Se cree que los agujeros negros supermasivos nacen de fusiones sucesivas de agujeros negros más pequeños, cada uno de los cuales trae consigo un momento angular que acelera la rotación del agujero negro que dan origen. Por lo tanto, medir el giro de los agujeros negros supermasivos puede proporcionar información sobre su historia, y un nuevo estudio sugiere una nueva forma de hacer tales inferencias basándose en la influencia del giro de los agujeros negros en la estructura misma del espacio y el tiempo.
El espacio-tiempo agitado y las estrellas destruidas ayudan a revelar qué tan rápido giran los agujeros negros supermasivos. Los restos “oscilantes” de una estrella que sufrió una muerte horrible en las fauces de un agujero negro supermasivo han ayudado a revelar la velocidad a la que gira su devorador, informa la revista Nature.
La estrella condenada en el centro de este estudio fue destrozada por un agujero negro supermasivo durante el llamado evento de perturbación de marea (TDE). Estos eventos comienzan cuando una estrella se acerca demasiado a la influencia gravitacional masiva de un agujero negro. Una vez que se acerca lo suficiente, se generan enormes fuerzas de marea dentro de la estrella, que la comprimen horizontalmente y la estiran verticalmente. Se llama “espaguetificación” y es un proceso que convierte una estrella en una hebra de pasta estelar, pero, lo que es más importante, no toda es consumida por el destructivo agujero negro.
Parte de este material sale volando y otra parte envuelve el agujero negro, formando una nube aplanada llamada disco de acreción. Este disco de acreción no sólo está alimentando gradualmente el agujero negro central, sino que las mismas fuerzas de marea que inicialmente destrozaron la estrella también producen enormes fuerzas de fricción que calientan este cuenco de gas y polvo, haciendo que brille intensamente.
Ilustración que muestra un agujero negro supermasivo giratorio rodeado de restos de una estrella muerta y arrastrando consigo el espacio-tiempo (cuadrícula verde)
Además, cuando los agujeros negros supermasivos giran, arrastran consigo el tejido mismo del espacio-tiempo (la unidad cuatridimensional del espacio y el tiempo). Este efecto “Lense-Thirring”, o “efecto de arrastre de fotograma”, significa que nada permanece quieto en el borde de un agujero negro supermasivo que gira. El efecto también provoca una breve “bamboleo” en el disco de acreción recién formado del agujero negro.
Un equipo de investigadores ha descubierto que el “bamboleo” de este disco de acreción puede utilizarse para determinar la velocidad de rotación del agujero negro central. El efecto de arrastre de fotogramas está presente en todos los agujeros negros que giran. Si el destructivo agujero negro gira, entonces el flujo de desechos estelares hacia el agujero negro después del TDE está sujeto a este efecto.
Para el estudio TDE y arrastre de fotogramas, el equipo pasó cinco años buscando ejemplos brillantes y relativamente cercanos de ruptura estelar causada por agujeros negros que pudieran rastrearse rápidamente. El objetivo era detectar signos de precesión del disco de acreción provocada por el efecto Lense-Thirring.
En febrero de 2020, esta búsqueda tuvo éxito. El equipo pudo detectar AT2020ocn, un brillante destello de luz proveniente de una galaxia ubicada a unos mil millones de años luz de distancia. AT2020ocn fue detectado inicialmente en longitudes de onda ópticas por la Instalación Transitoria de Zwicky, y estos datos de luz visible indican que la emisión provino de un TDE que involucra un agujero negro supermasivo con una masa de entre 1 millón y 10 millones de masas solares.
Debido al efecto Lense-Thirring, la emisión de rayos X procedente del disco de acreción caliente recién formado sufre una precesión u “oscila”. Esto aparece como modulaciones de rayos X en los datos. Sin embargo, después de un tiempo, a medida que disminuye el poder de acreción, la gravedad obliga al disco a alinearse con el agujero negro, después de lo cual la oscilación y las modulaciones de rayos X se detienen.
Una ilustración de un agujero negro que destroza una estrella debido a la alteración de las mareas. Una imagen de un agujero negro girando arrastrando consigo el espacio-tiempo. ESA/C. Carreau/Robert Lea
El TDE que desencadenó AT2020ocn podría ser un evento ideal para buscar la precesión Lense-Thirring, y dado que este tipo de oscilación solo está presente durante las primeras etapas de la formación del disco de acreción, tuvieron que actuar rápidamente.
La única forma de observar es que, una vez que se produce una perturbación de marea, hay que obligar al telescopio a mirar ese objeto continuamente durante un tiempo muy largo, para examinar todo tipo de escalas de tiempo, desde minutos hasta meses.
Ahí es donde entra en juego el Neutron Star Interior Composition ExploreR (NICER) de la NASA: un telescopio de rayos X ubicado en la Estación Espacial Internacional (ISS) que mide las emisiones de rayos X alrededor de los agujeros negros y otros objetos masivos compactos y ultradensos, como las estrellas de neutrones. . El equipo descubrió que NICER no sólo pudo captar el TDE, sino que el telescopio de rayos X montado en la ISS también pudo monitorear continuamente el evento a medida que se desarrollaba durante varios meses.
El brillo de los rayos X y la temperatura de la región emisora de rayos X después del TDE se modulan en una escala de tiempo de 15 días. Esta señal de rayos X que se repite durante 15 días desaparece después de tres meses.
Los resultados del estudio también fueron una sorpresa.
Las estimaciones de la masa del agujero negro y de la masa de la estrella destruida mostraron que el agujero negro no gira tan rápido como se esperaba. El agujero negro no gira tan rápido: sólo a menos del 25% de la velocidad de la luz.
Gracias al Observatorio Vera K. Rubin, actualmente en construcción en el norte de Chile, que llevará a cabo un estudio del universo durante 10 años llamado Legacy Survey of Space and Time (LSST), se espera que la búsqueda de TDE tenga un futuro brillante. . Rubin descubrirá miles de TDE durante la próxima década. Si podemos medir la precesión Lense-Thirring de incluso una pequeña porción de ellos, podemos decir algo sobre la distribución de espín de los agujeros negros supermasivos, que está relacionada con cómo han evolucionado a lo largo de la edad del Universo.
Los esquivos agujeros negros de tamaño mediano pueden formarse en densos “nidos de parto”. Los modelos han demostrado que los agujeros negros con masas entre 100 y 10.000 masas solares pueden nacer como resultado de una cadena caótica de colisiones estelares, informa la revista Science.
Los investigadores han descubierto que los esquivos agujeros negros de masa intermedia pueden formarse en densos cúmulos estelares que contienen decenas de miles a millones de estrellas muy compactas llamadas “cúmulos globulares”.
Un agujero negro de masa intermedia tiene una masa de entre 100 y 10.000 soles. Son más pesados que los agujeros negros de masa solar, cuya masa oscila entre 10 y 100 masas solares, pero más ligeros que los agujeros negros supermasivos, que tienen masas equivalentes a millones o incluso miles de millones de soles.
Estos objetos cósmicos intermedios han resultado esquivos para los astrónomos; el primer ejemplo se descubrió en 2012. Designado GCIRS 13E, tiene una masa 1.300 veces la del Sol y está situado a 26.000 años luz, hacia el centro galáctico de la Vía Láctea.
Uno de los misterios que rodean a los agujeros negros de masa intermedia tiene que ver con su formación. Los agujeros negros de masa estelar nacen cuando estrellas masivas colapsan, y los agujeros negros supermasivos crecen a partir de fusiones posteriores de agujeros negros cada vez más grandes. Sin embargo, una estrella lo suficientemente masiva como para morir y crear un agujero negro con miles de masas solares debe ser increíblemente rara y debe luchar para mantener esa masa mientras “muere”.
El cúmulo globular Messier 92, situado a 27.000 años luz de distancia en la constelación de Hércules. ESA/NASA/Hubble
Para explorar el misterio de cómo surgen estos agujeros negros de masa intermedia, un equipo de investigadores realizó las primeras simulaciones estelares de cúmulos masivos. Esto demostró que una nube molecular suficientemente densa, un “nido de maternidad” de cúmulos globulares, puede crear estrellas lo suficientemente masivas como para colapsar y dar origen a un agujero negro de masa intermedia.
“Observaciones anteriores sugirieron que algunos cúmulos estelares masivos, cúmulos globulares, contienen un agujero negro de masa intermedia”, dijo en un comunicado el líder del equipo y científico de la Universidad de Tokio, Michiko Fujii. “Hasta ahora, no ha habido evidencia teórica convincente que respalde la existencia de un agujero negro de masa intermedia con una masa de entre 1.000 y 10.000 masas solares, en comparación con otros menos masivos (masa estelar) y más masivos (supermasivos)”.
El término “nido de maternidad” bien puede evocar imágenes y sentimientos de calidez, comodidad y calma, pero no podría ser menos apropiado para describir la formación de estrellas en cúmulos globulares. Estos conglomerados de estrellas muy compactos viven en el caos y la confusión, y las diferencias de densidad hacen que las estrellas colisionen y se fusionen. Este proceso hace que las estrellas acumulen masa, aumentando así su influencia gravitacional, atrayendo más estrellas a su vecindad y provocando así cada vez más fusiones.
Los procesos desbocados de colisión y fusión que se producen en el núcleo de los cúmulos globulares pueden crear estrellas con una masa equivalente a unos 1.000 soles. Esta masa es suficiente para crear un agujero negro de masa intermedia, pero existe un obstáculo.
Los astrofísicos saben que cuando las estrellas colapsan para formar agujeros negros, gran parte de su masa es arrastrada por explosiones de supernovas o vientos estelares. Simulaciones anteriores de la formación de agujeros negros de masa intermedia han confirmado esto, sugiriendo además que incluso estrellas masivas con una masa de 1.000 masas solares serían demasiado pequeñas para crear un agujero negro de masa intermedia.
La imagen, obtenida como resultado de una simulación por supercomputadora, muestra la formación de un grupo de resina en una nube molecular gigante. Michiko Fuji y Takaaki Takeda, 2024
Para descubrir si una estrella masiva podría sobrevivir con suficiente masa para dar origen a un agujero negro de masa intermedia, Fujii y su equipo simularon un cúmulo globular mientras se formaba.
“Hemos llevado a cabo con éxito simulaciones numéricas de la formación de cúmulos globulares simulando estrellas individuales por primera vez”, dijo Fujii. “Al resolver estrellas individuales con masas realistas para cada una, pudimos reconstruir colisiones estelares en un entorno densamente poblado. Para estas simulaciones, desarrollamos un nuevo código de simulación en el que podríamos integrar millones de estrellas con gran precisión”.
En el cúmulo globular simulado, las colisiones y fusiones desbocadas produjeron estrellas extremadamente masivas que fueron capaces de retener suficiente masa para colapsar y dar origen a un agujero negro de masa intermedia.
El equipo también descubrió que la simulación predijo la relación de masa entre un agujero negro de masa intermedia y el cúmulo globular en el que se forma. Esta relación resulta ser consistente con observaciones astronómicas reales.
“Nuestro objetivo final es simular galaxias enteras”, explicó Fujii. “Sigue siendo difícil simular galaxias del tamaño de la Vía Láctea estudiando estrellas individuales utilizando las supercomputadoras disponibles actualmente. Sin embargo, sería posible modelar galaxias más pequeñas, como las galaxias enanas”.
Fujii y su equipo también pretenden apuntar a cúmulos de estrellas que se formaron en el Universo temprano. “Los primeros cúmulos son también lugares donde pueden nacer agujeros negros de masa intermedia”, afirmó.
¿Las estrellas desaparecen en sus propios agujeros negros? Los científicos han encontrado pruebas convincentes de que algunas estrellas masivas terminan sus vidas sumergiéndose en un agujero negro de su propia creación, sin la luz o la furia de una supernova, informa la revista Physical Review Letters.
Las estrellas generan energía mediante procesos de fusión nuclear en sus núcleos, mediante los cuales convierten el hidrógeno en helio. Cuando las estrellas, que tienen al menos ocho veces la masa de nuestro Sol, se quedan sin este suministro de hidrógeno, comienzan reacciones de fusión que involucran a otros elementos: helio, carbono, oxígeno, etc., hasta que tienen un núcleo inerte de hierro que necesitan. más energía para una reacción de fusión de la que puede producir. En esta etapa, las reacciones de fusión se detienen y la producción de energía que mantiene unida a la estrella se evapora. De repente, la gravedad toma el control y hace que el núcleo colapse, mientras que las capas externas de la estrella rebotan en el núcleo en colapso y explotan hacia afuera, formando una supernova que, en cuestión de semanas, a veces puede brillar más que una galaxia entera.
Mientras tanto, el núcleo que colapsa forma un objeto compacto. Este objeto suele ser una estrella de neutrones en rotación llamada púlsar, pero bajo ciertas condiciones puede ser un agujero negro de masa estelar. Esta es la historia estándar de las líneas de tiempo estelares. Sin embargo, los astrónomos ahora están empezando a pensar que algunas estrellas que producen agujeros negros pueden hacerlo sin convertirse en supernovas.
Ocasionalmente, los investigadores han notado casos de supernovas fallidas: estrellas que comienzan brillando como si estuvieran a punto de explotar, pero luego se desvanecen y se desvanecen. Por otra parte, los estudios de placas fotográficas antiguas del proyecto VASCO (Objetos que aparecen y desaparecen en un siglo de observaciones), liderado por Beatriz Villarroel, han descubierto en estas placas antiguas decenas de estrellas que simplemente ya no son visibles; como si hubieran desaparecido sin dejar rastro.
¿Podrían estas supernovas fallidas y estrellas en desaparición ser evidencia de que las estrellas están siendo absorbidas casi por completo hacia el agujero negro que forman antes de que tengan la oportunidad de explotar? Bueno, tal vez, piensan algunos científicos.
“Si uno se parara y mirara una estrella visible en pleno colapso, podría ser, en el momento justo, como si la estrella se extinguiera repentinamente y desapareciera del cielo”, dijo Alejandro Viña-Gómez del Instituto Max Planck. en Alemania en un comunicado. “De hecho, los astrónomos han observado recientemente la repentina desaparición de estrellas muy brillantes”.
Representación artística de VFTS 243, que incluye una estrella masiva y un agujero negro. ESO/L. Calzada
Si bien esta idea sigue siendo sólo una teoría, ahora cuenta con una fuerte evidencia que la respalda en la forma de un extraño sistema binario estudiado por Viña-Gómez y su equipo. El sistema, denominado VFTS 243, fue descubierto en 2022 y está ubicado en la Nebulosa de la Tarántula, que se encuentra en la Gran Nube de Magallanes; contiene una estrella de 25 masas solares y un agujero negro de 10 masas solares que debe haber sido creado por una estrella masiva que llegó al final de su vida relativamente recientemente, según los estándares cósmicos.
“VFTS 243 es un sistema inusual”, dijo Viña-Gómez. “Aunque VFTS 243 contiene una estrella que colapsó en un agujero negro, no se encontró evidencia de una explosión en ninguna parte.”
Por ejemplo, las órbitas de la estrella y el agujero negro en VFTS 243 alrededor de su centro de masa común siguen siendo casi circulares. Sin embargo, las explosiones de supernova son asimétricas, con un poco más de energía producida en una dirección que en la otra, lo que debería darle al objeto compacto una “patada natal”. Tal empuje aceleraría el objeto compacto, provocando que su órbita se expandiera y se alargara más. Esta sacudida suele oscilar entre 30 y 100 kilómetros (19 a 62 millas) por segundo, pero el agujero negro en VFTS 243 sólo recibió una sacudida de cuatro kilómetros (2,5 millas) por segundo como máximo.
Los efectos de los choques natales se han observado antes en púlsares, pero nunca antes en agujeros negros de masa estelar. Es posible que esto nos diga algo sobre cómo se forman los agujeros negros de masa estelar, y VFTS 243 es la visión más clara hasta ahora de los resultados de este proceso.
Los temblores de nacimiento son el resultado de tres cosas: la expulsión de escombros de la estrella en explosión, la emisión de neutrinos del núcleo de la estrella en colapso y las ondas gravitacionales. Sin embargo, si no hubiera una supernova, no habría escombros, quedando solo neutrinos y ondas gravitacionales, lo que proporcionaría un empuje mucho menor, que es lo que vemos en VFTS 243.
Si esto es cierto, significa que muchas de las estrellas más masivas del Universo que brillan con tanta intensidad terminan sus vidas en una oscuridad silenciosa mientras son absorbidas hacia el olvido por un agujero negro. Este también podría ser el destino final de la estrella superviviente en VFTS 243 cuando llegue al final de su vida.
También hay implicaciones más amplias. La explosión de una supernova es una fábrica de elementos. No sólo se liberan al espacio elementos como el oxígeno, el carbono y el nitrógeno de las capas exteriores de una estrella moribunda, donde pueden reciclarse en la próxima generación de estrellas y planetas, sino que el intenso calor y la energía de una onda de choque de supernova pueden provocar la formación de elementos aún más pesados en los restos de supernova. Por ejemplo, una de las razones por las que las supernovas brillan tanto y durante tanto tiempo es que la desintegración radiactiva de los isótopos de níquel producida en la explosión produce cobalto y hierro.
Sin embargo, si algunas estrellas masivas colapsan completamente en agujeros negros sin explosiones de supernova, entonces no pueden contribuir a la creación y procesamiento de elementos. Por tanto, los cosmoquímicos necesitarán incorporar este concepto, si es realmente correcto, en sus modelos de cómo se forman y distribuyen los elementos en el espacio. Sólo entonces podrán empezar a comprender plenamente la evolución química de las galaxias, incluida la nuestra, y la rapidez con la que se pueden acumular los elementos necesarios para formar planetas como la Tierra, tal vez incluso con vida propia creada a partir de elementos producidos por la explosión de estrellas.
Los científicos han confirmado por primera vez que el propio tejido del espacio-tiempo da un “salto final” en el borde de un agujero negro. La observación de esta región que se mueve rápidamente alrededor de los agujeros negros fue llevada a cabo por astrofísicos del departamento de física de la Universidad de Oxford y ayudó a confirmar una predicción clave de la teoría de la gravedad de Albert Einstein de 1915: la relatividad general, informa la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
El equipo de Oxford hizo el descubrimiento centrándose en las regiones que rodean los agujeros negros de masa estelar en sistemas binarios con estrellas compañeras ubicadas relativamente cerca de la Tierra. Los investigadores utilizaron datos de rayos X recopilados de varios telescopios espaciales, incluido el Telescopio Espectroscópico Nuclear de la NASA (NuSTAR) y el Explorador de Composición Interior de Estrellas de Neutrones (NICER) de la Estación Espacial Internacional.
Estos datos les permitieron determinar el destino del gas ionizado caliente y del plasma desprendidos de la estrella compañera, que se hundió por última vez en el borde mismo del agujero negro asociado. Los resultados mostraron que estas regiones sumergidas alrededor del agujero negro albergan algunos de los puntos de influencia gravitacional más fuertes jamás observados en nuestra galaxia, la Vía Láctea.
“Este es el primer vistazo a cómo el plasma arrancado del borde exterior de una estrella sufre su caída final hacia el centro de un agujero negro, un proceso que ocurre en un sistema a unos 10.000 años luz de distancia”, dijo el líder del equipo y físico de la Universidad de Oxford. Andrew Mummery en un comunicado. “La teoría de Einstein predijo que este colapso final se produciría, pero esta es la primera vez que hemos podido demostrar que ocurre”.
Una estrella “ordinaria” se encuentra en un sistema binario con un agujero negro, cuya masa se deriva del primero al segundo. ICRAR
“Imagínese un río que se convierte en una cascada; hasta ahora hemos estado mirando el río. Este es nuestro primer vistazo a la cascada”.
La teoría general de la relatividad de Einstein sugiere que los objetos con masa hacen que el tejido mismo del espacio y el tiempo, combinados en una única entidad de cuatro dimensiones llamada “espaciotiempo”, se doble. La gravedad surge de la curvatura resultante.
Aunque la relatividad general funciona en 4D, se puede ilustrar vagamente con una burda analogía 2D. Imagínese colocar esferas de masa creciente sobre una lámina de goma estirada. Una pelota de golf dejará una pequeña abolladura, casi imperceptible; una pelota de cricket dejará una gran abolladura; y la bola de bolos es una gran abolladura. Esto es análogo a cómo las lunas, los planetas y las estrellas “presionan” el espacio-tiempo 4D. A medida que aumenta la masa de un objeto, también aumenta la curvatura que provoca y, por tanto, aumenta su influencia gravitacional. El agujero negro parecerá una bala de cañón sobre esta lámina de goma similar.
Con masas equivalentes a decenas o incluso cientos de soles comprimidos en ancho cerca de la Tierra, la curvatura del espacio-tiempo y la influencia gravitacional de los agujeros negros de masa estelar pueden llegar a ser bastante extremas. Los agujeros negros supermasivos, por otro lado, son una historia completamente diferente. Son extremadamente masivos, con masas equivalentes a millones o incluso miles de millones de soles, empequeñeciendo incluso a sus homólogos de masa estelar.
Volviendo a la relatividad general, Einstein propuso que esta curvatura del espacio-tiempo conduce a otras físicas interesantes. Por ejemplo, dijo, debe haber un punto justo más allá del borde de un agujero negro donde las partículas no pueden seguir una órbita circular o estable. En cambio, la materia que entre en esta región se precipitará hacia el agujero negro a una velocidad cercana a la de la luz.
La ilustración muestra un agujero negro que provoca una deformación “hundida” en el espacio-tiempo. Robert Lee
Comprender la física de la materia en esta hipotética región de un agujero negro que se hunde ha sido el objetivo de los astrofísicos durante algún tiempo. Para resolver este problema, el equipo de Oxford examinó lo que sucede cuando existen agujeros negros en un sistema binario con una estrella “normal”.
Si las dos estrellas están lo suficientemente cerca, o si la estrella está ligeramente inflada, la atracción gravitacional del agujero negro puede arrancar el material estelar. Debido a que este plasma tiene momento angular, no puede caer directamente sobre el agujero negro, por lo que forma una nube aplanada y giratoria alrededor del agujero negro llamada disco de acreción.
Desde este disco de acreción, la materia fluye gradualmente hacia el agujero negro. Según los modelos de alimentación de los agujeros negros, debería existir un punto llamado órbita circular estable interior (CIUO), el último punto en el que la materia puede permanecer girando de forma estable en el disco de acreción. Cualquier asunto más allá de esto está en la “región de inmersión” y comienza su inevitable descenso hacia las fauces del agujero negro. El debate sobre si alguna vez se podría descubrir esta región que se hunde se resolvió cuando el equipo de Oxford descubrió emisiones de los discos de acreción ISCO alrededor de un agujero negro binario de la Vía Láctea llamado MAXI J1820+070.
Ubicado a unos 10.000 años luz de la Tierra y con la masa de unos ocho soles, el componente del agujero negro de MAXI J1820+070 está succionando material de su compañero estelar mientras dispara simultáneamente dos chorros a aproximadamente el 80% de la velocidad de la luz; también produce fuertes rayos X.
El equipo descubrió que el espectro de rayos X de MAXI J1820+070 se encuentra en el “estado suave” del estallido, que es la emisión del disco de acreción que rodea el agujero negro de Kerr en rotación: todo el disco de acreción, incluida la región sumergida.
Los investigadores dicen que este escenario representa la primera detección confiable de radiación de una región en subducción en el borde interior del disco de acreción de un agujero negro; A esas señales las llaman “emisiones intra-CIUO”. Estas emisiones dentro de la CIUO confirman la precisión de la relatividad general al describir las regiones que rodean inmediatamente los agujeros negros.
Para continuar esta investigación, un equipo independiente del Departamento de Física de Oxford está colaborando con la Iniciativa Europea del Telescopio Milimétrico Africano. Este telescopio debería ampliar la capacidad de los científicos para obtener imágenes directas de los agujeros negros y permitirles estudiar las regiones en subducción de los agujeros negros más distantes.
“Lo que es realmente emocionante es que hay muchos agujeros negros en la galaxia, y ahora tenemos un nuevo y poderoso método para usarlos para estudiar los campos gravitacionales más fuertes conocidos”, concluyó Mummery.
Los físicos consideran que los agujeros negros se encuentran entre los objetos más misteriosos que existen. Irónicamente, también se consideran uno de los más sencillos. Durante años, los físicos han intentado demostrar que los agujeros negros son más complejos de lo que parecen.
Las investigaciones realizadas en la década de 1970 muestran que es posible describir exhaustivamente un agujero negro utilizando sólo tres atributos físicos: su masa, carga y giro. Todas las demás propiedades de estas estrellas masivas moribundas, como su composición detallada, perfiles de densidad y temperatura, desaparecen cuando se convierten en un agujero negro. Así de simples son.
La idea de que los agujeros negros sólo tienen tres atributos se llama teorema sin pelo, lo que implica que no tienen ninguna de las características peludas que los hacen complejos.
Durante décadas, los investigadores de la comunidad de astrofísica han utilizado lagunas jurídicas o soluciones alternativas dentro de los supuestos del teorema de la ausencia de pelo para idear posibles escenarios de agujeros negros peludos. Un agujero negro peludo tiene una propiedad física que los científicos pueden medir -en principio- que va más allá de su masa, carga o giro. Esta propiedad debe ser parte permanente de su estructura.
Hace aproximadamente una década, Stefanos Aretakis, físico que ahora trabaja en la Universidad de Toronto, demostró matemáticamente que un agujero negro que contenga la carga máxima que puede contener (llamado agujero negro extremadamente cargado) desarrollará “pelos” en su horizonte. El horizonte de un agujero negro es una frontera más allá de la cual nada de lo que lo cruza, ni siquiera la luz, puede traspasar.
La nave espacial LISA observa ondas gravitacionales desde una fuente distante mientras orbitan alrededor del Sol. Simon Bark/Universidad de Florida, CC BY
El análisis de Aretakis fue más bien un experimento mental que utilizaba un escenario físico muy simplificado, por lo que no es algo que los científicos esperarían observar astrofísicamente. Pero los agujeros negros sobrealimentados tal vez no sean los únicos que pueden tener pelo.
Dado que se sabe que los objetos astrofísicos, como las estrellas y los planetas, giran, los científicos esperan que los agujeros negros también giren en función de cómo se forman. Los datos astronómicos han demostrado que los agujeros negros tienen espín, aunque los investigadores no saben cuál es el valor de espín típico de un agujero negro astrofísico.
Una onda gravitacional es una pequeña perturbación en el espacio-tiempo, generalmente causada por eventos astrofísicos violentos en el Universo. Las colisiones de objetos astrofísicos compactos, como agujeros negros y estrellas de neutrones, emiten fuertes ondas gravitacionales. Una red internacional de observatorios de ondas gravitacionales, incluido el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser en los Estados Unidos, detecta periódicamente estas ondas.
Ilustración de un agujero negro supermasivo. NASA/JPL
En enero de 2024, la Agencia Espacial Europea aceptó oficialmente la misión LISA (Laser Interferometer Space Array), que buscará ondas gravitacionales. El lanzamiento está previsto para 2035. LISA consta de tres naves espaciales configuradas en un triángulo equilátero perfecto que seguirán a la Tierra alrededor del Sol. Las naves espaciales estarán separadas por 2,5 millones de kilómetros (1,6 millones de millas) e intercambiarán rayos láser para medir la distancia de cada uno con una precisión de una milmillonésima de pulgada.
LISA detectará ondas gravitacionales de agujeros negros supermasivos que son millones o incluso miles de millones de veces más masivos que nuestro Sol. Mapeará el espacio-tiempo alrededor de los agujeros negros en rotación, ayudando a los físicos a comprender cómo funciona la gravedad en las inmediaciones de los agujeros negros con una precisión sin precedentes. Los físicos esperan que LISA también pueda medir cualquier atributo peludo que puedan tener los agujeros negros.
¿Alguna vez te has preguntado qué sucede cuando caes en un agujero negro? Ahora, gracias a una nueva e impresionante visualización creada en la supercomputadora de la NASA, los espectadores pueden sumergirse en el horizonte de sucesos, el punto sin retorno de un agujero negro.
“La gente pregunta mucho sobre esto, y modelar estos procesos difíciles de imaginar me ayuda a conectar las matemáticas de la relatividad con las consecuencias del mundo real en el universo real”, dijo Jeremy Schnittman, astrofísico del Centro de Vuelos Espaciales Goddard en Greenbelt. Maryland, quien creó las visualizaciones. “Así que simulé dos escenarios diferentes: uno en el que la cámara (el sustituto del atrevido astronauta) simplemente no alcanza el horizonte de sucesos y rebota, y otro en el que cruza el límite, sellando su destino”.
Las visualizaciones están disponibles en varias formas. Los videos explicativos actúan como guías turísticas y destacan los extraños efectos de la teoría de la relatividad general de Einstein. Las versiones presentadas como vídeos de 360 grados permiten a los espectadores mirar a su alrededor mientras viajan, mientras que otras se muestran como mapas planos de todo el cielo.
Para crear las visualizaciones, Schnittman se asoció con el científico de Goddard Brian Powell y utilizó la supercomputadora Discover en el Centro de Modelado Climático de la NASA. El proyecto generó alrededor de 10 terabytes de datos (equivalente a aproximadamente la mitad del contenido de texto estimado en la Biblioteca del Congreso) y tardó unos cinco días en ejecutarse en sólo el 0,3% de los 129.000 procesadores de Discover. A una computadora portátil normal le tomaría más de una década lograr la misma hazaña.
El objetivo es un agujero negro supermasivo con una masa 4,3 millones de veces la masa de nuestro Sol, equivalente al monstruo ubicado en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
“Si tienes la opción, querrás caer en un agujero negro supermasivo”, explicó Schnittman. “Los agujeros negros de masa estelar, que contienen hasta 30 masas solares, tienen horizontes de sucesos mucho más pequeños y fuerzas de marea más fuertes que pueden destrozar los objetos entrantes antes de que alcancen el horizonte”.
Esto sucede porque la atracción gravitacional en el extremo del objeto que está más cerca del agujero negro es mucho más fuerte que en el otro extremo. Los objetos que caen se estiran como fideos, un proceso que los astrofísicos llaman espaguetificación.
El horizonte de sucesos del agujero negro simulado abarca aproximadamente 16 millones de millas (25 millones de kilómetros), o aproximadamente el 17% de la distancia entre la Tierra y el Sol. Una nube plana y arremolinada de gas caliente y brillante llamada disco de acreción lo rodea y sirve como señal visual mientras cae. Lo mismo ocurre con las estructuras luminosas llamadas anillos de fotones, que se forman más cerca del agujero negro a partir de la luz que lo rodea una o más veces. Un fondo de cielo estrellado, visible desde la Tierra, completa la escena.
A medida que la cámara se acerca al agujero negro, alcanzando velocidades cada vez más cercanas a la velocidad de la luz, el brillo del disco de acreción y las estrellas del fondo aumentan de tono de la misma manera que aumenta de tono el sonido de un auto de carreras que se acerca. Su luz parece más brillante y blanca cuando se mira en la dirección de la marcha.
Las películas comienzan con la cámara a casi 400 millones de millas (640 millones de kilómetros) de distancia mientras un agujero negro llena rápidamente el campo de visión. En el camino, el disco del agujero negro, los anillos de fotones y el cielo nocturno se distorsionan cada vez más, e incluso forman múltiples imágenes a medida que su luz atraviesa un espacio-tiempo cada vez más curvo.
En tiempo real, la cámara cae hasta el horizonte de sucesos en aproximadamente 3 horas, realizando casi dos rotaciones completas de 30 minutos a lo largo del camino. Pero para cualquier observador desde lejos, ella nunca llegará allí. A medida que el espacio-tiempo se distorsiona cada vez más cerca del horizonte, la imagen de la cámara se ralentiza y luego parece congelarse justo frente a él. Esta es la razón por la que los astrónomos originalmente llamaron a los agujeros negros “estrellas congeladas”.
En el horizonte de sucesos, incluso el propio espacio-tiempo fluye hacia adentro a la velocidad de la luz, el límite de velocidad cósmica. Una vez dentro, tanto la cámara como el espacio-tiempo en el que se mueve se precipitan hacia el centro del agujero negro, un punto unidimensional llamado singularidad, donde las leyes de la física tal como las conocemos dejan de aplicarse.
“Una vez que la cámara cruza el horizonte, es destruida por espaguetificación en sólo 12,8 segundos”, dijo Schnittman. A partir de ahí, la singularidad es de sólo 79.500 millas (128.000 kilómetros). Este último tramo del viaje termina en un abrir y cerrar de ojos.
En un escenario alternativo, la cámara orbita cerca del horizonte de sucesos, pero nunca lo cruza ni escapa a un lugar seguro. Si una astronauta hubiera pilotado la nave espacial en este viaje circular de seis horas mientras sus compañeros de la nave nodriza permanecían lejos del agujero negro, habría regresado 36 minutos más joven que sus compañeros. Esto se debe a que el tiempo se mueve más lento cerca de una fuente gravitacional fuerte y cuando se mueve cerca de la velocidad de la luz.