La imagen reciente de Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en el corazón de la Vía Láctea, tomada por el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT, por sus siglas en inglés), ha vuelto a traer estos eventos espaciotemporales tremendamente masivos al frente de la conciencia pública.
Sin embargo, imágenes como esta y esa tomadas del agujero negro supermasivo en el corazón de Messier 87 (M87), solo pueden llegar hasta cierto punto. El interior de los agujeros negros sigue siendo competencia de la teoría y las matemáticas.
Pero, afortunadamente, el efecto que los agujeros negros tienen en su entorno puede proporcionar una gran cantidad de observaciones para los telescopios, a menudo tan violentos que eclipsan a todas las estrellas de la galaxia que los alberga.
¿Cómo nacen los agujeros negros?
La presencia de un agujero negro de masa estelar indica una estrella que ha llegado al final de su secuencia principal, quema de hidrógeno, vida y ha perdido su batalla contra el colapso gravitatorio. La vida de las estrellas está marcada por un constante acto de equilibrio entre la fuerza interna de su propia gravedad y las fuerzas externas generadas por la fusión nuclear.
A medida que avanza este colapso, las estrellas que tienen suficiente masa por encima de lo que se llama el límite de Chandrasekhar pueden desencadenar más reacciones de fusión creando elementos más pesados y deteniendo el colapso.
Este proceso se repite para estas estrellas, que tienen al menos 1,4 veces la masa del sol, hasta que solo las propiedades cuánticas de un fluido denso de neutrones protegen a la estrella muerta contra un mayor colapso. Esto da como resultado un remanente estelar llamado estrella de neutrones.
Pero algunas estrellas son lo suficientemente masivas o pueden tomar suficiente material de una estrella compañera para exceder incluso este límite. Eso conduce al colapso gravitacional completo de la estrella y la creación de lo que se denomina un agujero negro de masa estelar.
Sin embargo, este proceso no puede explicar la presencia de agujeros negros supermasivos en el corazón de la mayoría de las galaxias grandes. Esto se debe a que no existe ninguna estrella que sea lo suficientemente grande como para colapsar y formar un agujero negro supermasivo, algunos de los cuales se han descubierto con masas tan grandes como 66 MIL MILLONES de veces la del sol.
Los astrofísicos y cosmólogos creen que los agujeros negros supermasivos se forman a través de una serie de fusiones jerárquicas. Esto implica la acumulación de una gran cantidad de masa por parte del agujero negro o a través de agujeros negros cada vez más grandes que colisionan y se fusionan, probablemente cuando las galaxias que los albergan se fusionan o cuando los agujeros negros binarios forman espirales entre sí o incluso una combinación de ambos.
Afortunadamente, se cree que las propiedades de los agujeros negros son bastante simples. Como parte de lo que se llama el teorema sin pelo, solo pueden poseer tres características; massas descritas anteriormente momento angular, o carga eléctrica.
Esto significa que describir el interior real de cualquier agujero negro es bastante sencillo, aunque matemáticamente agotador.
Historia de dos singularidades: la estructura de un agujero negro Interiors
Para comprender lo que sucede en los agujeros negros, es necesario mencionar el mayor logro del físico Albert Einstein, la teoría geométrica de la gravedad, mejor conocida como relatividad general.
Esta teoría predice que la masa tiene un efecto sobre el tejido del espacio-tiempo mismo, deformándolo. Cuanto mayor era la masa, más extrema era la mella en el espacio-tiempo causada. Y como has visto arriba, algunos agujeros negros tienen cantidades sorprendentemente enormes de masa.
La analogía más común utilizada para representar esto es la colocación de bolas de masa creciente sobre una lámina de goma estirada, con una bola de boliche creando una abolladura más considerable que una pelota de tenis o una canica.
Lo que también dice la relatividad general es que en una región de densidad extrema surgen dos singularidades, puntos en los que los cálculos matemáticos se reducen a cero o se desplazan al infinito, siempre malas noticias para los físicos.
Una de estas singularidades es una singularidad coordinada, lo que significa que los físicos pueden eliminarla con una elección inteligente de esquemas de coordenadas. El otro, la verdadera singularidad, no puede manejarse de esta manera, lo que significa que actualmente representa un punto en el Universo en el que se rompen todas las leyes físicas.
Como era de esperar, estas dos singularidades son de vital importancia para la estructura de los agujeros negros.
Las dos singularidades dentro de los agujeros negros se indican en una simulación de un agujero negro (EHT/Robert Lea)
La singularidad coordinada representa lo que se conoce como el horizonte de eventos de un agujero negro. Esta es la superficie que limita estos eventos masivos del espacio-tiempo y es tan profunda como podemos ver en ellos.
Esto se debe a que el horizonte de eventos es el punto en el que la influencia gravitacional del agujero negro es tan grande que ni siquiera la luz se mueve lo suficientemente rápido como para escapar. Esto significa que los fotones detrás de esta superficie quedan atrapados y nunca pueden ser vistos por los observadores del otro lado del horizonte de eventos.
Los fotones, o de hecho cualquier forma de materia, que se encuentre en el lado equivocado del horizonte de sucesos experimentará un viaje de ida al centro del agujero negro, esa verdadera singularidad. Lo que sucede con la materia o la energía que se encuentra allí en la singularidad es actualmente una suposición de cualquiera y es posible que nunca lo sepamos realmente.
Inmediatamente fuera de un agujero negro giratorio, o de Kerr, hay un área de espacio-tiempo que en realidad es arrastrada junto con el agujero negro en su dirección de movimiento. Llamada precesión de arrastre de fotogramas o precesión de Lense-Thirring, esto da como resultado una región llamada ergosfera.
A la materia que se encuentra en la ergosfera le resultaría imposible permanecer inmóvil, sino que también sería arrastrada junto con el agujero negro. Sin embargo, es posible que las partículas no permanezcan alrededor del agujero negro, ya que este arrastre puede hacer que la materia sea expulsada a altas velocidades.
Afortunadamente, por oscuros que permanezcan los interiores de los agujeros negros, sus exteriores pueden ser muy visibles. De hecho, los agujeros negros pueden crear entornos tan violentos que pueden crear motores que alimentan galaxias enteras.
La estructura de los exteriores de los agujeros negros
Si bien el interior de los agujeros negros puede parecer casi inquietantemente simple, donde estos eventos del espacio-tiempo se vuelven realmente emocionantes es en sus entornos inmediatos. Especialmente cierto donde se alimenta un agujero negro central.
Más exactamente llamado acreción, esto sucede cuando los agujeros negros están rodeados por un disco de gas y polvo, comprensiblemente llamado disco de acreción. El material en un disco de acreción se aplana y se evita que caiga directamente en el agujero negro por su momento angular. Esto da como resultado que caiga gradualmente a la superficie del agujero negro, un proceso que impulsa una gran cantidad de fenómenos energéticos.
La estructura del exterior de un agujero negro acreciente (ESA)
Las partículas en un disco de acreción son aceleradas a velocidades tremendas por la tremenda gravedad del agujero negro, a menudo acercándose a la de la luz. Estas condiciones turbulentas dan como resultado que se calienten a temperaturas súper altas estimadas en hasta 10 millones de grados y emitan poderosos rayos X y rayos gamma.
Estas emisiones fueron detectadas por los astrónomos mucho antes de que el EHT pudiera capturar la primera imagen directa de un agujero negro, el agujero negro supermasivo en el corazón de M87. Pero los discos de acreción dan lugar a emisiones aún más potentes y energéticas.
No todo el material de un disco de acreción está destinado a llegar al agujero negro. El campo magnético retorcido de un agujero negro de Kerr puede hacer que el gas y el polvo sean empujados hacia sus polos.
Esto da como resultado que algunos agujeros negros lancen chorros de materia a lo largo de su eje de rotación a velocidades cercanas a la de la luz. Estos chorros pueden estirarse durante miles de años luz. El agujero negro supermasivo en el corazón de M87, por ejemplo, lanza chorros que se extienden hacia el exterior unos 6.000 años luz muy por encima y por debajo del disco galáctico.
Actualmente, los astrónomos no están seguros de qué es lo que impulsa estos chorros y les permite mantenerse a distancias tan tremendas, pero lo que no está en duda es cuánta energía debe requerir el proceso.
Estos chorros también chocan con material interestelar y otras partículas para generar rayos X y otras emisiones electromagnéticas que pueden ser detectadas por telescopios aquí en la Tierra o en el espacio.
Esto hace que los agujeros negros que se alimentan en el corazón de estas áreas llamadas núcleos galácticos activos (AGN) sean mucho más visibles que sus hermanos más silenciosos que no se alimentan. Los AGN pueden ser tan brillantes en algunas longitudes de onda que sus emisiones pueden eclipsar a miles de millones de estrellas en su galaxia anfitriona.
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