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Astronomía

En las entrañas del Cosmos

Agujeros negros gigantes convierten parte de la materia que capturan en chorros de partículas que barren el espacio a su alrededor

En la dirección de la constelación de Virgen, un conglomerado de galaxias abriga un agujero negro tan grande que es difícil imaginar sus dimensiones. Su masa es 3 mil millones de veces la del Sol y, en el caso de que estuviese en el centro del Sistema Solar, ocuparía todo el espacio hasta el sexto planeta, Saturno. En los últimos años astrofísicos de varios países, Brasil incluso, analizaron imágenes hechas por el telescopio espacial Chandra de la región central de la galaxia Virgo A, una de las 2 mil del conglomerado de Virgen, y de otras ocho de tamaño semejante que abrigan agujeros negros en sus núcleos, distantes entre 50 millones y 400 millones de años luz de la Tierra. De esa zambullida en las entrañas del Cosmos, comienzan a emerger respuestas sobre como esos objetos que concentran tanta masa en un volumen tan pequeño interactúan con el espacio a su alrededor y contribuyen a determinar la arquitectura del Universo.

Cerca de dos años atrás el equipo del astrofísico Steve Allen, de la Universidad Stanford, en Estados Unidos, obtuvo las primeras evidencias de que esos glotones cósmicos, capaces de arrastrar para su interior la materia y la energía que se aproximan demasiado no consumen todo lo que tragan. Una pequeña parte es lanzada para afuera de las galaxias que los abrigan en la forma de poderosos chorros de partículas cargadas eléctricamente (plasma). En el caso de Virgo A y de las otras ocho galaxias, esos chorros son lanzados en sentidos opuestos y barren el espacio arriba y abajo del agujero negro, creando dos inmensas burbujas de gas calentado que emiten los rayos X detectados por el telescopio Chandra y, observadas en conjunto, recuerdan un reloj de arena.

Re-examinando los datos sobre esos relojes de arena cósmicos, el astrofísico Rodrigo Nemmen da Silva, de 26 años, dio un paso más allá en la comprensión de como los agujeros negros con masa equivalente a la de mil millones de soles devuelven al Cosmos parte de la energía que absorben. Bajo orientación de Thaisa Storchi Bergmann, de la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS), él creó un modelo matemático que permitió caracterizar con más exactitud los agujeros negros gigantes. Conociendo solamente la energía liberada por los chorros de plasma, el joven astrofísico gaucho hizo una especie de ingeniería reversa: partió de los resultados para llegar a las causas. Y funcionó.

Los chorros de partículas de esos agujeros negros liberan a cada segundo una cantidad de energía 50 veces superior a la producida por el Sol en un año – o aun lo correspondiente a la energía generada en 365 días por 250 mil millones de centrales hidroeléctricas como Itaipú, la mayor del mundo. Rodrigo constató que toda esa energía, suficiente para abastecer el Brasil durante 50 mil millones de años, es solamente una ínfima parte de todo lo que el agujero negro consume. De modo semejante a los seres vivos, también un agujero negro se alimenta de materia para producir energía que lo hace crecer. Y, como siempre, los números son astronómicos.

“A cada día él absorbe del anillo de gas y polvo que lo envuelve, el llamado disco de acreción, lo correspondiente a la masa de diez planetas como la Tierra”, cuenta Rodrigo, que trabajó en colaboración con Richard Bower, de la Universidad de Durham, en  Inglaterra, y Arif Babul, de la Universidad de Victoria, en Canadá. Sus cálculos muestran también que los agujeros negros son más eficientes en la producción del chorro de plasma que Allen había sugerido en el artículo publicado en el 2006 en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.  Al comparar la cantidad de gas que se aproxima al agujero negro con la energía de los chorros, Rodrigo tuvo en cuenta la posibilidad de que no toda la materia sea capturada e incorporada a su masa, haciéndolo crecer lentamente. Así, tendría que haber un mecanismo más eficiente originando eses chorros que alejan y calientan el gas rico en hidrógeno y helio, abriendo las cavidades en forma de reloj de arena. “Otros ya habían observado que existe una relación entre la cantidad de materia capturada por el agujero negro y la potencia de los chorros, pero obtenían una eficiencia menor porque no tenían en consideración algunos efectos que incluimos en nuestro modelo, como la rotación del agujero negro”, comenta Thaisa.

En el limite
En realidad, el dúo de la UFRGS sólo consigue explicar la mayor eficiencia en la producción de los chorros si el agujero negro estuviera girando muy rápidamente. Por los cálculos de Rodrigo, los agujeros negros observados por el telescopio Chandra están en rotación a velocidades altísimas que varían entre 90% y 99,8% de la velocidad de la luz (300 mil kilómetros por segundo), el límite máximo de rotación previsto por la Teoría de la Relatividad General, formulada por Albert Einstein. “A esa velocidad, un agujero negro con esas dimensiones daría una vuelta completa al rededor de su eje en solamente 24 horas”, dice Rodrigo, que publicó sus resultados en el 2007 en la Monthly Notices of the Royal Astronomical Society y los presentó el 10 de enero de este año en el 211º Encuentro Anual de la Sociedad Astronómica Americana, el más importante del área.

Girando casi a la velocidad de la luz, el agujero negro se vuelve más achatado en los polos. En esa rotación ultra-rápida, arrastra consigo la parte interna de la nube de gas que forma el disco de acreción. En ese disco, el gas se mueve a velocidades cada vez más altas a medida que se aproxima al horizonte de eventos, región correspondiente a la superficie del agujero negro a partir de la cual nada escapa de ser tragado. Aunque no se conozcan en detalle los mecanismos de formación de los chorros, se cree que, a medida que el gas va tomando forma de espiral en dirección al agujero negro, él arrastra junto al campo magnético. Este, a su vez, genera una especie de embudo magnético que concentra las partículas en haces paralelos originando los chorros perpendiculares al disco.

“Conocer la rotación de un agujero negro es importante porque permite comprender el efecto que él provoca en su ambiente”, dice Rodrigo, que actualmente hace prácticas en la Universidad del Estado de Pensilvania. Diferentemente a lo que muchos puedan pensar, no siempre los agujeros negros están activos, devorando nubes de gas, estrellas o hasta galaxias enteras que cruzan su camino – y emitiendo los poderosos chorros observados por el Chandra. Según Thaisa, se calcula que un agujero negro como el de Virgo A, probablemente formado mil millones de años atrás, capture y consuma una estrella a cada 10 mil años. Solamente en intervalos de casi 1 mil millón de años es probable que consuma una galaxia. En ese caso, el disco de acreción y los chorros de plasma podrían permanecer activos por cerca de 100 millones de años, alterando el ambiente en derredor.

Y sus efectos no se restringen a sus proximidades. Hasta poco tempo atrás, antes de que el telescopio espacial Hubble identificara agujeros negros en la mayoría de las galaxias, los modelos de formación del Universo eran más precarios. “Ellos preveían que las galaxias deberían ser bien mayores de lo que de hecho son por no considerar ese  efecto producido por los agujeros negros, que lanzan al medio intergaláctico parte de la materia que haría que las galaxias crecieran”, dice Thaisa. “El descubrimiento de agujeros negros en la mayoría de las galaxias hizo posible que se llegara a propuestas más próximas de la realidad.”

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