Agujeros negros y Cuásares
Eduardo Bañados, astrónomo chileno
“Hay muchos misterios sobre la formación de los agujeros negros supermasivos, aún no tenemos idea de cómo se forman tan rápido”
Eduardo Bañados es doctor en Astronomía e investigador del Departamento de Galaxias y Cosmología del Instituto Max Planck de Astronomía, en Alemania, donde lidera el grupo de agujeros negros supermasivos y galaxias en la época de la reionización.
Bañados es parte del equipo científico que ha descubierto algunos de los agujeros negros supermasivos más lejanos, incluyendo el último récord, usando datos de observatorios instalados en Chile.
Aquí nos cuenta sobre esos hallazgos, su importancia y las técnicas para detectar un objeto astronómico, como los agujeros negros, que no se ven.
- ¿Cuál es el agujero negro más distante que se ha encontrado hasta ahora?
-Yo he participado en el hallazgo de los tres más antiguos hasta ahora. El primero fue el hallazgo de un cuásar, publicado en 2018 en la revista Nature. El cuásar se encuentra a
z:7.54, es decir estamos viendo su luz cuando el Universo tenía unos 680 millones de años. A ese cuásar en mi grupo de investigación le llamamos “Pisco”. Este cuásar rompió el récord de distancia del agujero negro supermasivo observado hasta esa fecha y además permitió determinar la cantidad de hidrógeno neutro en sus alrededores, algo que se había hipotetizado por muchos años, pero que se midió robustamente, por primera vez, en este cuásar. Hay otro cuásar descubierto, cuya publicación apareció en marzo de 2021 en el Astrophysical Journal, que está a z:6.82, lo que significa que estamos viendo su luz cuando el universo tenía ~780 millones de años. Aunque este cuásar está 100 millones de años luz “más cerca” que “Pisco”, es el agujero negro más lejano para el cual existe evidencia de chorros relativistas (o jets) que se ven en ondas de radio. Y, en tercer lugar, está el hallazgo de un cuásar un poco más lejano que Pisco y que es el nuevo récord en 2021. También soy parte del equipo que lo descubrió desde Chile, al igual que los otros dos cuásares. Este objeto no presenta evidencia de chorros de radio, al igual que Pisco, pero la luz que vemos de él es cuando el universo tenía 670 millones de años.
- ¿Cuál ha sido el impacto de estas publicaciones? ¿Qué se sabe hoy que no se sabía antes de estos hallazgos?
-El descubrimiento de estos objetos tan cerca de la época del Big Bang es un desafío para modelos teóricos de formación de agujeros negros y por su mera existencia han eliminado varios modelos y favorecido otros. Además, hemos demostrado que estos objetos pueden ser usados como herramientas para estudiar cuánto hidrógeno neutro hay en sus alrededores, lo cual es muy importante para modelos que tratan de entender la época de reionización del Universo, cuando toda la química del Universo cambió de ser completamente neutral a ionizada.
El cuásar con chorros, aunque no es tan lejano como los otros, es muy interesante y especial, justamente, por su potente emisión en ondas de radio, que es la primera vez que se ven tan claramente durante esta época del Universo.
Hay muchos misterios sobre la formación y evolución de estos agujeros negros supermasivos. Sabemos que existen, pero aún no tenemos idea de cómo se forman tan rápido (en menos de 700 millones de años, luego del Big Bang). Tampoco sabemos bien por qué hay dos clases de cuásares, unos que emiten muy poca radiación de radio, mientras hay otra población (menos común) que emite mucha onda de radio en forma de chorros colimados que nacen muy cerca del agujero negro y pueden extenderse incluso más allá de la galaxia donde viven.
- ¿Qué dicen las teorías al respecto?
– Algunas de las teorías que pueden explicar cómo se forman estos agujeros negros requieren la existencia de chorros de radio, lo que ayuda al agujero negro a tragar material cerca de él mucho más rápido de lo que se podría, sin tener un chorro de radio. Y es esto justamente lo que vemos en este objeto: su agujero negro está disfrutando un festín, y está creciendo a una de las tasas más rápidas observadas en cualquier agujero negro. Si este es un mecanismo común para el crecimiento de estos agujeros negros, entonces deberíamos ver mucho más de estos objetos, mientras miramos más lejos en el Universo.
Hasta el momento, este es el cuásar con chorros de radio más lejano que hemos visto, pero yo creo que es simplemente porque no los hemos buscado exhaustivamente hasta ahora. Estoy optimista de que encontraremos varios más, especialmente si este es un mecanismo importante para formar estos misteriosos objetos.
- ¿Cómo es el proceso de detección de un agujero negro? ¿Con qué tipo de instrumento se puede hacer? ¿Qué ocurre cuando ya se ha confirmado el descubrimiento?
Encontrar estos objetos es como encontrar una aguja en un pajar (o aún más difícil). Lo que hacemos es más o menos así:
1.- Seleccionamos un candidato buscando algunas características específicas, usando todas las bases de datos públicas que existen del cielo desde ondas ópticas a radio. Tenemos que analizar catálogos de miles de miles de millones de objetos, buscando por algunas características específicas que se esperan de un agujero negro activo: que está creciendo y tragando material, etc.
2.- Luego tenemos que observar nuestros mejores candidatos con telescopios que tengan un espectrógrafo sensible a longitudes de onda del infrarrojo cercano, donde estos cuásares tienen un espectro con varias líneas de emisión que pueden ser mejor explicadas por un agujero negro supermasivo. Este tipo de instrumentos existen en varios observatorios, incluyendo la ESO, Gemini Sur y Las Campanas. Los tres cuásares que he mencionado hasta ahora, todos fueron descubiertos con el Telescopio Magallanes del Observatorio Las Campanas, en Chile.
Los datos de ese telescopio fueron suficientes para confirmar que los objetos eran cuásares, pero no para determinar sus propiedades. Así que tan pronto como los descubrimos nos pusimos a escribir muchas propuestas de telescopios para obtener más información en todas las longitudes de onda.
El proceso para encontrarlos varía, lo más difícil es identificar estos objetos dentro de bases de datos de miles de millones de objetos. Por ejemplo, los datos para encontrar Pisco existen como desde el 2009, pero había que desarrollar un método para poder encontrarlo. Estos objetos son tan brillantes (cuásares) que un espectro de tan solo 10 minutos con los telescopios Magallanes pueden identificarlos definitivamente como agujeros negros supermasivos. Pero claro, para estudiarlos en más detalle necesitamos más tiempo.
- ¿Por qué es tan importante hallar agujeros negros distantes?
-Si asumimos que el Universo tiene la edad de una persona de 50 años, encontrar estos objetos nos da una oportunidad de ver una fotografía del Universo cuando tenía unos dos años de edad. Así que una vez descubiertos se transforman en una mina de oro y prácticamente todos los telescopios en la Tierra y en el espacio los observan. Por ejemplo, yo tengo tiempo asegurado en el telescopio espacial James Webb Space Telescope para observar Pisco y otros dos cuásares el próximo año.
- En el último descubrimiento, participan varios telescopios ¿qué es lo que se hizo desde Chile?
Los telescopios involucrados que están en Chile son: El telescopio Magallanes Baade, en el observatorio Las Campanas (espectroscopía en el infrarrojo cercano para estudiar el agujero negro). El telescopio Gemini South en el observatorio Gemini (espectroscopía en el infrarrojo cercano para estudiar el agujero negro). El observatorio ALMA (observaciones en la banda milimétrica para estudiar la galaxia donde vive el agujero negro). Además de otros telescopios que no están en Chile como los telescopios Keck and Gemini North en Hawaii (espectroscopía en el infrarrojo cercano para estudiar el agujero negro)
El objeto fue descubierto primero en un espectro de tan solo 15 minutos con el telescopio Magallanes Baade en el observatorio Las Campanas. Esos datos fueron contundentes para reconocer el objeto como un agujero negro supermasivo muy lejano, pero no lo suficiente para caracterizar sus propiedades físicas (por ejemplo, su masa y cuál es su tasa de crecimiento). Luego de que el objeto fue identificado, todos los otros telescopios mencionados arriba fueron utilizados para poder caracterizar sus propiedades. Para el análisis combinamos toda la información de los espectrógrafos en el infrarrojo cercano, lo que resulta en una observación equivalente de aproximadamente 22 horas.
El observatorio ALMA fue utilizado para obtener las primeras características de la galaxia en donde vive el agujero negro. En tan solo 29 minutos, con ALMA pudimos detectar gas y polvo en esta galaxia tan distante.
- Es más “fácil” encontrar agujeros negros hoy ¿cuál dirías que es la clave para que ahora sea posible que el récord cambie tan rápido? (¿o no es tan rápido?)
-Muy buena pregunta. No creo que sea particularmente “más fácil” ahora ya que los datos no han cambiado demasiado. Sino que en los últimos ~5 años hemos desarrollado nuevas técnicas para encontrar estos agujeros negros de manera más eficiente. De hecho, en los últimos 5 años, el número de agujeros negros que se conocen en los primeros mil millones de años del universo se ha quintuplicado. Gran parte de mi tesis de doctorado (y la tesis de doctorado del primer autor del nuevo récord) fue exactamente para desarrollar métodos para encontrar los cuásares más lejanos, y está dando frutos.
- ¿Vienen telescopios que podrán hacer que los descubrimientos se aceleren más?
-Si, estamos a punto de entrar a una nueva era para este tipo de estudios. Nuestra búsqueda hasta ahora ha sido “en preparación” para la nueva generación de telescopios que va a permitir encontrar muchísimos más cuásares y ojalá aún mucho más lejanos (si es que existen). Las imágenes que usamos hoy en día para buscar estos cuásares no son tan profundas, por lo que estamos batallando con el ruido de las imágenes. Es como si estuviéramos en una fiesta y queremos escuchar lo que está diciendo una persona fuera de la fiesta, tenemos que de alguna manera separar esa señal de todo el ruido que está en nuestra habitación.
Para saber más
QUÉ SON LOS AGUJEROS NEGROS
- Los agujeros negros son objetos muy extraños. No tienen superficie como los planetas. Ni siquiera se les puede ver.
- ¿Qué son? Son los restos fríos de antiguas estrellas que, tras morir, concentraron una masa gigantesca en una zona extraordinariamente pequeña.
- Esta materia está tan apretada o densa, que tiene una fuerza de gravedad que atrae todo lo que está cerca.
- Es tan denso que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, es capaz de escapar a su fuerza gravitatoria.
- Todo lo que pasa cerca del agujero negro es “devorado por él”.
- La “superficie” de un agujero negro, denominada horizonte de eventos, define el límite donde la velocidad requerida para evadirlo excede la velocidad de la luz, que es el límite de velocidad en el cosmos.
TIPOS DE AGUJEROS NEGROS
- Se han estudiado dos clases principales de agujeros negros:
Los agujeros negros de masa estelar, de tres a docenas de veces la masa del Sol, y que se extienden por toda nuestra galaxia.
Los monstruos supermasivos que pesan entre 100.000 a miles de millones de masas solares, que se encuentran en los centros de la mayoría de las galaxias grandes, incluida la nuestra.
CÓMO SE FORMAN
- Mientras muchas estrellas acaban convertidas en enanas blancas o estrellas de neutrones, los agujeros negros representan la última fase en la evolución de enormes estrellas que fueron al menos de 10 a 15 veces más grandes que nuestro Sol.
- Cuando las estrellas gigantes alcanzan la fase final de sus vidas estallan en cataclismos conocidos como supernovas. Tal explosión dispersa la mayor parte de la estrella al vacío espacial, pero queda una gran cantidad de restos fríos en los que no se produce la fusión.
- En esos restos inertes de la supernova no hay una fuerza que se resista a la gravedad, por lo que la estrella empieza a replegarse o doblarse sobre sí misma. Se encoje y encoje, apretando su masa o cuerpo. Y es así como comienza a formarse un agujero negro.
- Sin una fuerza que frene la gravedad, el emergente agujero negro se encoje hasta un volumen cero, en cuyo punto pasa a ser infinitamente denso. Incluso la luz de los restos de esa estrella es incapaz de escapar a su inmensa fuerza gravitatoria, que se ve atrapada en órbita. Esa oscura estrella se conoce con el nombre de agujero negro.
OTROS DATOS
- Los agujeros negros tienen un tamaño pequeño. Un agujero de una masa solar de un millón, como el que se sospecha que se encuentra en el centro de algunas galaxias, tendría un radio de unos tres millones de kilómetros, es decir, sólo unas cuatro veces el tamaño de nuestro Sol. Un agujero negro con una masa igual a la del Sol tendría un radio de tres kilómetros.
- Pero también pueden existir agujeros negros supermasivos en el centro de algunas galaxias, incluida nuestra Vía Láctea. Estos cuerpos inmensos pueden tener una masa de 10 a 100 mil millones de soles. Son parecidos a los agujeros negros más pequeños, pero alcanzan tales dimensiones al haber mucha materia en el interior de la galaxia que pueden atraer. Los agujeros negros pueden acumular cantidades de materia ilimitadas; simplemente se convierten en cuerpos aún más densos a medida que aumenta su masa.
QUÉ ES UN CUÁSAR
- Un cuásar se produce cuando la intensa gravedad del agujero negro supermasivo, presente en el núcleo de una galaxia, atrae una gran cantidad de material que está cercano, ya sea gas o estrellas completas, que terminan formando un disco giratorio de material supercaliente (llamado disco de acreción) alrededor de dicho agujero negro. El gas caliente que se encuentra en el disco de acreción es atraído inevitablemente hacia el interior, emitiendo energía a través del espectro electromagnético.
- La cantidad de radiación electromagnética producida por los cuásares es enorme, tanto que los ejemplos más masivos de ellos superan fácilmente la energía emitida por galaxias enteras.
- En palabras simples, el cuásar genera una enorme cantidad de energía, y adquiere un brillo tan intenso que muchas veces supera el brillo de toda la galaxia. De hecho, los cuásares son los objetos más energéticos del Universo.