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¿Por qué son tan grandes los agujeros negros supermasivos?

18/03/2013 22:20 0 Comentarios Lectura: ( palabras)

imageEn el Universo se esconden los monstruos más misteriosos que podamos imaginar, podríamos describirlos como objetos oscuros, pero nos quedaríamos muy cortos. No son simples agujeros negros, con una masa de varios miles de millones de soles acechan en cualquier parte del todo el Universo en la que nos fijemos.

Los agujeros negros supermasivos son muy parecidos a sus hermanos menores, devoran todo aquello que se les acerca, incluso la luz, son capaces de deformar en espacio-tiempo de su entorno... pero están a otro nivel. Nuestras teorías señalan que los pequeños agujeros negros, aquellos que tienen una masa de un par de soles, nacen cuando el denso corazón de una gran estrella colapsa sobre sí mismo, pero nadie puede explicar la génesis de estos gigantescos monstruos oscuros.

Pensamos que podríamos, creíamos que los agujeros negros supermasivos simplemente crecían lentamente partiendo de semillas muy pequeñas, hinchándose gracias al gas circundante. Pero observaciones recientes muestran que esta no puede ser toda su historia. Necesitamos una nueva explicación para estos monstruos antiguos.

Las observaciones de las estrellas que giran alrededor de un enigmático punto sugieren que ahí se esconde uno de estos monstruos, y casi todas las galaxias parecen tener en su centro uno de estos colosos cósmicos. El que está en nuestra Vía Láctea es relativamente pequeño, tan solo tiene una masa de unos 5 millones de soles, y aunque pueda parecer mucho, mas nos valdría no acercarnos a él. Pero este coloso tiene hermanos mucho mayores, a unos 50 millones de años luz se encuentra la gigantesca galaxia elíptica M87, en su interior acecha al que podríamos denominar como el monstruo de los monstruos, con más de 6.000 millones de masas solares, su horizonte de sucesos -esa frontera donde quien la atraviesa estaría condenado a desaparecer de este Universo- es casi cinco veces más ancho que la órbita de Neptuno.

A mayor distancia vemos los signos más dramáticos de estos supermasivos objetos. Las galaxias activas tienen un brillante punto de luz en su centro que conocemos como cuásar, este emite tal cantidad de energía que es capaz de eclipsar los miles de millones de estrellas de la galaxia que rige con mano dura. Muchos escupen hacia las profundidades del cosmos abrasadoras llamaradas de rayos X y rayos gamma junto a colosales chorros de materia que alcanzan el 99 por ciento de la velocidad de la luz. Estas señales nos muestran el voraz apetito de un gigantesco agujero negro. Gas que se arremolina en sus cercanías se calienta debido a la fricción, brillando y generando campos magnéticos que lanzan al exterior los chorros de material.

La convencional historia de los agujeros negros supermasivos se inicia unas pocas decenas de millones de años después del Big Bang, después de que se formasen las primeras estrellas a partir de las más densas nubes de hidrógeno y helio primordial. Estas pioneras, dice la historia, tendrían varios cientos de veces la masa de nuestro sol. El núcleo de una de estas estrellas se colapsa tan rápidamente que forma un agujero negro de unas 100 masas solares. A medida que estos primeros colosos se hunden hacia el centro de la galaxia, devoran el gas que les rodean, convirtiéndose así los poderosos corazones de los cuásares.

Sin embargo, en 2000, el telescopio de rayos X Chandra de la NASA detecto la presencia de un poderoso y lejano cuásar. Vemos a SDSS J1030 0524 tal y como era cuando el Universo tenía tan sólo 900 millones de años, la enorme energía que libera nos dice que este monstruo debe tener peso superior a los 1.000 millones de masas solares.

¿Cómo logro tal peso este coloso en tan poco tiempo? Cuanto más gas devora un agujero negro, más radiación emite el cuásar. Con el tiempo, este apetito voraz de materia provoca que deje de entrar nuevo material a las entrañas del monstruo, estas brutales emisiones de energía arrasan con todo el gas de su entorno cósmico, cortando así el suministro de alimentos.

Las teorías, respaldadas por el comportamiento de los agujeros negros más cercanos, nos dicen que un agujero puede duplicar su tamaño máximo cada 30 millones de años.

Así que para dar el salto de 100 a 1.000 millones de masas solares implica duplicar su masa 23 veces, por lo que, en teoría, el agujero negro en SDSS J1030 0524 debería tener una edad de unos 700 millones de años cuando emitió la luz que acaba de alcanzar nuestro planeta. Pero eso requeriría un suministro de gas perfectamente en sintonía con las necesidades del agujero.

Pero el entorno de los agujeros negros probablemente sea un lugar cambiante y desordenado, por lo que devorar tal cantidad de gas y tan rápidamente no es algo sencillo.

Aún así, SDSS J1030 0524 podría ser un caprichoso ejemplo de que un agujero negro haya logrado vivir la gran vida durante sus primeros mil millones de años de existencia. ’Un objeto peculiar siempre se puede explicar’, señala el astrofísico Priya Natarajan de la Universidad de Yale. El problema es que no es un único objeto, se han descubierto decenas de estos colosos a distancias comparables. ’Cuando hay una población de estas cosas, tiene que haber una manera natural para que existan’.

Y cada nuevo descubrimiento añade más presión. El año pasado, un equipo utilizando el Telescopio Infrarrojo del Reino Unido en Hawai observaron un cuásar, ULAS J1120 0641, con una masa de aproximadamente 2.000 millones de veces la del Sol a tan sólo 770 millones años del Big Bang. La teoría dicta se necesitan un mínimo de unos 750 millones de años para alcanzar este tamaño partiendo de un coloso de 100 masas solares.

Así que la historia de los agujeros negros XXL que parten de pequeñas semillas parece ser incluso menos plausible tras un reciente trabajo que estudia cómo se formaron las primeras estrellas. Una nueva serie de simulaciones sigue la concentración de las vastas nubes de gas que dieron lugar a estas estrellas y mostraron que tienden a dividirse en fragmentos más pequeños, por lo que las primeras estrellas no deberían alcanzar más de unas 50 masas solares. Después de que esta primeras estrellas desapareciesen, los agujeros negros que dejaron atrás tan solo tendrían un peso cercano a las 10 masas solares, un tamaño muy decepcionante para cualquier aspirante a ser la semilla de un cuásar.

imageLo que es más, cada una de las jóvenes galaxias debería estar plagada de agujeros negros. Algunos de ellos se aproximarían hacia el centro de la galaxia, creando así un nuevo agujero negro neonato más masivo, por lo que incluso las galaxias relativamente pequeñas deberían lucir ahora un impresionante agujero negro central, pero esto no es lo que vemos. El año pasado, Jenny Greene, de la Universidad de Princeton descubrió que entre las galaxias más pequeñas, con una masa total de alrededor de mil millones de soles, sólo la mitad de ellas tiene uno de estos colosos .

Parece que hay una sola conclusión. Vamos a necesitar una semilla muy grande.

Una posibilidad es que los agujeros negros supermasivos no nacieron de estrellas aisladas, sino de un cumulo estelar. ’Sabemos que a principios de la historia del universo, las estrellas tienden a formarse en explosiones, en regiones que fueron espectacularmente activas’, comenta Fred Rasio de la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois. En 2003, realizo una serie de simulaciones de antiguos cúmulos donde cientos de jóvenes brillantes 'cosas' estaban formándose. La gran mayoría de ellas tienden a acumularse en las regiones centrales, una zona en la que casi inevitablemente muchas de ellas chocarían entre sí ’Se forman una cosa, yo no quiero llamarlo una estrella, con muchos miles de masas solares’, señala. Lo que sucede después es muy difícil de modelar. Rasio conjetura que este nuevo objeto procedente de las múltiples colisiones podría colapsar para formar un agujero negro de tal vez unos pocos miles de masas solares.

Como quien diría, esta idea no suena mal, y sería aún mejor si pudiésemos detectar la presencia de agujeros negros de masa intermedia en los actuales cúmulos estelares. Unos pocos objetos prometedores, llamadas fuentes de rayos X ultraluminosas (ULXs), se han encontrado en las galaxias cercanas. Son aparentemente lo suficientemente brillante como para encontrarse en torno a agujeros negros que ya poseen un tamaño respetable. Pero en 2011, las observaciones de un ULX en nuestra vecina galaxia Andrómeda demostraron que este tiene el mismo espectro característico y se comporta como pequeños agujeros negros de nuestra galaxia que tienen unas 10 masas solares. Quizás estos ULXs sean demasiado pequeños.

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En cualquier caso, incluso una semilla de agujero de 1.000 masas solares tendría que duplicar su masa 20 veces más para convertirse en un gigante. Este debería engullir material de manera casi constante para explicar un objeto como J1120 ULAS 0641.

Quizás, entonces, tengamos que pensar en algo un poco más grande. Si un pequeño agujero negro surge del centro colapso de una estrella, ¿Qué pasaría si colapsase una galaxia entera?

Martin Rees , de la Universidad de Cambridge, ya sugirió esta posibilidad en 1978. Aunque suena muy seductora, no es nada fácil de meter tanta materia en el corazón de una galaxia. El primer obstáculo es el giro. Incluso las primeros protogalaxias gira lentamente, una velocidad motivada por la presencia de sus vecinos. A medida que se contrae, el gas se mueve a mayor velocidad, como aire que entra en un tornado. Con el tiempo, la gravedad equilibra esta rotación, creando un disco giratorio de gas con poco material de apenas unos pocos cientos de años luz de diametro.

Rasio y Abraham Loeb, de la Universidad de Harvard demostraron en la década de 1990 como se podría superar esta barrera. Si una densa protogalaxia gira lentamente, su núcleo puede sufrir inestabilidades.

Esta rotación acumula un exceso de gas, generando barras alargadas que actúan como ruedas dentadas gravitacionales de transferencia. Es en este momento cuando el corazón de la protogalaxia puede colapsar.

El siguiente paso es incierto, pero de acuerdo a los cálculos realizados en 2006 por Rees y sus entonces colegas Marta Volonteri y Begelman Mitchell , de la Universidad de Colorado en Boulder, existe una posibilidad de que se forme una monstruosa ‘quasiestrella’: un denso capullo de gas de unos cientos de millones kilómetros de diámetro que rodea un pequeño agujero negro central. El gran peso de este capullo proporcionaría una enorme cantidad de material al agujero, creando un objeto de un millón de masas solares en tan sólo unas pocas decenas de millones de años. Esta pesada semilla podría cuadrar con las teorías, tan solo tendría que duplicar su tamaño unas 10 veces hasta convertirse en un agujero negro de 1.000 millones de masas solares. Incluso sin un suministro de gas cuidadosamente equilibrado, esta alcanzaría este tamaño en el plazo asignado de unos 700 millones de años.

Aunque sigue habiendo problemas, durante su colapso inicial de la protogalaxia, el gas es susceptible de dividirse en pequeñas gotas que se unirían para formar nuevas estrellas, negándole así el material a la quasiestrella. Algunas de estas nuevas estrellas masivas estallarían en supernovas, dispersando el suministro de gas y frenando el crecimiento del agujero negro. Hay maneras de evitar que esto suceda, la radiación ultravioleta de los destellos cercanos podría calentar estas acumulaciones de gas y detener la coalescencia, o las turbulencias podrían evitar la fragmentación del capullo gaseoso. Para muchos astrónomos, sin embargo, estos remedios parecen demasiado 'artificiales'. Así que Rasio opina que la teoría de este 'colapso directo' de una protogalaxia necesita aun ser refinada.

image¿Estos errores significan que algo completamente extraño está pasando? Quizás la propuesta más radical es que los agujeros negros gigantes se forjaron directamente en el fuego del Big Bang, en los tumultuosos momentos conocidos como 'transición de fase', cuando se reorganizaban la materia y la radiación. Apenas un microsegundo después del comienzo de los tiempos, los quarks se unen para formar protones y neutrones. Este proceso podría haber sido desigual, produciendo picos de densidad que se convirtieron en agujeros negros de masa solar.

Pero estos primigenios agujeros negros son demasiado pequeños como para que sean las semillas de los grandes colosos que vemos hoy en día. Aunque Sergei Rubin del Center for CosmoParticle Physics en Moscú, ha sugerido que estos agujeros podrían agruparse y rápidamente fundirse creando así los primeros gigantes. Otra transición de fase prometedora tendría lugar cuando el universo apenas tiene unos 10 segundos de edad, cuando las nubes de electrones y positrones se destruyen mutuamente dejando tras de sí un cosmos lleno de fotones de rayos gamma. En este punto se podrían formar espontáneamente agujeros negros de hasta 100.000 masas solares.

Estos colosos del amanecer del cosmos atraerían hacia ellos el caliente gas, emitiendo una gran cantidad de rayos-X, dejando sus huellas en el fondo de microondas cósmico. Pero hasta ahora tampoco hemos sido capaces de observar estas pistas reveladoras, aunque nada descarta la formación de algunos primordiales y raros agujeros gigantes, lo suficientemente grandes como para convertirse en las tempranas semillas de los cuásares.

Pese a todo, la mayoría de los teóricos tratan de desentrañar el origen de los agujeros supermasivos pues piensan que las semillas primordiales son una opción exótica innecesaria. ’No hay ningún argumento convincente de por qué deberían haberse formado’, señala Begelman. ’Necesitarías una cosmología un tanto extraña’.

Tal vez lo más apetecible es la idea de las estrellas oscuras, un término acuñado por Albert Einstein para describir nuestros agujeros negros. En 2007, Douglas Spolyar, entonces de la Universidad de California, y sus colegas sugirieron que algunas de las primeras estrellas podrían haber sido formadas por materia oscura. Partículas de materia oscura crearían un núcleo estelar, donde podrían chocar entre ellas y aniquilarse mutuamente, el calor generado seria menor que el producido mediante la combustión nuclear del hidrógeno y de helio. Sin una intensa radiación que venza la entrada de gas, las estrellas oscuras podrían seguir creciendo indefinidamente, colapsando finalmente dejando atrás un agujero negro de hasta 100.000 masas solares.

Pero esta extraña idea podría llegar a ser corroborada mediante nuevas observaciones. Estas estrellas oscuras emitirían suficiente luz infrarroja como para ser vistas por el heredero del Hubble, el James Webb Space Telescope , cuyo lanzamiento está programado para 2018. Quizás también sea capaz de detectar las quasiestrellas.

Pero si no es capaz de observar estos objetos, entonces vamos a necesitar algo más sofisticado que resuelva el misterio de los agujeros negros supermasivos. El Laser Interferometer Space Antenna (LISA) está diseñado para detectar ondas gravitacionales, curvaturas del espacio que deberían producirse tras las abundantes colisiones de agujeros negros. LISA ha pasado mucho tiempo tratando de salir de la mesa de dibujo, pero si finalmente somos capaces de detectar las ondas gravitacionales resultantes de la fusión de agujeros, ‘debería ser fácil saber si las semillas son pequeñas o masivas’, señala Volonteri.

Mientras tanto, los astrónomos seguirán buscando los cuásares más lejanos en el espacio y el tiempo. ¿Qué sucedería si esta búsqueda nos revelase su presencia en los inicios del Universo? Finalmente llegaríamos a un punto, hasta apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang, cuando sus negros centros no habrían tenido tiempo suficiente como para formar una semilla de unos millones de masas solares. Entonces ninguna de nuestras teorías funcionaria y seguiremos teniendo el misterio por resolver de la ingente cantidad de agujeros negros supermasivos que plagan nuestro cosmos.

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Fuente:
espacioprofundo.es
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