Agujeros negros estelares y superagujeros negros galácticos

Cygnus X-1 fue la primera fuente binaria de rayos X clasificada como un agujero negro (de unas 15 masas solares, con un horizonte de solo 60 km de diámetro) que acreta materia de una estrella compañera (la supergigante azul HDE 226868). Descubierta en 1964 es famosa por ser objeto de una apuesta entre Stephen Hawking y Kip Thorne en 1974. Hawking apostó contra Thorne que Cygnus X-1 no contenía un agujero negro (a sabiendas de lo contrario). En 1990, los datos acumulados fueron suficientes para que Hawking aceptara que había perdido su apuesta (regalándole a Thorne, a pesar de la indignación de su esposa, una subscripción a una revista solo para adultos). La autora de esta preciosa ilustración es Melissa Weiss, que ha merecido ser portada del número de hoy de Science. Ella es ilustradora del programa de divulgación científica del Proyecto del Observatorio de Rayos X Chandra. El motivo es que Science incluye hoy un especial sobre agujeros negros. Más info sobre su trabajo en “Cover Stories: Cygnus X-1—The Bigger Picture,” Science 337: 497, 3 August 2012.

¿Cómo se ve de verdad Cygnus X-1? Esta imagen obtenida por Chandra muestra básicamente lo que podemos ver desde la Tierra, a unos 6000 años luz de distancia, una esfera brillante de color azul. Para un divulgador científico, el trabajo de gente como Weiss es de fundamental importancia, pues las imágenes reales resultan decepcionantes para la mayor parte del público aficionado a la divulgación científica. Sin embargo, nunca se debe olvidar que las ilustraciones artísticas son solo eso, arte basado en hipótesis científicas, pero arte al fin y al cabo.

La evolución de las galaxias está ligada de forma indisoluble a la evolución de los superagujeros negros que se encuentran en su centro. Sin embargo, como en el caso del huevo y la gallina, aún no sabemos con seguridad quien fue primero, la galaxia o el supergaujero negro. Hay indicios experimentales para ambas posibilidades; quizás, incluso, puede que dependa de cada galaxia en concreto. Nos revisa el estado actual de la cuestión M. Volonteri, “The Formation and Evolution of Massive Black Holes,” Science 337: 544-547, 3 August 2012 [arXiv:1208.1106]. Lo más espectacular de este artículo es el vídeo que lo acompaña, la simulación por ordenador del nacimiento de nuestra galaxia, la Vía Láctea; según Volonteri, esta simulación utiliza todo el conocimiento que tenemos hoy en día sobre la cuestión.

El origen de la Vía Láctea según este vídeo es una nube de materia oscura que forma una protogalaxia en la que surgen estrellas (de materia ordinaria) muy masivas, de cientos de masas solares (M☉), cuya vida es muy corta y dan lugar a agujeros negros con una masa de unas cien M☉. Las fusiones entre estos agujeros negros dan como resultado un superagujero negro con una masa desde decenas de millones hasta miles de millones de M☉ (el menos masivo conocido está en la galaxia NGC 4395 y tiene una masa de unos cientos de miles de M☉). Los detalles de la formación galáctica aún reservan sorpresas, pero el resultado es una galaxia con un superagujero negro central (en los pocos casos en los que se observa más de uno se cree que se está observando una colisión galáctica en curso).

En la actualidad conocemos otra familia de agujeros negros, los de masa estelar, con hasta unas decenas M☉. Se estima que una galaxia típica tiene unos 100 millones de agujeros negros de masa estelar (estimación de Shapiro y Teukolsky). Las pruebas más fuertes de la existencia de esta población de agujeros negros son las observaciones de los sistemas binarios de rayos X (BHXRB), en los que un objeto compacto acreta materia de una estrella cercana. Las propiedades de la emisión de rayos X permiten estimar la masa del objeto acretor, que en muchos casos supera las 3 M☉, como en el famoso Cygnus X-1;  en dicho caso se cree que dicho acretor es un agujero negro de masa estelar (ilustrado en esta figura). Gran parte de lo que sabemos sobre estos sistemas se ha comprendido gracias a los BHXRB variables, como GRS 1915 +105. El artículo técnico es Rob Fender & Tomaso Belloni, “Stellar-Mass Black Holes and Ultraluminous X-ray Sources,” Science 337: 540-544, 3 August 2012 [arXiv:1208.1138].

Esta figura ilustra la evolución típica de un BHXRB variable. El eje horizontal representa la energía (“dureza”) de la emisión de rayos X del sistema (“hard” significa alta energía y “soft” baja energía), una medida “cruda” pero eficaz del espectro de rayos X. El eje vertical representa la luminosidad de rayos X. Este diagrama es análogo al diagrama de Hertzsprung-Russell para la evolución estelar. Cada punto corresponde a una sola observación. La fase creciente de la explosión (A → B) se pasa de una emisión de rayos X “duros” de baja a alta luminosidad. La transición espectral de rayos “duros” a “blandos” (B → C → D) se realiza a borbotones, lo que indica que la variabilidad del chorro es muy grande (algo que confirman las medidas en el infrarrojo y en ondas de radio). La transición a un estado con emisión “blanda” (D → E) corresponde a la casi desaparición del chorro, dominado la emisión del disco de acreción el espectro de rayos X (una señal muy débil). Este estado quiescente es el de más larga duración. Finalmente, el chorro vuelve a aparecer (E → F) debido a que la acreción de masa continúa. La explicación de todos los detalles de estos ciclos de actividad todavía presenta lagunas, pero son muy importantes a la hora de clasificar los BHXRB observados.

6 pensamientos en “Agujeros negros estelares y superagujeros negros galácticos

  1. ¡Hola!
    Sigo tu blog casi a diario porque me interesan bastante los temas que tratas, aunque de la mayoría no tengo ni idea y lo que hago es aprender, básicamente. Especialmente me interesan los temas relacionados con lo cuántico, temas sobre el bosón de Higgs y todo lo relacionado, y lo que más me cautiva son los temas sobre el espacio, agujeros negros y demás.
    Y nada, simplemente comento para decir que gracias por dedicar parte de tu tiempo libre a contar las cosas interesantes (desde mi punto de vista) de la ciencia desde una perspectiva profesional, porque se lee cada cosa por ahí…
    En fin, gracias y sigue así.

    Saludos.

    PD: ¿Tendrías por ahí la primera imagen a una resolución mayor? Me gustaría ponerla de fondo de escritorio.

  2. Estimado Sr. Villatoro: he cometido un error al escribir un texto y solo aparece la corrección del e Mail que mando…..comienzo de nuevo…….
    Estudie matemáticas , hace mas años de los que debiera y escogí la rama de Astronomía. Por razones personales que no vienen al caso, deje los estudios en cuarto , teniendo aprobado todo lo anterior. Fui feliz estudiando esta carrera y mas aun, la primera vez que mire por un telescopio.
    Años después, me veo leyendo todo lo que escribe por aquí y siguiendo su blog ( también sigo a Gaussianos, Clara Grima….).
    Le doy las gracias por acercarnos su conocimiento y hacerlo tan sencillo a los ojos de los que queremos saber mas, pero no sabemos.
    Un afectuoso saludo,
    Natividad

  3. HOLA , no creo que encuentren nunca una onda de gravedad, como el sonido no puede ir mas de donde
    no hay aire,la ola donde no hay agua,la luz donde no hay espacio (pues la luz ni ninguna onda electromacnetica) crea el espacio por donde puede moverse , la gravedad es la falta de ese espacio para poder moverse,
    por eso de un agujero negro solo sale lo que nos parece la gravedad,en realidad solo es la falta de lo que necesita la materia (energia que al final solo es una onda) para poder moverse, cualquier energia,onda (informacion) necesita un medio para moverse (el no lo crea), la energia basica consume espacio,pero cuando pasa a ser materia aun consume muchisimo mas doblando el espacio por donde antes si podia circular otra onda ,materia o cualquier informacion que es lo mismo,obligando a estos a curvarse,mas cuanto mas materia hay,hay entra la famosa particula de dios y su campo,
    me llaman para comer ,ya sigo luego con mis tonterias,pues mi mujer tiene mal jenio para eso de comer,

  4. En la publicación “El vacío es materia”, edición de Junio de 2012, página 20, explican la evolución, desde “la nada aparente”, de una nebulosa en trance de constituir la Vía Láctea. Esencialmente coincide con el proceso evolutivo que usted explica, si bien, me sorprende, que dejen ustedes como una nota en el aire, de poco rigor, según toda la información astrofísica conocida, la posibilidad de un origen del fenómeno galáctico basado en la existencia anterior de agujeros negros, a mi parecer práctica y teóricamente a todas luces imposible, por cuanto no cabe en absoluto invertir la flecha del tiempo.

Los comentarios están cerrados.