« ¡¡Supercuerdas!! ¿Qué es eso?

La técnica de la interferometría de muy larga base a longitudes de onda milimétricas (mm-VLBI) ha permitido obtener imágenes de los motores centrales de las galaxias activas con una resolución angular de decenas de microsegundos de arco. Para aquellos objetos más cercanos (M87, SgrA) se obtienen resoluciones lineales del orden de las decenas de Radios de Schwarzschild, lo que permite estudiar con detalle único la vecindad de los agujeros negros  supermasivos.

Al sintonizar hacia el centro de la Vía Láctea, los radioastrónomos exploran un lugar complejo y misterioso donde está SgrA que…¡Esconde un Agujero Nefro descomunal! Las observaciones astronómicas utilizando la técnica de Interferometría de muy larga base, a longitudes de onda milimétricas proporcionan una resolución angular única en Astronomía. De este modo, observando a 86 GHz se consigue una resolución angular del orden de 40 microsegundos de arco, lo que supone una resolución lineal de 1 año-luz para una fuente con un corrimiento al rojo z = 1, de 10 días-luz para una fuente con un corrimiento al rojo de z = 0,01 y de 10 minutos-luz (1 Unidad Astronómica) para una fuente situada a una distancia de 8 Kpc (1 parcec = 3,26 años-luz), la distancia de nuestro centro galáctico. Debemos resaltar que con la técnica de mm-VLBI disfrutamos de una doble ventaja: por un lado alcanzamos una resolución de decenas de microsegundos de arco, proporcionando imágenes muy detalladas de las regiones emisoras y, por otro, podemos estudiar aquellas regiones que son parcialmente opacas a longitudes de onda más larga.

El Telescopio Espacio Hubble capta la Imagen de un chorro de 5000 años-luz de longitud que está siendo eyectado del núcleo activo de la galaxia M87  (una radiogalaxia). La radiación sincrotrón del chorro (azul) contrasta con la luz estelar de la galaxia albergadora (amarillo). Crédito: NASA/ESA.

Las galaxias activas tienen nucleos que brillan tanto, que pueden llegar a ser más luminosos que las galaxias que los alberga. Estas galaxias activas sae caracterizan porque en sus núcleos ocurren procesos no-térmicos que liberan enormes cantidades de energía que parece provenir de una región muy pequeña y brillante situada en el corazón de la galaxia.

Son muchos los indicios que favorecen la hipótesis de que tales objetos son agujeros negros muy masivos (del orden de 100-1000 millones de veces la masa del Sol), con un tamaño de 1 minuto-luz o varios días-luz. La enorme fuerza gravitatoria que ejercen estos agujeros negros atrae el gas y las estrellas de las inmediaciones, formando el denominado disco de acrecimiento que está en rotación diferencial en torno al objeto masivo.

El modelo de “Agujero Negro + disco de acrecimiento” es el más satisfactorio hoy día para explicar las propiedades de los núcleos activos de galaxias. Un aspecto muy destacado en la morfología de las regiones compactas de los núcleos activos es la presencia de una intensa emisión radio en forma de chorros (los denominados Jets relativistas), que están formados por un plasma de partículas relativistas que emanan del núcleo central y viajan hasta distancias de varios megaparsec.

Jet relativista de un AGN. Creditos: Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, New Jersey

Estos Jets son los aceleradores de partículas más energéticos del Cosmos. Sin embargo, todavía se desconoce como se generan, aceleran y coliman, si bien a través de simulaciones magnetohidrodinámicas se conoce que el campo magnético juega un papel fundamental en estos procesos. La técnica de mm-VLBI proporciona imágenes directas y nítidas de las regiones nucleares de las galaxias activas y acotan tanto el tamaño de los núcleos como la anchura de los chorros en la vecindad del agujero negro supermasivo. De hecho, las resoluciones angulares proporcionadas por mm-VLBI corresponderían a escalas lineales del orden de miles, centenares y decenas de Radios de Schwarzschild dependiendo de la distancia y la masa del agujero negro.

Existen algunos casos espectaculares, las imágenes obtenidas con mm-VLBI trazán los chorros relativistas a escalas del subparsec, cartografiando los motores centrales de las fuentes compactas con una resolución lineal tal que nos permite acercarnos a la última órbita estable en torno al agujero negrosupermasivo. Podemos mencionar algunos casos espectaculares que han dejado asombrados a propiso y extraños.

Mrk 501: Es una radiogalaxia situada a un corrimiento al rojo de z = 0.oo34. La masa del agujero negrocentral es del orden de mil millones de masas solares, por lo que el tamaño del radio de Schwarzschild es de 0,12 días-luz. Las observaciones con mm-VLBI a 86 GHz, muestra que su núcleo es muy compacto. El tamaño del núcleo de la radiofuente se puede establecer en 0,03 pc.

M87: La galaxia M87 está situada a la una distancia de 16,75 Mpc tiene un agujero negro situado en la región nuclear con una masa del orden de los 3.000 millones de masas solares, lo que implica que el tamaño del Radio de Schwarzschild es de 0,34 días-luz, Las observaciones interferométricas a 45 y 43 GHz han mostrado la presencia de un chorro relativista, en la que se observan dos fenómenos muy relevantes: i) en la base del jet, el ángulo de apertura es muy grande, lo que indicaría que el chorro vuelve a recolimarse a una cierta distancia del Agujero Negro central; ii) el chorro presenta fuerte emisión en sus bordes (fenómeno conocido como “edge brightening”, mientras que presenta emisión muy débil en su interior.

Todo esto lleva consigo una serie de implicaciones y parámetros de tipo técnicos que no son al caso destacar aquí.

 En el centro galáctico de la Vía Láctea ocurren fenómenos que han sido profundamente investigados y, allí habita un agujero negro que tiene 150 millones de kilómetros de diámetro. ¿Os podéis imaginar la cantidad de materia que la fuerza de gravedad que genera tal monstruo podrá engullir?

Las observaciones de VLBI a longitudes de onda centimétricas han mostrado que SgrA, la radiofuente compacta en el centro de nuestra Galaxia, tiene un tamaño angular que escala con la longitud de onda al cuadrado, resultado que se interpreta físicamente considerando que la estructura que detectamos para SgrA no es su estructura intrínseca sino la imagen resultado de la interacción de su emisión de radio con sus electrones interestelares de la región interna de la Galaxia (lo que técnicamente se conoce como el “disco de scattering”. Las observaciones con mm-VLBI a 86 GHz han permitido determinar por primera vez el tamaño intrínseco de SgrA que ha resultado ser de 1,01 Unidades Astronómicas.

Considerando que SgrA se encuentra a una distancia de 8 Kpc y que su masa es de 4 millones de masas solares, este tamaño lineal corresponde a 12,6 Radios de Schwarzschild. Con todo esto, vengo a decir que estamos ya en la misma vecindad de los agujeros negros y, lo único que tenemos que despejar es la incognita que nos pueda crear el efecto del que nos habla la Relatividad General cuando establece que la raqdiación proveniente de una superficie esférica a una cierta distancia del agujero negro, sufriría un proceso de lente gravitacional amplificadora dandonos un tamaño mayor que el real. Así, cualquier objeto emisor con un tamaño intrínseco inferior a 1,5 Radios de Schwarzschild tendría un diámetro aparente mayor que 5,2 R de Schwarzschild.

¡Es todo tan complejo!

emilio silvera

La Sinfonía de los Agujeros Negros binarios, ¿La oiremos alguna vez?

“Cuando se forma un par de agujeros negros binarios, cada agujero crea un pozo profundo (intensa curvatura espacio-temporal), y, a medida que los agujeros orbítan el uno en torno al otro, los pozos en órbitas, producen ondulaciones de curvatura que se propagan hacia afuera a la velocidad de la luz. Esas son, las ondas gravitacionales captadas por LIGO. También se producen cuando se fusionan los agujeros o cuando chocan dos estrellas de neutrones y, seguramente en otros eventos similares.”

 Hace ya algún tiempo que se puso este trabajo en el Blog, su Título:

La Sinfonía de los Agujeros Negros binarios, ¿La oiremos alguna vez?

Me parece al caso traer aquí este trabajo que puse hace algún tiempo ya, toda vez que el reciente hallazgo de las Ondas gravitacionales lo ha renovado y su contenido puede resultar interesante al filo de la noticia. Decía por aquel entonces:

         Kip Stephen Thorne

Esa inmensa fuerza de gravedad que parece ubicarse en el centro de todas las galaxias (emitida por agujeros negros colosales) mantiene a las estrellas unidas pero también es una fatal fuerza destructora.

Los científicos están cada vez más cerca de confirmar que todas las galaxias, esencialmente las espirales y elípticas, mantienen sus cientos de miles de millones o billones de estrellas unidas gracias a una potentísima fuerza de gravedad que se ubica en el centro de cada una de ellas.

Es de destacar que las estrellas de las galaxias espirales giran en torno al núcleo de la galaxia, donde se aglutina el mayor número de estrellas por unidad cúbica, pero parece insuficiente que este grupo constituido de millones de estrellas puedan mantener unidas y girando a su alrededor al resto de las estrellas componentes de una galaxia, en algunos casos, como la galaxia elíptica M 87, con más de un billón de estrellas. Hay algo más, justo en el centro de los núcleos de las galaxias que posee una fuerza superior y que además de mantener compacto el núcleo de la galaxia, mantiene estrellas girando a su alrededor a distancias de cientos de miles de años luz (un año luz equivale a 9,6 billones de km).

La galaxia elíptica M87 (también conocida como Galaxia Virgo A, Virgo A, Messier 87, M87, o NGC 4486) es una galaxia elíptica gigante fácil de ver con telescopios de aficionados.  Se trata de la mayor y más luminosa galaxia de la zona norte del Cúmulo de Virgo,  hallándose en el centro del subgrupo Virgo A.

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, mide 100.000 años luz, es como un disco con brazos espirales, muy aplastada y fina, excepto hacia el centro, cuyo bulbo en forma de esfera mide 30.000 años luz de diámetro, pero dentro de esta enorme bola de estrellas viejas, se encuentra el núcleo, aún más denso y compacto, cuyas estrellas se amontonan en espesa multitud, concretamente unos 85 millones de estrellas, que determinó el telescopio de infrarrojos VISTA, un telescopio capaz de atravesar las inmensas nubes de polvo que hay entre nosotros y el núcleo galáctico que es invisible con telescopios ópticos normales. Mientras más nos acerquemos al núcleo galáctico, las estrellas estarán más cerca las unas de las otras.

Cuando comenzaron a formarse las galaxias, algunas estrellas supermasivas comenzaron a agotar su combustible nuclear. Estas estrellas decenas o cientos de veces más masivas que el Sol duran pocos millones de años; el Sol, 10.000 millones de años. Comenzaron a estallar y se convirtieron en brillantísimas supernovas. En todo el Cosmos las supernovas se sucedían y dieron paso a la formación de agujeros negros supermasivos.

La inmensa fuerza de gravedad de estos agujeros negros comenzó a atraer a las estrellas jóvenes en formación o con pocos millones de años de edad. Como si de vórtices se trataran, las estrellas comenzaron a girar alrededor de los agujeros negros, así dice una teoría que se agruparon las estrellas para formar las galaxias.

No es de extrañar. Se han encontrado agujeros negros en los núcleos de casi todas las galaxias, incluso agujeros negros dobles uno girando alrededor del otro. Aquellas galaxias que no suelen contener agujeros negros supermasivos en sus núcleos son galaxias irregulares, cuya estructura amorfa no obedece a las formas bellísimas de las galaxias espirales o elípticas, cuyos agujeros negros les dan la forma.

Los agujeros negros no sólo están en los núcleos de las galaxias, sino en diversas regiones de éstas, aunque estos no suelen ser muy masivos, varias veces la masa del Sol, como el descubrimiento de uno de ellos, de 10 masas solares, en uno de los brazos espirales de la vecina galaxia de Andrómeda, a 2,3 millones de años luz, descubierto gracias a que en ese momento estaba engullendo una estrella emitiendo una poderosa fuente de rayos X. La Vía Láctea posee varios agujeros negros detectados, quizás el más famoso sea Cygnus X-1, un agujero negro de unas 15 masas solares a cuyo alrededor gira una estrella supergigante a la que continuamente roba las capas más externas.

        A. N. como sumideros cósmicos

Un agujero negro en una galaxia actúa casi de la misma forma que cuando quitamos el tapón del lavabo y el agua comienza a desaparecer formando una espiral. Los agujeros negros no tragan con tanta rapidez, a pesar de su poderosa fuerza de gravedad, las estrellas están muy distantes y van cayendo poco a poco, mientras que el resto de estrellas sometidas a la fuerza de gravedad del agujero negro supermasivo giran en torno a él esperando su turno.

Los agujeros negros son tan poderosos y dominantes que cuando la materia comienza a caer hacia ellos, se calientan y emiten tanta radiación que equivale a la energía de toda una galaxia de 100.000 millones de estrellas.

Astrónomos europeos tuvieron la ocasión de ver por primera vez cómo un agujero negro de 300.000 masas solares situado en la galaxia NGC 4845 a 47 millones de años luz, arrancaba las capas exteriores de un planeta 15 veces mayor que Júpiter, un planeta errante expulsado de su sistema solar, que ahora gira en torno al agujero negro. Solo el hecho de arrancarle el 10% de la masa puso en alerta a los investigadores, pues se produjo una importante emisión de rayos X.

      grandes emisiones de Rayos X

El agujero negro supermasivo de nuestra galaxia, de 4,5 millones de masas solares, posee una gran actividad. Prácticamente y a diario, se observan explosiones, aunque no extremas, ello indica que todos los días engulle algo. El telescopio espacial Herchel, ha comprobado que una nube de gas compacta, se dirige hacia nuestro agujero negro y probablemente caiga en él este mismo año. Por otro lado estrellas cercanas al mismo, giran a velocidades de vértigo y serán su próxima comida. El Sistema Solar que se encuentra a 28.000 años luz del agujero negro gira gracias a éste y alrededor de nuestra galaxia a una velocidad de 960.000 km/h.

Los agujeros negros, forman las galaxias, mantienen unidas a sus estrellas, pero a cambio, se nutren de ellas. ¿Será el destino de las galaxias acabar en el interior del agujero negro supermasivo que contienen?

         Chandra: Photo Album M87

Agujeros negros supermasivos distorsionan las galaxias, y emiten poderosos jets de energía y materia a cientos de miles de años luz de distancia, es el caso del agujero negro de la galaxia M 87 con 3.000 millones de masas solares. M 87 sigue engullendo otras galaxias menores y el agujero negro no para de alimentase. Los astrónomos creen que el límite de un agujero negro puede ser el de una masa de 50.000 millones de soles, es decir, la mitad de la masa de nuestra propia Galaxia. Un agujero negro de estas características no tendría límites y podría absorber una galaxia tranquilamente, por lo que se convertiría en el mayor destructor del Universo.

Pero, ¿qué es un agujero negro?

Un agujero negro se produce cuando las estrellas muy masivas, a partir de 2,5 veces la masa solar, llegan al final de su vida, se detienen las reacciones termonucleares que hacen que la estrella se expanda y la gravedad se encarga de encoger a la estrella hasta el tamaño de la Tierra (enana blanca), si la gravedad consigue aplastar aún más a la estrella, se convertirá en una estrella de neutrones, del tamaño de una ciudad, donde un cm cúbico pesa millones de toneladas. Pero si no consigue pararse en ese tamaño, se aplastará aún más convirtiéndose en un objeto diminuto, pero con la masa de varias, decenas, cientos o miles de soles.

Imagen tomada por el telescopio espacial Hubble de la galaxia distante 3C 186. La elipse punteada demarca la periferia de la galaxia. El agujero negro supermasivo, detectado a partir de la emisión energética de la materia circundante, corresponde al punto con aspecto de estrella que se encuentra ligeramente apartado del centro de la elipse. Un estudio reciente sugiere que el objeto estaría alejándose del centro galáctico a más de 2000 kilómetros por segundo. [NASA/ ESA/Marco Chiaberge/Instuto para la Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) y Universidad Johns Hopkins.]

Para escapar de la Tierra hace falta una velocidad de 11,2 km/s. Si no conseguimos alcanzarla caeremos otra vez a nuestro planeta. Pero un agujero negro posee tanta fuerza de gravedad, que ni siquiera la luz, que es lo más rápido y que viaja a 300.000 km/s podría escapar del agujero negro. Si nos pudiéramos poner en un agujero negro (vamos a imaginarlo porque no es muy probable) y encender una linterna, veríamos cómo la luz de la linterna intentaría escapar del agujero negro, pero se doblaría y volvería hacia nosotros. Así son los objetos más poderosos del Universo.

Los agujeros negros hunden el espacio y distorsionan el tiempo. En estudio está que estos objetos sean atajos espaciales que en un futuro nos lleven a lugares muy distantes del Universo sin que apenas pase el tiempo.