informaciones recogidas, el equipo tuvo una clara visión de los procesos de nacimiento, evolución y muerte del disco de gas, que ocupa un área equivalente al doble de la órbita de la Tierra en torno al Sol, con un diámetro próximo a los 300 millones de kilómetros. Cálculos preliminares indican que, cada segundo, el agujero negro traga cerca de 100 trillones de toneladas de gas del disco – o dos Tierras por día.

Por lo que todo indica, el disco de gas surgió cuando una estrella llegó muy cerca del agujero negro y fue capturada por éste. Luego la estrella se desintegró por acción de la fuerza de marea del agujero negro: esta fuerza actúa con una intensidad diferente en distintas partes distintas de un cuerpo. El Sol, por ejemplo, atrae más al lado más próximo de la Tierra que al más distante, por eso el planeta se alarga en dirección al astro. Una vez desintegrada la estrella, quedó la nube de gas, que formó un disco alrededor del agujero negro.

Centro caliente
Se estima que este fenómeno se produce en una galaxia cada 10 mil años. “Tuve suerte con la NGC 1097”, reconoce Thaisa, que en 1991, cuando comenzó a investigar la emisión de luz del núcleo de esta galaxia, encontró el cuadro típico de una captura de estrella relativamente reciente. La investigadora observó la emisión de la región externa del disco formado a partir de la estrella capturada en la línea H-alfa – la línea de emisión de energía más intensa del átomo de hidrógeno – y constató que el gas giraba a 10 mil kilómetros por segundo (km/s). Entonces concluyó: esa velocidad del gas solo podría darse en un disco en torno a un agujero negro que tuviera una masa de un millón de soles.

Nacía así la hipótesis que seria confirmada durante los diez años siguientes. Thaisa demostró que se produce un calentamiento de las regiones centrales del disco, que comienzan a emitir radiación de alta energía – como rayos X -, en un proceso que dura por lo menos algunos siglos. La parte interna del disco es más cálida que las periféricas, a causa de la fricción entre las partículas atómicas: la temperatura interna puede llegar a millones de grados Celsius (ºC), mientras que la periferia, de donde salen las emisiones de luz en la línea H-alfa, es de cerca de 10.000ºC.

El interior del disco se expande debido a la alta temperatura y crea una estructura toroide (en forma de anillo o rosca) alrededor del horizonte de eventos – superficie imaginaria que define la frontera más allá de la cual ni siquiera la luz escapa. Esa estructura emite fotones que, al golpear en la partes externas del disco, excitan al hidrógeno y producen la emisión del tipo H-alfa, seguida desde 1991. “El futuro de la materia del disco es espiralar hasta transponer el horizonte de eventos y caer en el agujero negro”, revela Thaisa.

La materia del disco – formada básicamente por protones y electrones en la parte interna, y átomos de hidrógeno en la externa -, se divide al llegar a ese límite: una mitad es engullida por el agujero negro y la otra es expelida desde la parte interna en forma de chorros, cuya emisión es observada en ondas de radio. De esta manera, el disco se deshace lentamente hasta desaparecer, en un momento estimado en dentro de mil años, como mínimo. “Es la primera vez que presenciamos la captura de materia en una región central de una galaxia de manera tan clara”, dice Thaisa.

Pero éste no es el final de la historia. A medida en que el agujero negro se alimenta más y más de materia, se amplia el horizonte de eventos – cuyo radio mide actualmente unos 3 millones de kilómetros, o dos centésimas partes de la distancia existente entre la Tierra y el Sol. En ese espacio existe una masa equivalente a un millón de soles, que Thaisa había calculado en 1997. Capturando estrellas individuales, el agujero negro podría incluso duplicar su tamaño, pero muy lentamente – solamente en mil millones de años.

Esa arqueología cósmica – descrita por Thaisa en un artículo recientemente presentado al Astrophysical Journal, publicación en la cual la investigadora ya ha publicado trabajos en 1993, 1995 y 1997 – constituye un avance con relación a lo que se descubrió en 1998 en la galaxia M87, situada a una distancia equivalente con respecto a nuestro planeta. Ese año, el telescopio espacial Hubble, que gira alrededor de la Tierra a 600 kilómetros de distancia en busca de novedades en los confines del Universo, registró imágenes de un disco de gas girando en torno al núcleo de la M87.

Pese a que la velocidad a la que el disco de la M87 se movía fuera alta, era solamente un décimo de las registradas en la NGC 1097. Y la distancia desde el disco hasta el centro de la galaxia era de un millón de veces el radio del disco de acreción. Por lo tanto, el disco de gas de la M87 no era el disco de acreción, sino una estructura mucho más externa. Como el radio de ese disco es muy grande – cerca de 500 billones de kilómetros, un millón de veces mayor que el de la NGC 1097 -, Thaisa descarta la presencia de un agujero negro central. Pero entonces, ¿qué sería ese disco? Un aglomerado estelar masivo, por ejemplo.

Ésa es precisamente la definición del proceso de emisión de luz del disco de la NGC 1097, aparentemente mucho más interesante científicamente que el verificado en la M87, y la razón de la felicidad del equipo. Thaisa trabajó con Michael Eracleous, de la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos, en la recolección de datos provenientes de tres fuentes: el telescopio de 4 metros del Observatorio Interamericano de Cerro Tololo; el Eso New Technology Telescope (NTT) de 3,6 metros, ambos situados en Chile; y el telescopio de 8 metros del Observatorio Keck II, en Hawai. En el análisis de los resultados, La investigadora contó con el maestrando Fausto Kuhn Berenguer Barbosa y con el becario de iniciación científica Rodrigo Nemmen da Silva.

Juntos, convirtieron la longitud de onda de la luz (o la radiación) en velocidad del gas y construyeron un gráfico que mostró una línea de dos picos – uno para la velocidad máxima de aproximación de la luz con relación a la Tierra y el otro para la máxima de alejamiento. Técnicamente, es el perfil de pico doble de la línea de emisión H-alfa, también denominado firma cinemática del disco – una prueba fehaciente de la existencia del disco de acreción y de las transformaciones por las que éste pasa. “Se cree que puede existir un disco de acreción también en la M87, aunque todavía sin una firma cinemática”, comenta la investigadora. “El Hubble registró otros perfiles en H-alfa semejantes, pero ninguno con una estructura de doble pico tan clara como en la NGC 1097.”

Linterna
Thaisa logra ver la emisión de H-alfa que llega desde la parte más externa y fría del disco. “Posiblemente, no todas las galaxias tengan esta parte más externa, como podría ser el caso de la M87”, observa Thaisa. Con el pasar de los años, Thaisa percibió que la emisión migró hacia regiones que giran a velocidades cada vez mayores – como el disco presenta un movimiento kepleriano (como los planetas), las regiones más internas y cercanas al agujero negro central se mueven a una velocidad mayor que las de los bordes. El desplazamiento del foco de emisión de luz se produce porque la parte interna pierde energía y se enfría, de manera tal que la radiación ya no es tan intensa y llega a distancias cada vez menores.

El proceso es similar a aquello que ocurre con la luz emitida por una linterna a pilas que ilumina una área en derredor y se debilita con el tiempo. Cuando las pilas están con su carga completa, la luz es más intensa e ilumina un área relativamente grande en torno a la linterna. A medida en que la carga se debilita, la luz pierde alcance e ilumina regiones más próximas.

En 1991, la luz emitida por las partes más externas del disco tenía una velocidad de 3 mil km/s – solamente una centésima parte de la velocidad de la luz, pero que le permitiría a una partícula ir desde Porto Alegre hasta Salvador en apenas un segundo. A comienzos de este año, como la fuente de fotones fue debilitándose y llegó a menores distancias en el disco, fue posible registrar la luz que llegaba desde las partes más internas, a una velocidad de 6 mil km/s. Se estima que en el borde interno del disco emisor de H-alfa la velocidad de las partículas llega a 15 mil km/s, mientras que a la orilla del agujero negro las partículas girarían a 300 mil km/s, la velocidad de la luz.

“El hecho de que hayamos registrado velocidades tan altas es una señal indicativa de la presencia de una estructura supermasiva en el centro de la galaxia”, dice la investigadora. La velocidades máximas registradas para los discos de gas en rotación en el centro de galaxias sin agujeros negros son de apenas entre 250 y 300 km/s. Velocidades de rotación del orden de las detectadas, de millares de kilómetros por segundo, según la investigadora, solamente pueden ser producidas por la interacción con millones o miles de millones de masas solares concentradas en un lugar muy pequeño – es decir, en un agujero negro supermasivo.

Un refuerzo para esa conclusión es la conversión de materia en energía mediante la absorción de un agujero negro, que tiene una eficiencia mucho mayor que las reacciones nucleares en las estrellas: un 10% de la masa devorada es convertida en energía, al paso que en las reacciones nucleares el límite es del 0,7%. “Esta conversión puede explicar la gran emisión de energía de los núcleos de galaxias activas, como NGC 1097 y M87”, afirma Thaisa.

Con un millón de masas solares, el agujero negro de la NGC 1097 impresiona, pero no es de los mayores que ya se hayan encontrado. Al final de marzo, los físicos que trabajan con el telescopio de rayos X Chandra informaron el descubrimiento de una estructura mucho más masiva: un agujero negro con cerca de 10 mil millones de masas solares en el centro de los quásares – galaxias en formación – más distantes que ya se hayan encontrado, a 13 mil millones de años luz de la Tierra.

Vía Láctea
Este año, el equipo de la UFRGS pretende obtener datos sobre la emisión de rayos X y ultravioleta de la NGC 1097 por medio de observaciones con el Chandra y el Hubble, y echar luz sobre qué ocurre en el centro de las centenas de galaxias ya identificadas. “Se cree que los agujeros negros pueden haberse formado junto con las propias galaxias, puesto que la masa estimada para los agujeros negros a partir de las observaciones del Hubble es proporcional a la de la región esférica central de las galaxias en las que éstos se encuentran”, dice Thaisa. Trabajos realizados con el Hubble indican la presencia de agujeros negros en la mayoría de las galaxias elípticas y espiral.

Incluso en el centro de la Vía Láctea, a 30 mil años luz de la Tierra, se supone que existe una estructura supermasiva – del orden de los 3 millones de masas solares. Por ahora, su existencia solo puede ser deducida a partir del movimiento de estrellas próximas al núcleo o de emisiones intensas de rayos X, como la registrada recientemente por el Chandra: la descarga de radiación varió en cuestión de horas; algo rarísimo, que probablemente fue el resultado de la absorción de materia gaseosa o estelar por parte de un agujero negro.

Aún no existen indicios de que en el centro de nuestra galaxia exista un disco de acreción que testifique el poder de un agujero negro, aunque a costa de su propia existencia. “Quizás no exista allí materia suficiente que esté siendo engullida por el agujero negro para formar un disco”, conjetura Thaisa. Pero este cuadro puede cambiar. Si una estrella fuera capturada, podría suceder algo parecido a lo que se observa actualmente en una galaxia tan distante como la NGC 1097.

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