Imprimir Republicar

Astrofísica

Adiós gravitacional

Fusión de galaxias expulsa a un agujero negro de su núcleo

esoGalaxia M83: la colisión de tres agujeros negros eyectó a uno de elloseso

Descubierta en los cielos del Hemisferio Sur en 1752 por el astrónomo francés Nicholas Louis de la Caille, la galaxia espiral M83 es probablemente la formación celeste más hermosa de la constelación de Hidra. De su centro amarillento brotan dos brazos punteados de estrellas de tonos azul y rojo, que forman una figura similar a un molinete de papel. Por ser muy luminosa y estar situada relativamente cerca de la Tierra, a unos 15 millones de años luz, puede avistársela con la ayuda de un buen largavista. Si bien los contornos de la galaxia son realmente fascinantes, un grupo de astrónomos de Brasil, Argentina y España resolvió examinar un aspecto más oculto de la M83: la naturaleza de sus principales fuentes de rayos X. El análisis de este tipo de emisión llevó a los investigadores a afirmar que allí probablemente se produjo un evento extremadamente raro: un agujero negro, un tipo de objeto invisible y sumamente denso que captura materia a su alrededor, habría sido eyectado al aproximarse al núcleo de la galaxia, en donde otros dos agujeros negros, mayores, estarían en camino de iniciar un proceso de fusión.

La expulsión del misterioso cuerpo celeste del centro de la galaxia, también conocida por el nombre de NGC 5236, sería consecuencia de las interacciones gravitacionales causadas por esa inusitada triple colisión. “El agujero negro menor se acercó demasiado a los otros dos y sufrió una especie de patada gravitacional”, dice el astrofísico Horacio Dottori, de la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS), el principal autor de un artículo publicado el 1° de julio en la revista científica The Astrophysical Journal Letters en el cual plantea el escenario antes descrito. “Es como si de un hondazo fuese lanzado hacia fuera del núcleo óptico de la galaxia a una velocidad de algunas centenas de kilómetros por segundo”. Las conclusiones de este estudio se basan en un nuevo análisis de datos obtenidos en el año 2000 por el telescopio espacial Chandra, de la Nasa, la agencia espacial estadounidense, que detecta emisiones de rayos X provenientes de las regiones más calientes del Universo. El satélite observó durante 18 horas la M83, de la cual produjo 150 imágenes. Ocho fotos captaron lo que parece ser la eyección de un agujero negro de la galaxia.

Los astrofísicos empezaron a sospechar que el fenómeno mencionado podría haber ocurrido debido a las características de una misteriosa fuente de rayos X y de ondas de radio ubicada en una región relativamente periférica de la galaxia, un objeto denominado J133658.3−295105. Ubicado a alrededor 3.300 años luz del corazón de la M83, de acuerdo con mediciones realizadas en el telescopio Gemini (del cual Brasil es socio), una distancia alrededor de ocho veces menor que la que va de la Tierra al centro de la Vía Láctea, este objeto fue aparentemente arrojado hacia fuera del corazón de la galaxia y creó una especie de estela de emisiones en algunas longitudes de onda. Aunque un agujero negro no suministra directamente ninguna señal de su presencia, el llamado disco de acreción formado a su alrededor es tan caliente (su temperatura asciende a millones de grados Kelvin) que hace que la materia en vías de ser devorada –gas y polvo interestelar– libere enormes cantidades de energía, básicamente bajo la forma de chorros de rayos X.

La presencia de grandes fuentes de rayos X en las cercanías de estrellas o en el centro de las galaxias es por lo tanto el principal indicativo de que allí debe haber un agujero negro. El problema es que otros tipos de cuerpos celestes, como las estrellas de neutrones y los cuásares, también emiten rayos X. Pero Dottori y sus colegas hispanoamericanos están convencidos de que el objeto J133658.3−295105 exhibe características compatibles con las de un agujero negro supermasivo. De acuerdo con sus cálculos, la masa del agujero negro eyectado del núcleo de la M83 es alrededor de un millón de veces mayor que la del Sol, y equivale a una quinta parte de la suma de las masas de los dos agujeros negros que se encaminan hacia su unión en el centro de la galaxia. “Creemos que el agujero negro eyectado orbitará alrededor de la galaxia durante millones de años, y su disco de acreción capturará esporádicamente materia del medio interestelar”, afirma Dottori, que usó en su estudio simulaciones computacionales realizadas por el alumno de maestría Guilherme Gonçalves Ferrari. “Difícilmente se incorporará nuevamente al núcleo activo de la M83.”

Una colisión triple o doble
Hoy en día la mayoría de los astrofísicos cree que en el centro de prácticamente todas las galaxias, la Vía Láctea inclusive, hay un agujero negro supermasivo, dotado de una masa millones o hasta miles de millones de veces mayor que la del Sol. Cuando dos o más galaxias colisionan e inician interacciones para fundirse, un proceso relativamente común en la historia del Universo, también sus respectivos agujeros negros interactúan para unirse. En ese contexto de unión de galaxias, un agujero negro puede ser expelido del corazón del sistema.

TIM JONES / MCDONALD OBSERVATORYDibujo de agujero negro expulsado de una galaxiaTIM JONES / MCDONALD OBSERVATORY

El artículo científico del astrofísico de la UFRGS no es el primero que defiende la idea de haber encontrado un agujero negro que fue eyectado de su galaxia. Durante los últimos cinco años, la publicación de trabajos sobre este tema se ha intensificado. Pero en ninguno de los casos relatados los científicos tienen evidencias derivadas de la observación inequívoca sobre la ocurrencia del elusivo fenómeno. Eso no necesariamente va en desmedro de los artículos científicos, sino más bien una constatación acerca de la dificultad de comprobar este tipo de hallazgo. “El trabajo de Horacio Dottori es bueno y se lo aceptaron en una buena revista científica, pero no es conclusivo”, dice el astrofísico João Steiner, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), experto en galaxias con núcleos activos. Los modelos matemáticos muestran que es plausible que ocurra una colisión triple, en la cual la dinámica de interacciones entre los cuerpos provoque la expulsión del agujero negro de menor masa del núcleo de una galaxia, antes de que los otros dos agujeros negros se mezclen. “Sin embargo, colisiones triples son mucho más raras que las dobles”, afirma Steiner.

Existen casos en que los científicos dicen que un agujero negro fue desplazado del centro de una galaxia, pero no saben precisar si dicho fenómeno ocurrió en razón de un choque doble o triple. El 1° de julio de este año, en la época en que salió el trabajo de Dottori, astrofísicos del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) publicaron un artículo en el Astrophysical Journal en el cual abordaban un posible descubrimiento envuelto en esa duda. Hallaron un agujero negro supermasivo –a decir verdad, una fuente emisora de rayos X denominada CID-42– que habría sido expulsado del núcleo de una galaxia ubicada en la constelación de Sextante, a 3.900 millones de años luz de la Tierra. El saber si el desplazamiento es producto de la colisión de dos o tres agujeros constituye una diferenciad decisiva. La dinámica de eventos implicada en una situación es diferente de la otra.

Si el CID-42 se alejó del centro del sistema en razón de la colisión de tres agujeros negros, hubo un proceso de expulsión similar al descrito por Dottori en la M83. El menor agujero negro habría sido hondeado hacia fuera del núcleo de la galaxia al acercarse en demasía a los otros dos. Es decir, la nueva galaxia que se está formando seguiría con dos agujeros negros (aún no fundidos) en su centro y uno, menor, en la periferia. En caso de que se trate de un encontronazo de tan sólo dos objetos chupadores de materia, un tipo de evento supuestamente más común, la causa del desplazamiento del agujero negro sería otra, y ese detalle cambiaría todo.

HORACIO DOTTORI, RUBEN J. DIAZ, JUAN F. ALBACETE-COLOMBO, DAMIAN MAST / CHANDRAFuentes de radio y rayos X de la M83: dos agujeros negros en el centro y uno eyectado (estela)HORACIO DOTTORI, RUBEN J. DIAZ, JUAN F. ALBACETE-COLOMBO, DAMIAN MAST / CHANDRA

Ondas gravitacionales
En ese segundo escenario, primero ocurriría la fusión de los dos agujeros negros. Sus masas se sumarían y generarían un nuevo y único agujero negro en el núcleo de la galaxia. El agujero negro resultante sería entonces arrojado hacia fuera del corazón del sistema debido a la acción de las llamadas ondas gravitacionales, cuya existencia fue prevista por Albert Einstein en la teoría de la relatividad general hace casi un siglo, pero que aún no ha sido comprobada experimentalmente. “En tal caso, luego de la eyección, la galaxia queda sin ningún agujero negro”, afirma el astrofísico David Merritt, del Instituto de Tecnología de Rochester (EUA). “La detección de ese fenómeno sería la confirmación de las teorías de Einstein”. Cuando la velocidad de eyección no es muy elevada, el agujero negro solamente oscilaría alrededor del núcleo de la galaxia durante un tiempo, y al cabo de algunos millones de años regresaría a su lugar habitual. No hay que olvidarse que el escenario de los agujeros negros forma parte del Universo einsteniano, en el cual el espacio tiene cuatro dimensiones: las tres de la física clásica más el tiempo.

Las ondas gravitacionales se definen como deformaciones causadas en la curvatura del espacio-tiempo por la presencia de grandes masas en movimiento. De la misma manera que la navegación de un barco produce oscilaciones en el océano, el desplazamiento de cuerpos celestes generaría ondas gravitacionales que se propagarían a la velocidad de la luz. En teoría, una galaxia con dos agujeros negros en camino hacia la fusión sería un ambiente ideal para confirmar la existencia de esa nueva forma de energía. “Cuando dos agujeros negros se funden, las ondas gravitacionales no son emitidas de manera simétrica, sino preferentemente en algunas direcciones. Esto provoca en el agujero negro un efecto similar al retroceso causado por el lanzamiento de un cohete”, afirma la astrofísica Stefanie Komossa, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre de Alemania, quien en 2008 encontró un probable caso de eyección de agujero negro en una galaxia ubicada a 10 mil millones de años luz de la Tierra. De esta forma, el agujero negro sería lanzado hacia fuera de la galaxia en la dirección opuesta a la de las ondas gravitacionales. “Recién ahora estamos observando estos eventos en la naturaleza”, dice Komossa. “Y son importantes para entender la formación y la evolución de las galaxias.”

Artículo científico
DOTTORI, H. et al. The missing goliath’s slingshot: massive black hole recoil at M83. The Astrophysical Journal Letters. v. 717, n.1, p. L42-L46. 1° jul. 2010.

Republicar