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ASTRONOMÍA

Eficiencia monumental

Los agujeros negros gigantes consumen menos energía de lo que se pensaba, pero le dan impulso a los mayores chorros de gas y radiación del Universo

Chorros de partículas y radiación emitidos por el agujero negro de la galaxia Centauro A, situada a 12 millones de años luz de la vía Láctea

Nasa/ DOE/ Fermi Lat Collaboration/ Capella ObservatoryChorros de partículas y radiación emitidos por el agujero negro de la galaxia Centauro A, situada a 12 millones de años luz de la vía LácteaNasa/ DOE/ Fermi Lat Collaboration/ Capella Observatory

Sigue siendo justa la reputación que tienen los agujeros negros, que indica que son unos grandes glotones, unas aspiradoras cósmicas capaces de succionar inexorablemente todo lo que se encuentre a su alrededor: en general consumen el gas del medio interestelar, si bien que no son raros los agujeros negros mayores situados en el centro de las galaxias que se tragan estrellas enteras de un tirón. Sin embargo, esos gigantes no consumen tanto gas como se pensaba. Se ha detectado ahora que, a decir verdad, expulsan hacia muy lejos de sus cercanías casi tanto gas como el que arrastran hacia sí mismos. Aun con una dieta menos calórica que la que suponían los astrofísicos hasta hace poco tiempo, esos agujeros negros todavía poseen la energía suficiente como para disparar chorros de gas acelerado a velocidades comparables con la de la luz que se extienden a través de millones de años luz hacia fuera de sus galaxias. Esos chorros son los más grandes y más poderosos aceleradores de partículas del Universo (lea en Pesquisa FAPESP,  edición nº 200). “Eso es absolutamente contraintuitivo”, dice Rodrigo Nemmen, investigador del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (USP). “¿Cómo puede ser que el gas que estaba cayendo dentro del agujero negro pase escaparse de allí profusamente?”

Nemmen se juntó al astrofísico Alexander Tchekhovskoy, de la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos, para comparar con mayor precisión la cantidad de energía que, bajo la forma de gas caliente, sirve de alimento a los agujeros negros gigantes con la cantidad de energía que emana de éstos en forma de chorros. El dúo analizó decenas de agujeros negros gigantes situados en el centro de galaxias observadas por el telescopio espacial de rayos X Chandra. El estudio sugiere que la energía de los chorros es casi siempre mayor que la que proviene del gas caliente absorbido por el agujero negro. En muchos casos, dichos chorros son más de tres veces más energéticos que el gas que absorbe el agujero. Nemmen compara lo sorprendente de esta situación con la de un motor imaginario que alimentase a un automóvil con una cantidad de energía más de tres veces mayor que la contenida en su combustible. “Algo está mal, pues la conservación de la energía es la ley de la física más fundamental que existe”, dice.

Solamente una solución de la paradoja no viola las leyes de la física. Los chorros disparados por el agujero negro sólo pueden ser tan energéticos de existir una fuente extra de energía, mucho más poderosa que el gas caliente. Aunque el análisis de Nemmen y Tchekhovskoy no aclara definitivamente qué fuente es ésa, los números que hallaron dan asidero a una teoría que los astrofísicos discuten desde finales de las década de 1970: la idea de que los chorros son generados por campos magnéticos moldeados y fortalecidos por una energía que surge desde dentro del propio agujero negro.

Nemmen explica que un agujero negro es una región esférica del espacio con una fuerza de atracción gravitatoria tan fuerte que una nave espacial –o cualquier otro objeto– debería alcanzar una velocidad mayor que la de la luz para escaparle. La frontera del agujero se llama de horizonte de eventos u horizonte de sucesos. “Si ni siquiera la luz le escapa, y la luz es la cosa más rápida del Universo, una vez superado el horizonte de eventos nada escapa”, dice.

Los astrónomos no tienen idea acerca de qué existe dentro de los agujeros negros, que surgieron primeramente como solución matemática a una de las ecuaciones de la teoría de la relatividad general publicada por Albert Einstein en 1915. Pero, desde la década de 1960, los científicos vienen acumulando evidencias indirectas de que existen agujeros negros de diversos tamaños en abundancia en el Universo.

Como en una parrilla
Existen pruebas suficientes de que en el centro de la vía Láctea reside un objeto oscuro considerablemente menor que el Sistema Solar, con una masa 4 millones de veces mayor que la del Sol, por ejemplo. “Teniendo en cuenta todo lo que sabemos sobre gravitación y astrofísica, tiene que haber un agujero negro allí”, dice Nemmen. “Las observaciones astronómicas, especialmente las del telescopio espacial Hubble, establecieron que en el centro de la mayoría de las galaxias hay un agujero negro.”

Sin embargo, el agujero negro situado en el centro de la Vía Láctea es distinto a los encontrados en el centro de otras galaxias. Se mantiene tranquilo la mayor parte del tiempo –tragándose un poco de gas o una estrellita de vez en cuando–, mientras que los ubicados en el centro de algunas galaxias son mucho más activos y brillan miles de veces más que todas las estrellas de las galaxias que los albergan.

062-065_buracos negros_224-02Este brillo proviene de la radiación que emite el gas del medio interestelar, que cae copiosamente en dirección hacia el centro galáctico. “Esos agujeros negros son como yo cuando voy a una parrilla: se alimentan vorazmente”, dice Nemmen, quien nació en la ciudad gaúcha de Passo Fundo, se graduó y realizó su doctorado en Porto Alegre, en la Universidad Federal de Rio Grande do Sul y asumió el cargo docente en la USP en el mes abril, después de realizar una pasantía de posdoctorado en la Nasa.

Al vivir en ese régimen a base de parrilladas, esos agujeros negros, también llamados núcleos activos de galaxias (AGNs, por sus siglas en inglés) hacen otra cosa extraordinaria: emiten un par de inmensos chorros de gas brillante hacia fuera de sus galaxias. El gas de esos chorros viaja por el espacio intergaláctico emitiendo radiación de altísima energía.

Los científicos todavía debaten el origen de dichos chorros. Una de las posibilidades se relaciona con el disco de gas que gira muy cerca del horizonte de eventos. “El gas gira con mucha energía y podría desviarse y canalizarse en chorros”, dice Nemmen. Otra posibilidad, segundo el científico, se relaciona con los campos magnéticos que genera el gas caliente cargado eléctricamente muy cerca del horizonte de eventos. “Esos campos lograrían extraer energía del propio agujero negro y transferírsela al gas”, explica.

Esa transferencia de energía sería posible pues, además de la fuerza de atracción hacia dentro del horizonte de eventos, los agujeros negros poseen una gran energía de rotación que obliga a todo lo que se encuentra a su alrededor a girar en un mismo sentido. Ese remolino espacial arrastraría a las líneas del campo magnético del gas hacia alrededor del horizonte de eventos, tal como hilos de lana enrollados en un ovillo. En 1977, cálculos de los astrofísicos Roger Blandford y Roman Znajek habían sugerido que la energía de esas líneas podría esculpir y dar impulso a los chorros. Desde entonces, simulaciones de los AGNs realizadas en computadoras, algunas a cargo de Tchekhovskoy, colega de Nemmen, han confirmado que el mecanismo de Blandford-Znajek es la fuente de energía más probable de los chorros.

“Los estudios teóricos han sugerido fuertemente eso, pero las observaciones todavía no han testeado esas ideas muy bien”, dice Nemmen. Para comparar mejor las observaciones con la teoría, él y Tchekhovskoy resolvieron pensar en los AGNs como máquinas. “Imagínese un motor al cual no podemos examinar por dentro”, Nemmen compara. “Se puede intentar entender de qué manera funciona la máquina midiendo su rendimiento, comparando cuánto combustible lo abastece con la energía que sale de él.”

Una esfera imaginaria
Al escrutar datos del telescopio espacial Chandra, el dúo seleccionó 27 AGNs que fueron observados minuciosamente para determinar cuánta energía entra en una esfera imaginaria alrededor del agujero negro con un radio de alrededor de 1 año luz, y cuánta sale de ella. Para estimar la energía que abastece a esa máquina, calcularon cuánto gas entra en esa región, cuál es su velocidad y su temperatura. No todo el gas que se interna en la esfera cae directamente en el agujero negro. El gas es tan caliente, tan turbulento y gira tan deprisa que buena parte del mismo termina cobrando fuerza como para escapar antes que sea demasiado tarde. “Estudios anteriores estimaron ese abastecimiento inadecuadamente”, afirma Nemmen. “Observaciones del centro de la Vía Láctea y de la galaxia NGC3115 realizadas durante los últimos dos años muestran una pérdida enorme de gas.”

En tanto, a la energía que se escapa de la máquina, los astrofísicos la midieron observando de qué modo los rayos X emitidos por los chorros inflan dos enormes cavidades de gas caliente debajo y arriba de las galaxias (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 144). “Sale más energía que la que entra”, concluye Nemmen. “Al hacer las cuentas, fuimos capaces de explicar ese rendimiento asumiendo que la energía extra provendría de la rotación del agujero negro.”

Esta conclusión coincide con la de otro estudio de Tchekhovskoy, publicado en junio en Nature. Él y sus colegas hallaron una relación entre los campos magnéticos de los chorros y la luz emitida por los discos de gas. Dicha relación sólo tendría sentido si los chorros hubiesen sido creados por líneas magnéticas alimentadas por los agujeros negros. Así y todo, Nemmen recuerda que existe una incertidumbre en las observaciones. Datos más sólidos requerirán mediciones más precisas de los chorros. “Para observar la formación de los chorros directamente”, explica, “necesitaremos un telescopio de rayos X con una resolución miles de veces mejor que la del Chandra”.

Dos o tres maneras de morir en un agujero negro

Caerse en un agujero negro sería algo indefectiblemente fatal. Una vez rebasado el horizonte de sucesos, no es posible escaparse ni pedir socorro. El destino de una persona que lograse atravesar esa zona consistiría en ser desintegrada por fuerzas gravitacionales antes de llegar al centro del agujero negro, la llamada singularidad, que los físicos no saben con certeza qué es.

Sin embargo, lo que mucha gente no se imagina es que los agujeros negros pueden ser mortales incluso a varios años luz de distancia. “Los fenómenos más energéticos del Universo se producen en las cercanías de los agujeros negros”, informa el astrofísico Rodrigo Nemmen, de la USP, ante el auditorio formado durante sus charlas de divulgación científica. En las presentaciones realizadas este año en São Paulo, Nemmen ejemplificó las diferentes formas de ser exterminado por un agujero negro a modo de introducción ante el público de la astronomía y la física de esos objetos cuya existencia hasta hora únicamente ha sido inferida mediante observaciones indirectas. “Es la didáctica del fatalismo”, comenta Nemmen.

Terminar frito debido a una radiación sería una de las maneras de morir por causa de un agujero negro. Cuando una estrella con una masa centenares de veces mayor que la del Sol colapsa, su núcleo se transforma en un agujero negro. Dicho agujero negro se alimenta del material restante de manera tan explosiva que arroja un chorro de partículas y radiación conocido como explosión de rayos gamma, capaz de incinerar todo lo que encuentre en el camino.

No es sólo al comienzo de su vida que los agujeros negros lanzan al espacio tempestades de radiación. Sean grandes o pequeños, suelen atraer hacia sus cercanías nubes de gas que componen el disco de acreción. La rotación del disco calienta el gas a punto tal que el mismo comienza a emitir niveles de radiación que le provocarían cáncer en alguien situado a varios años luz de distancia.

Tan terrible como acercarse a ese disco puede ser también ubicarse en el camino de un chorro de gas y partículas, expelido por el agujero negro de un núcleo galáctico activo. En 2007, astrónomos observaron una galaxia siendo alcanzada en pleno por el chorro de su vecina, que recibió entonces el nombre de galaxia de la muerte. Los planetas de la galaxia acertada habrían sufrido una lluvia de radiación.

Aunque sobreviviese a la radiación, alguien ubicado cerca de un agujero negro correría serio riesgo de que su cuerpo se estirase como un espagueti: a esa muerte alla italiana, los físicos la denominan espaguetificación o espaguetización. En las cercanías del horizonte de eventos, la diferencia de la fuerza gravitacional entre los pies y la cabeza de una persona cayendo en dirección al agujero negro puede ser suficiente como para estirar y exprimir su cuerpo hasta transformarlo en un espagueti.

Cuanto más cerca del horizonte de eventos, mayor es la probabilidad de que el torbellino generado por la rotación del agujero negro también espaguetice el cuerpo de quien se encuentre por allí, haciéndolo girar de una manera a la cual Nemmen compara con una rueda de tortura medieval.

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