The Universe in the Classroom

Agujeros Negros

¿Cómo puede usted "ver" un agujero negro?

Usted podría preguntarse cómo se puede encontrar un agujero negro si nada, incluyendo la luz, puede escapar de él. Los agujeros negros tienen masa, que produce una fuerza gravitacional que afecta a los objetos cercanos. Esta fuerza gravitacional sería muy intensa cerca del agujero negro, y podría tener efectos notables en su ambiente. El material que cae hacia el hoyo negro ganaría energía del campo gravitacional, y sería aplastado y calentado al tratar de colarse en la pequeña garganta del agujero negro, por lo que produciría rayos-X. El primer ejemplo de un agujero negro fue descubierto precisamente por ese efecto gravitacional en una estrella acompañante.

CYGNUS X-1 SYSTEM
La concepción de una artista del sistema Cygnus X-1. HDE 226868 es una estrella supergigante azul masiva; se cree que su compañera es un agujero negro, rodeado por un disco de acreción de gases de HDE 226868 que están cayendo en espiral hacia el agujero negro. La estrella y el agujero negro están en órbita el uno alrededor del otro. La existencia del agujero negro fue deducida del movimiento orbital de la estrella, y de los rayos X producidos por los gases en el disco de acreción que se calientan conforme caen hacia el agujero negro. (Cortesía de William J. Kaufmann III, Universe, W.H. Freeman & Company, 1991. Usado con permiso.)

Cygnus X-1 es el nombre que se le dió a una fuente de rayos X en la constelación Cygnus, descubierta en 1962 con un primitivo telescopio de rayos X que se envió a bordo de un cohete. Para 1971, la localización de la fuente de rayos X en el cielo se había medido con mayor precisión, usando observaciones de cohete y satélite. Un avance fundamental se dió en marzo de 1971, cuando una nueva fuente de ondas de radio se descubrió en Cygnus, cerca de la posición de la fuente de rayos X. La señal de radio variaba exactamente al mismo tiempo que la intensidad de rayos X, una fuerte evidencia de que la fuente de radio y la de rayos X eran el mismo objeto.

Una estrella débil llamada HDE 226868 aparece en la posición de esta fuente de radio. Los astrónomos que estudiaban la luz de HDE 226868 habían encontrado dos hechos importantes: (1) HDE 226868 es una estrella supergigante azul -- una estrella normal, masiva, cerca del final de su vida; y (2) la estrella gira alrededor de otro objeto masivo en una órbita con período de 5.6 días.

Conociendo la fuerza necesaria para mantener a HDE 226868 en órbita, se puede calcular la masa de la compañera -- es de cerca de 10 masas solares. Pero no hay signos de luz visible de ella -- y algo en el objeto produce rayos X. La explicación o "modelo" que mejor se ajusta a estos hechos es que la compañera es un agujero negro de cerca de 10 masas solares -- el cadáver de una estrella masiva que alguna vez fue la compañera de HDE 226868. Los rayos X son producidos conforme el gas de la atmósfera de la supergigante azul cae hacia el objeto colapsado y se calienta. El objeto colapsado no puede ser una enana blanca o una estrella de neutrones, porque estos objetos no pueden tener masas mayores de 1.44 y 3 masas solares, respectivamente. Nunca podremos "probar" esta teoria de Cygnus X-1 "viendo" el agujero negro, pero la evidencia circunstancial es fuerte. Otros tres objetos -- LMC X-3 en la Nube Mayor de Magallanes, y A0620-00 y V404 Cygni en nuestra galaxia -- tambien se cree que tienen agujeros negros como una de sus componentes.

Agujeros Negros Supermasivos

Hace un cuarto de siglo, los astrónomos descubrieron unos objetos distantes muy raros que producían una potencia extraordinariamente grande en un volumen extraordinariamente pequeño -- la potencia de un billón de soles en un volumen no mucho más grande que el del Sistema Solar. Llamaron a estos objetos "fuentes cuasiestelares de radio" -- abreviado, cuásares -- porque se veían como estrellas, y producían grandes cantidades de ondas de radio además de luz. Los astrónomos tambien se dieron cuenta de que, aunque los cuásares eran raros, había muchos otros objetos -- aparentemente galaxias o estrellas -- que mostraban versiones menos extremas del mismo fenómeno: una potencia muy grande de un volumen muy pequeño. Estos objetos tenían otra notable propiedad en común: chorros de particulas de alta energía emitidos de sus centros. Estas propiedades eran tan difíciles de explicar usando el conocimiento físico de esa época, ¡que algunos astrónomos llegaron a cuestionar si ese conocimiento era correcto!

Desde entonces, los astrónomos han encontrado una explicación para estos núcleos de galaxia activos que es consistente con las observaciones y la teoría -- aunque es una explicación sorprendente: en el centro de cada una de estas galaxias hay un agujero negro supermasivo, con una masa de millones o miles de millones de soles. El tamaño de su horizonte de eventos sería más o menos igual al tamaño del Sistema Solar. La potencia emitida que se observa podría explicarse con sólo que una cantidad de materia igual a una masa solar cayera cada año al agujero negro -- una cantidad que fácilmente podría venir de los "vientos" de gas producidos por las estrellas cercanas al núcleo. Los chorros de partículas en los núcleos de galaxia activos son producidos por el material cayendo en espiral a un disco alrededor del agujero negro, y que es aplastado hacia arriba y abajo del disco cuando trata de entrar al agujero negro. Esta explicación para el "motor" en un núcleo de galaxia activo se apoya fuertemente en las imágenes obtenidas por el Telescopio Espacial Hubble (ver figura arriba).

¿Cómo se forma un agujero negro supermasivo? Algunas teorías sostienen que la primera generación de estrellas incluyó una gran proporción de estrellas muy masivas, y todas ellas formaron agujeros negros que de alguna manera se fusionaron. Otras teorías sostienen que un sólo agujero negro "semilla" acreció estrellas y gas, volviéndose más y más masivo con el tiempo.

Hay evidencia de que estos agujeros negros supermasivos existen en muchas galaxias, incluyendo nuestra Vía Láctea, y nuestra galaxia vecina más cercana, la galaxia de Andrómeda (también conocida como M31). También hay evidencia de que se forman muy temprano en la vida de la galaxia: vemos cuásares tan lejanos que su luz, viajando a 300,000 kilómetros/seg, debió haberlos abandonado poco despues de que se formaron. Así pues, los agujeros negros supermasivos podrían ser parte normal del proceso de nacimiento y evolución de galaxias.
NGC 4261
A composite image of the active galaxy NGC 4261, showing jets of radio-emitting particles spurting from the core of the galaxy. On the right: a false-color image from the Hubble Space Telescope, showing a dark, doughnut-shaped structure surrounding a possible supermassive black hole, believed to be the "central engine" of the galaxy. (Photo credit: Walter Jaffe, Leiden Observatory; Holland Ford, STScI, NASA)

Agujeros Negros y Ciencia Ficción

Un concepto tan extraño como el de agujero negro naturalmente atrae los intereses y la creatividad de los escritores de ciencia ficción. Un tema favorito es el uso de un agujero negro como una ruta a otros lugares u otros tiempos en el universo. Matemáticamente, un par de agujeros negros podrían formar un "puente" entre dos lugares en el universo, pero no está claro cómo dicho puente podría formarse o sobrevivir. Un agujero negro, como el que se forma con los despojos de una estrella, sería más bien inconveniente para viajes espaciales, porque la materia que cayera en él sería aplastada e incinerada por fuerzas de marea conforme entrara en el agujero. Un agujero negro supermasivo tendría fuerzas de marea menos extremas, pero se piensa que el más cercano está en el centro de nuestra galaxia -- ¡y por tanto a una distancia inconveniente! Un agujero negro rotante tiene posibilidades más interesantes, porque en él existe una región llamada la ergósfera, justo afuera del horizonte de eventos, que tiene la siguiente propiedad -- los objetos pueden entrar y salir de la ergósfera (si soportan las fuerzas de marea). Una nave espacial llena de basura podría entrar en la esgósfera, botar su carga dentro del agujero negro, y salir con más energía que la que tenía al entrar --- ¡resolviendo la crisis de energía y el problema de contaminación simultáneamente (al menos en teoría)!

<< previous page | 1 | 2 | 3 | 4 | next page >>

back to Teachers' Newsletter Main Page