Tras el rastro de un agujero negro

Jonay I. González Hernández / 19-09-2006

Los agujeros negros son uno de los cuerpos celestes que más interés han suscitado en las últimas décadas, no sólo en la comunidad científica sino en el entorno más popular, a veces trasladado de forma muy ingeniosa al cine.

¿Qué es un agujero negro?, es una pregunta difícil incluso para los astrofísicos. Quizás la respuesta más simple sería "un cuerpo de una masa y un radio tales que su campo gravitatorio no permite siquiera que la luz escape de él". O, dicho de otra manera, que la velocidad de escape de ese cuerpo sea mayor que la velocidad de la luz (unos 300.000 km/s). Este concepto físico indica la velocidad que debe adquirir un cuerpo para poder escapar del campo gravitatorio de otro; y depende del cociente entre la masa del objeto (ya sea una estrella, un planeta o quizás un agujero negro) y su radio.

La velocidad de escape en la superficie de la Tierra es 11,2 km/s (o 40.320 km/h), significativamente menor que la velocidad de la luz. Conocerla permite determinar cuánto hay que acelerar un cuerpo para enviarlo fuera de nuestro planeta, lo que es imprescindible para lanzar satélites. Hay que tener en cuenta que la velocidad que necesita un satélite para quedarse en órbita es menor que la velocidad de escape ya que, si fuese mayor, escaparía a la atracción gravitatoria terrestre y se perdería en el espacio.

Trasladémonos dos siglos atrás para ver cuándo se empezó a plantear la existencia de agujeros negros. Fueron John Michel y Pierre-Simon Laplace quienes, a finales del siglo XVIII, concibieron por primera vez el concepto de agujero negro. Sin embargo, el avance importante no llegó hasta 150 años después con la teoría de la Relatividad General de Einstein, donde su existencia aparecía como resultado de las ecuaciones planteadas por el científico alemán.

Pero probablemente el lector se pregunte si los agujeros negros son una teoría física o realmente se observan o detectan en el Universo. La respuesta la han proporcionado a lo largo de las tres últimas décadas los satélites de rayos X enviados al espacio, que han detectado numerosos cuerpos celestes que emiten una parte importante de su radiación en este rango.

Cualquier cuerpo con una temperatura superior al cero absoluto (0 K ó -273 ºC) emite radiación, que se puede clasificar en tres grandes grupos: altas energías (rayos gamma y rayos X); energías "medias" (ultravioleta, visible e infrarrojo), y bajas energías (microondas y ondas de radio). Nuestros ojos ven sólo en el visible. Sin embargo, en las últimas décadas, gracias al sorprendente avance de la tecnología, se han construido detectores sensibles a otros tipos de radiación inaccesibles para nosotros.

Alrededor de la mitad de los objetos celestes observados que emiten en rayos X son, en realidad, sistemas binarios. Están constituidos por dos cuerpos: una estrella "corriente" como el Sol (podrían ser también estrellas mucho más grandes, masivas y luminosas) y un objeto más compacto (un agujero negro o una estrella de neutrones). En ellos, el objeto compacto está casi "tragándose" lentamente a su estrella compañera. El material que pierde la estrella compañera y que es "engullido" por el objeto compacto forma un disco de materia que es el responsable de la emisión en rayos X.

Tanto los agujeros negros como las estrellas de neutrones son objetos muy compactos. Es decir, poseen unos cocientes muy altos de masa respecto a radio. Sin embargo, las estrellas de neutrones no son lo suficientemente "compactas" para impedir que la luz escape de ellas. Ello permite confirmar su existencia de forma "directa" mediante la observación en rayos X (poseen una superficie "sólida" que es posible detectar). No ocurre lo mismo con los agujeros negros, que impiden que nos llegue luz de ellos.

En realidad, los agujeros negros podrían catalogarse como un estado de la materia posterior al de una estrella de neutrones, que está compuesta de neutrones y cuyo campo gravitatorio no es lo suficientemente grande para contraer más la estrella y hacerla aún más compacta. Por esta razón, si aumentamos su densidad, por ejemplo "inyectándole" más materia, los neutrones no "soportarían" la presión del campo gravitatorio y se comprimiría aún más hasta formar un agujero negro.

La evidencia más sólida de la existencia de agujeros negros se basa en la determinación de la masa de objetos compactos más masivos que la masa máxima posible estimada teóricamente para una estrella de neutrones (aproximadamente tres veces mayor que la masa del Sol).

En los sistemas binarios, la masa de los objetos compactos se obtiene a partir de la velocidad con la que se mueve su estrella compañera alrededor del centro de masas común. Este punto "imaginario" está situado sobre la línea que une a ambos cuerpos, aunque es más cercano al más masivo. Probablemente, estos objetos compactos son resultado del final de la vida de estrellas masivas (con masas de 8 a 10 veces la solar).

La vida de una estrella finaliza cuando se agota la energía que obtiene de las reacciones nucleares. Su longevidad depende de su masa: cuanta más posee, más rápidamente gasta su energía y, por tanto, antes "muere". Al final de sus vidas, las estrellas masivas pueden explotar de forma violenta dando lugar al fenómeno de supernova, o "colapsar" formando un objeto compacto masivo. Si se trata de una supernova, la estrella libera energía suficiente para expulsar a gran velocidad gran parte de su masa al espacio circundante y además su núcleo interior puede contraerse formando un objeto compacto. Cuando colapsa es porque en su "vejez" no genera bastante energía para producir la explosión.

Así, la muerte de estrellas masivas da lugar tanto a agujeros negros como a estrellas de neutrones. La formación de uno u otro depende de la cantidad de masa que la estrella es capaz de expulsar, ya que la masa no expulsada colapsa para formar el objeto compacto. Como consecuencia de la explosión, el sistema puede adquirir grandes velocidades o, dicho de otra manera, modificar enormemente la velocidad que ya tenía.

El Sol se mueve a 220 km/s alrededor del centro de la Vía Láctea. De hecho, la mayor parte de las estrellas avanzan en torno a dicho centro formando un disco, que se observa como una gran franja difusa en el cielo nocturno (sólo donde la contaminación lumínica no es alta).

Es posible medir la velocidad a la que se desplazan estos sistemas binarios y determinar la posición en la que se encuentran dentro de la galaxia. Recientemente, hemos encontrado algunos viajando a gran velocidad fuera del disco, aunque creemos que se formaron dentro de él. Sin embargo, la supernova que dio lugar al objeto compacto habría proporcionado al sistema un enorme impulso que le habría permitido abandonarlo. Uno de ellos es XTE J1118+480. Su nombre, un poco aburrido, contiene información de sus coordenadas ecuatoriales y del satélite que lo descubrió, XTE, que explora el cielo en busca de objetos que emiten en rayos X.

XTE J1118+480 está formado por una estrella ligeramente más pequeña, menos masiva y más fría que el Sol, y un agujero negro de aproximadamente 8 masas solares. Este sistema se encuentra a unos 6.000 años luz de la Tierra (en la región del cielo donde observamos la constelación de la Osa Mayor), muy alejado del Disco, concretamente en el Halo de la Galaxia, y se desplaza a una velocidad de 160 km/s con respecto al Sol.

Analizando en el rango visible la luz de la estrella secundaria, encontramos las abundancias de los elementos químicos presentes en su atmósfera. Hemos constatado que divergen de las de las estrellas de su entorno, es decir, del Halo, que generalmente son mucho más viejas que el Sol y poseen menos cantidad de elementos químicos "pesados" (más pesados que el carbono). Esto indica que probablemente el sistema, que es más rico en elementos químicos pesados, no se formó en el Halo sino en el Disco de la Galaxia, y que es mucho más joven.

¿Cómo llegó hasta su posición "actual"? Pues, como ya se ha comentado, quizás la supernova que dio lugar al agujero negro proporcionó el impulso suficiente para lanzarlo hasta allí.

Estudiar los sistemas binarios permite obtener información sobre cómo se formó el objeto compacto, y en el caso de agujeros negros, arrojar una luz sobre el misterio que aún les envuelve.

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El autor

Jonay I. González Hernández es Doctorado en Astrofísica por la Universidad de La Laguna. Actualmente es investigador del Observatorio de París.

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