Una realidad que parece fantasía
Jorge Casares / 25-03-2008
Los agujeros negros son probablemente los objetos más extraños que existen en el Universo. Son cuerpos invisibles que no emiten ningún tipo de radiación. No tienen tamaño, pero sí masa lo que, dicho sea de paso, hace posible su detección. Objetos con tales propiedades parecen ser más producto de la imaginación humana que objetos astrofísicos reales. Sin embargo, son astros tan concretos como el Sol y la Luna. Permiten, además, explicar fenómenos extremos, como la aceleración de partículas a velocidades relativistas o la liberación de grandes cantidades de radiación muy energética. Estos fenómenos se observan cotidianamente, por ejemplo en las fuentes galácticas de rayos X o en los núcleos de galaxias activas. En estas líneas muestro las mejores evidencias que tenemos los astrónomos de la existencia de los agujeros negros, comento las técnicas que utilizamos para su detección y presento los mejores casos.
Como a menudo sucede en la investigación, los agujeros negros fueron primero imaginados y después encontrados. Se concibieron como entes teóricos mucho antes de que empezáramos a tener las primeras evidencias observacionales de su existencia. En las postrimerías del siglo XVIII, los astrónomos John Michell y Pierre Laplace utilizan el concepto clásico de velocidad de escape para sugerir que podrían existir estrellas tan masivas que ni siquiera la luz consigue escapar a su atracción gravitatoria. Estas estrellas oscuras cayeron completamente en el olvido hasta que fueron rescatadas por la teoría de la Relatividad General y, más concretamente, por la solución de Schwarzschild, planteada en 1916. En este contexto, los objetos gravitantes deforman el Espacio-Tiempo tanto más cuanto mayor sea su masa. Todos los objetos tienen un radio crítico, conocido como "radio de Schwarzschild" u "horizonte de sucesos". Si se comprime toda la masa en el interior de su radio de Schwarzschild, la deformación se hace extrema y los rayos de luz, que siguen trayectorias geodésicas, quedan atrapados en su interior.
La existencia de agujeros negros viene también avalada por la teoría de la evolución estelar: sabemos que las estrellas más masivas de 8 masas solares explotan como supernovas y dejan residuos compactos. Normalmente estos residuos son estrellas de neutrones de 1,4 masas solares que se manifiestan por la presencia de pulsos radio o estallidos en rayos X. Estas propiedades son un signo inequívoco de la presencia de una superficie sólida. Sin embargo, si la supernova no consigue expulsar toda la envoltura, parte de ella caerá sobre el núcleo y dejará un residuo aún más masivo. Los modelos de estrellas de neutrones, por su parte, predicen que éstas dejan de ser estables por encima de 3 masas solares y colapsan a agujeros negros. El retrato robot de un agujero negro queda, pues, perfilado por tres rasgos esenciales: una compactación muy alta (es decir una gran acumulación de materia en un volumen muy pequeño), una masa superior a 3 masas solares y la ausencia de una superficie sólida.
Pero no fue hasta finales de los años 60 que empezamos a tener las primeras evidencias de agujeros negros. Los primeros satélites de rayos X descubren una población de varios cientos de fuentes en la Galaxia que emiten grandes cantidades de energía en forma de rayos X. La manera más eficiente de explicar tales flujos es a través de la acreción de materia sobre una estrella muy compacta. Durante este proceso, el gas es acelerado, comprimido y calentado hasta alcanzar temperaturas de varios millones de grados, lo que explica la emisión de rayos X.
Inmediatamente se comprobó que algunas de estas fuentes eran sistemas binarios en los que una estrella normal orbita en torno a un objeto compacto. La estrella se deforma por la acción de las fuerzas de marea y transfiere parte de su atmósfera sobre la estrella compacta, alimentando así la emisión en rayos X. Analizando el movimiento de la estrella "donante" y aplicando las leyes de Newton podemos estimar la masa de la estrella compacta o, más concretamente, un límite inferior riguroso.
Utilizando esta sencilla técnica, en los años 70 y 80 se identificaron 3 binarias de rayos X con objetos compactos más masivos que 3 masas solares y, por tanto, fuertes candidatos a agujeros negros: Cyg X-1, LMC X-3 y A0620-00. Sin embargo, para explicar estas observaciones, se propusieron también modelos alternativos que sustituían al agujero negro por 2 estrellas compactas o nuevos modelos de estrellas de neutrones "exóticas", estables hasta 5 masas solares. La polémica estaba servida. En este contexto, la detección de una estrella compacta con una masa superior a 5 masas solares fue propuesta como el nuevo "Santo Grial en la búsqueda de agujeros negros".
En el año 1989, el satélite de rayos X Ginga descubrió una nueva fuente de rayos X de gran luminosidad, de nombre V404 Cyg. Dos años después, utilizando el telescopio de 4,2 m William Herschel, situado en el Observatorio del Roque de Los Muchachos (La Palma), conseguimos detectar a la estrella "donante" y estudiar su movimiento. Esta estrella se desplaza a más de 208 km/s y completa su órbita alrededor del objeto compacto en 6,5 días. Estos números implican que el objeto compacto es más masivo que 6 masas solares y convierte, por tanto, a V404 Cyg en el Santo Grial de los agujeros negros.
Desde entonces se han identificado otros 19 sistemas binarios de rayos X con objetos compactos masivos, y hoy nadie cuestiona ya que se trata de auténticos agujeros negros. Utilizando diversas técnicas se han podido medir sus masas con relativa precisión, y éstas se distribuyen entre 4 y 14 masas solares. Por su parte, todas las masas de estrellas de neutrones medidas hasta ahora se sitúan en torno a 1,4 masas solares. Además, ninguno de estos agujeros negros emite pulsos radio ni estallidos en rayos X, de lo que se desprende que no tienen superficie sólida. Estimamos que existen unos 100 millones de agujeros negros en la Galaxia, pero sólo unos pocos miles forman parte de sistemas binarios de rayos X y son, por tanto, detectables a través de su influencia gravitatoria.
Hace poco hemos asistido a uno de los descubrimientos más espectaculares en Astrofísica, la demostración de la existencia de un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra Galaxia: Sagitario A. Utilizando la tecnología de Óptica Adaptativa con el mayor complejo de telescopios del mundo (los VLT, Very Large Telescope, en Chile) ha sido posible medir directamente la órbita de varias estrellas cercanas a Sagitario A. Del estudio de su movimiento se deduce que éste encierra una masa de tres millones de masas solares en un volumen comparable a nuestro Sistema Solar. La presencia de un agujero negro supermasivo es la única explicación posible para una concentración de materia tan elevada en un volumen tan reducido.
Actualmente sabemos que los núcleos de otras galaxias contienen también agujeros negros supermasivos, con masas comprendidas entre un millón y mil millones de masas solares. Cuando estos agujeros negros acrecionan materia de su entorno emiten flujos extraordinarios de rayos X y se identifican como galaxias activas y quasares. En ocasiones, la extraordinaria resolución del telescopio espacial Hubble ha permitido obtener imágenes del gigantesco disco de acreción que alimenta a estos agujeros negros supergigantes, como en el caso de la galaxia NGC 7052.
Hoy en día, (2008)los agujeros negros ya no son una especulación científica ni objetos de ciencia ficción. Cada vez acumulamos más evidencias de su existencia y son, además, necesarios para explicar los fenómenos más energéticos del Universo. De momento sólo hemos detectado la punta del iceberg pero esperamos ampliar la muestra con la puesta en marcha de nuevos equipamientos y tecnologías como el Gran Telescopio CANARIAS, la interferometría desde satélites o los detectores de ondas gravitatorias. El futuro se presenta apasionante.
Jorge Casares / 25-03-2008
Los agujeros negros son probablemente los objetos más extraños que existen en el Universo. Son cuerpos invisibles que no emiten ningún tipo de radiación. No tienen tamaño, pero sí masa lo que, dicho sea de paso, hace posible su detección. Objetos con tales propiedades parecen ser más producto de la imaginación humana que objetos astrofísicos reales. Sin embargo, son astros tan concretos como el Sol y la Luna. Permiten, además, explicar fenómenos extremos, como la aceleración de partículas a velocidades relativistas o la liberación de grandes cantidades de radiación muy energética. Estos fenómenos se observan cotidianamente, por ejemplo en las fuentes galácticas de rayos X o en los núcleos de galaxias activas. En estas líneas muestro las mejores evidencias que tenemos los astrónomos de la existencia de los agujeros negros, comento las técnicas que utilizamos para su detección y presento los mejores casos.
Como a menudo sucede en la investigación, los agujeros negros fueron primero imaginados y después encontrados. Se concibieron como entes teóricos mucho antes de que empezáramos a tener las primeras evidencias observacionales de su existencia. En las postrimerías del siglo XVIII, los astrónomos John Michell y Pierre Laplace utilizan el concepto clásico de velocidad de escape para sugerir que podrían existir estrellas tan masivas que ni siquiera la luz consigue escapar a su atracción gravitatoria. Estas estrellas oscuras cayeron completamente en el olvido hasta que fueron rescatadas por la teoría de la Relatividad General y, más concretamente, por la solución de Schwarzschild, planteada en 1916. En este contexto, los objetos gravitantes deforman el Espacio-Tiempo tanto más cuanto mayor sea su masa. Todos los objetos tienen un radio crítico, conocido como "radio de Schwarzschild" u "horizonte de sucesos". Si se comprime toda la masa en el interior de su radio de Schwarzschild, la deformación se hace extrema y los rayos de luz, que siguen trayectorias geodésicas, quedan atrapados en su interior.
La existencia de agujeros negros viene también avalada por la teoría de la evolución estelar: sabemos que las estrellas más masivas de 8 masas solares explotan como supernovas y dejan residuos compactos. Normalmente estos residuos son estrellas de neutrones de 1,4 masas solares que se manifiestan por la presencia de pulsos radio o estallidos en rayos X. Estas propiedades son un signo inequívoco de la presencia de una superficie sólida. Sin embargo, si la supernova no consigue expulsar toda la envoltura, parte de ella caerá sobre el núcleo y dejará un residuo aún más masivo. Los modelos de estrellas de neutrones, por su parte, predicen que éstas dejan de ser estables por encima de 3 masas solares y colapsan a agujeros negros. El retrato robot de un agujero negro queda, pues, perfilado por tres rasgos esenciales: una compactación muy alta (es decir una gran acumulación de materia en un volumen muy pequeño), una masa superior a 3 masas solares y la ausencia de una superficie sólida.
Pero no fue hasta finales de los años 60 que empezamos a tener las primeras evidencias de agujeros negros. Los primeros satélites de rayos X descubren una población de varios cientos de fuentes en la Galaxia que emiten grandes cantidades de energía en forma de rayos X. La manera más eficiente de explicar tales flujos es a través de la acreción de materia sobre una estrella muy compacta. Durante este proceso, el gas es acelerado, comprimido y calentado hasta alcanzar temperaturas de varios millones de grados, lo que explica la emisión de rayos X.
Inmediatamente se comprobó que algunas de estas fuentes eran sistemas binarios en los que una estrella normal orbita en torno a un objeto compacto. La estrella se deforma por la acción de las fuerzas de marea y transfiere parte de su atmósfera sobre la estrella compacta, alimentando así la emisión en rayos X. Analizando el movimiento de la estrella "donante" y aplicando las leyes de Newton podemos estimar la masa de la estrella compacta o, más concretamente, un límite inferior riguroso.
Utilizando esta sencilla técnica, en los años 70 y 80 se identificaron 3 binarias de rayos X con objetos compactos más masivos que 3 masas solares y, por tanto, fuertes candidatos a agujeros negros: Cyg X-1, LMC X-3 y A0620-00. Sin embargo, para explicar estas observaciones, se propusieron también modelos alternativos que sustituían al agujero negro por 2 estrellas compactas o nuevos modelos de estrellas de neutrones "exóticas", estables hasta 5 masas solares. La polémica estaba servida. En este contexto, la detección de una estrella compacta con una masa superior a 5 masas solares fue propuesta como el nuevo "Santo Grial en la búsqueda de agujeros negros".
En el año 1989, el satélite de rayos X Ginga descubrió una nueva fuente de rayos X de gran luminosidad, de nombre V404 Cyg. Dos años después, utilizando el telescopio de 4,2 m William Herschel, situado en el Observatorio del Roque de Los Muchachos (La Palma), conseguimos detectar a la estrella "donante" y estudiar su movimiento. Esta estrella se desplaza a más de 208 km/s y completa su órbita alrededor del objeto compacto en 6,5 días. Estos números implican que el objeto compacto es más masivo que 6 masas solares y convierte, por tanto, a V404 Cyg en el Santo Grial de los agujeros negros.
Desde entonces se han identificado otros 19 sistemas binarios de rayos X con objetos compactos masivos, y hoy nadie cuestiona ya que se trata de auténticos agujeros negros. Utilizando diversas técnicas se han podido medir sus masas con relativa precisión, y éstas se distribuyen entre 4 y 14 masas solares. Por su parte, todas las masas de estrellas de neutrones medidas hasta ahora se sitúan en torno a 1,4 masas solares. Además, ninguno de estos agujeros negros emite pulsos radio ni estallidos en rayos X, de lo que se desprende que no tienen superficie sólida. Estimamos que existen unos 100 millones de agujeros negros en la Galaxia, pero sólo unos pocos miles forman parte de sistemas binarios de rayos X y son, por tanto, detectables a través de su influencia gravitatoria.
Hace poco hemos asistido a uno de los descubrimientos más espectaculares en Astrofísica, la demostración de la existencia de un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra Galaxia: Sagitario A. Utilizando la tecnología de Óptica Adaptativa con el mayor complejo de telescopios del mundo (los VLT, Very Large Telescope, en Chile) ha sido posible medir directamente la órbita de varias estrellas cercanas a Sagitario A. Del estudio de su movimiento se deduce que éste encierra una masa de tres millones de masas solares en un volumen comparable a nuestro Sistema Solar. La presencia de un agujero negro supermasivo es la única explicación posible para una concentración de materia tan elevada en un volumen tan reducido.
Actualmente sabemos que los núcleos de otras galaxias contienen también agujeros negros supermasivos, con masas comprendidas entre un millón y mil millones de masas solares. Cuando estos agujeros negros acrecionan materia de su entorno emiten flujos extraordinarios de rayos X y se identifican como galaxias activas y quasares. En ocasiones, la extraordinaria resolución del telescopio espacial Hubble ha permitido obtener imágenes del gigantesco disco de acreción que alimenta a estos agujeros negros supergigantes, como en el caso de la galaxia NGC 7052.
Hoy en día, (2008)los agujeros negros ya no son una especulación científica ni objetos de ciencia ficción. Cada vez acumulamos más evidencias de su existencia y son, además, necesarios para explicar los fenómenos más energéticos del Universo. De momento sólo hemos detectado la punta del iceberg pero esperamos ampliar la muestra con la puesta en marcha de nuevos equipamientos y tecnologías como el Gran Telescopio CANARIAS, la interferometría desde satélites o los detectores de ondas gravitatorias. El futuro se presenta apasionante.
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