agujerosnegros

Albert Einstein teorizó originalmente que las estrellas más grandes que el sol podían colapsar y comprimirse hacia singularidades, entidades tan confinadas y densas que en su interior no valdrían las leyes de la física.

Desde entonces, los astrónomos han encontrado evidencia indirecta de esos entes en los agujeros negros por la “conjetura de censura cósmica”. La conjetura es que las verdaderas singularidades, es decir, las que se puedan formar en la naturaleza, deben siempre estar escondidas en una barrera conocida como “horizontes de sucesos” de la que la luz no puede escapar. Es por eso que aparecen oscuras -negras- al resto del universo.

Pero esta censura cósmica es “una conjetura abierta muy difícil de probar y muy difícil de refutar”, dice Petters.

Y, a pesar de la aceptación mayoritaria de los agujeros negros, Kip Thorne y John Preskill, dos expertos en cosmología relativista del Instituto de Tecnología de California, sugirieron hace más de diez años que las singularidades desnudas pueden existir en ciertas instancias.
La conjetura fue propuesta en 1969 por Roger Penrose.
Ahora Petters y Werner han pergeñado una forma de testear su presencia.

Stephen Hawking: Historia del Tiempo
(…)Este hecho notable llevó a Roger Penrose a proponer la hipótesis de la censura cósmica, que podría parafrasearse como «Dios detesta una singularidad desnuda».

Según Petters, los astrónomos no pueden estar completamente seguros si los agujeros negros son realmente negros, al no poder penetrar el horizonte de sucesos. Su mayor evidencia son los efectos del masivo tirón gravitacional. Esos efectos incluyen la emisión de radiación muy energética o las órbitas muy extremas de las estrellas cercanas.

Petters es un experto en lentes gravitacionales, otro efecto de la relatividad que permite usar las masivas fuentes de gravedad para ver objetos de fondo.

En reportes previos en noviembre de 2005 y febrero de 2006 de Physical Review D, él y Charles Keeton de la Universidad Rutgers sugirieron una forma de usar los lentes gravitacionales para mostrar si la censura cósmica puede ser violada.

Sin embargo, esa evaluación estaba limitada a singularidades sin rotación, consideradas sólo teóricamente posibles. Las singularidades (agujeros negros) que los astrónomos han encontrado en el espacio parecen ser todas de muy rápida rotación.

Por lo que Petters y Werner se unieron para tratar de generalizar la aplicación de las lentes a las más realísticas singularidades en rotación. Y aparentemente lo habrían logrado.

En un trabajo apoyado por la National Science Foundation en USA y el Consejo de ciencias del Reino Unido, el dúo empleó el descubrimiento de que los agujeros negros pueden volverse singularidades desnudas si su momento angular es mayor que su masa.

Eso se traduciría en una pocas miles de rotación por segundo en el caso de un agujero negro de unas 10 veces nuestro Sol, según Werner.

Los cálculos muestran que la masiva gravedad de una singularidad desnuda mostraría la luz de estrellas de fondo de maneras reveladoras tales que serían potencialmente detectables por los instrumentos actuales o los que pronto se pondrán en marcha.

Esas posibles maneras están delineadas en seis diferentes ecuaciones en su estudio que conectan el spin de una singularidad a las separaciones, alieamientos angulares y brillo de dos imágenes divididas.

“En un sentido, espero que ellas (las singularidades desnudas) no estén allí. Preferiría tener agujeros negros cubiertos. Pero aún soy de mente abierta lo suficiente para considerar la otra posibilidad”, agrega Petters.

El proyecto está encabezado por Manuela Campanelli, quien lideró a su equipo en 2005 para resolver las 10 ecuaciones en la Teoría de la Relatividad General para la gravedad de campo fuerte. Ella unió fuerzas con el profesor David Merritt, quien creó el simulador de gravedad para calcular las interacciones gravitatorias entre objetos, como materia oscura y galaxias.

Una vez que newHorizons sea construida, el equipo espera que correrá las 24 horas durante 5 ó 6 años.

NuSTAR llenará el vacío entre el lanzamiento en 2009 del Wide-field
Infrared Survey Explorer y el del Telescopio James Webb Space en 2013.
La nave realizará observaciones profundas en rayos-X para detectar agujeros negros de todos los tamaños y otros exóticos fenómenos.

Luego del Big Bang, el Universo se enfrió lo suficiente para que se formaran las primeras estrellas con el hidrógeno y helio originales. Este era material puro, sin “polucionar” por generaciones previas de estrellas. Los astrónomos calcularon que las primeras estrellas, llamadas Población III, tendrían una tasa máxima de agrupamiento de material para formar una estrella.

En una estrella normal, el material se junta relativamente despacio, creando una masa central. Con suficiente masa, la estrella se enciende y esto crea una presión que detiene el material adicional de compactarse demasiado.

Pero el Dr. Begelman ha calculado que si la tasa se excede unas décimas de una masa solar por año, el núcleo estelar sería tan compacto que la energía liberada de la fusión nuclear no sería suficiente para detener la contracción. En este caso, no habría estrella, se pasaría de una nube de hidrógeno a una masa central muy compacta. Y al agujero negro.

La pregunta es si es posible que el material se junte tan rápido. Es posible, si algo está “empujando”…como la materia oscura. De acuerdo al científico, podría haber varias situaciones en las que una fuerza externa, como la gravedad de un halo de materia oscura podría forzar al gas hacia un área central.

Una vez que hay unas cuantas masas solares de gas acumulado, el núcleo comienza a expandirse bajo la presión de su creciente masa. El objeto pasa de un breve período de fusión nuclear cuando alcanza las 100 masas solares, pero pasa esta etapa tan rápidamente que no tiene tiempo de expandirse de nuevo.

Eventualmente, el objeto alcanza varios miles de masas solares y su temperatura ha trepado hasta varios cientos de millones de grados. En este punto, la gravedad se hace cargo, colapsando el núcleo y conviertiendo el objeto en un agujero negro de entre 10 y 20 masas solares.

Desde este punto, el agujero negro es capaz de atraer eficientemente material y crecer a los máximos niveles predichos por la física, eventualmente hasta millones de veces la masa del Sol. Si demasiado material cae, el agujero negro supermasivo podría actuar como un mini cuásar -lo que el Dr. Begelman denominó “quasistar”.

Y hay buenas noticias: estos quasistars podrían ser detectables por los potentes telescopios. Sin embargo, tendrían una corta vida, sólo 100.000 años. Quizás, el próximo Telescopio Espacial, el James Webb, sea capaz de detectarlos.

Pero este GRB parece tener un origen completamente distinto. Astrónomos liderados por Mansi Kasliwal del Caltech rastreó el estallido a un sistema estelar en nuestra propia galaxia, donde un agujero negro y una estrella un poco menos masiva que el Sol están orbitándose mutuamente.

Sospechan que el agujero negro tuvo una erupción mientras deglutía material robado a su compañera estelar.

Este comportamiento nunca ha sido visto y los científicos no están seguros cómo explicarlo.

Krzysztof Stanek de la Universidad de Ohio, quien no es parte del equipo, dijo que este nuevo tipo de evento podría ser un fenómeno excitante de estudiar, si pueden hallarse más.

“La razón de que no hayamos visto algo así antes no es porque sea raro sino porque es un evento de baja energía”, explicó el científico, añadiendo que este estallido es intrínsicamente unas 100 trillones de veces menos poderoso que los GRB largos previamente observados. “Si lo mismo ocurrió en otra galaxia, no tenemos los detectores que sean suficiente sensibles de verlo”.

Usando los telescopios Swift y Suzaku, el equipo descubrió que una clase relativamente común de AGN ha escapado a la detección…hasta ahora. Estos objetos están rodeados de gas y polvo de tal forma que virtualmente la luz no sale de ellos.

“Este es un descubrimiento importante porque nos ayudará a entender mejor porqué algunos agujeros negros supermasivos brillan y otros no”, dice el astrónomo y miembro del equipo Jack Tueller del Centro Espacial Goddard.

La evidencia para este nuevo tipo de AGN comenzó en los pasados dos años. Usando el Swift Burst Alert (BAT), un equipo liderado por Tueller encontró varios centenares de relativamente cercanos AGN que no se habían detectado previamente porque su luz visible y ultravioleta era apagada por gas y polvo. El BAT fue capaz de detectar rayos-X de alta energía porque estos rayos pueden ser detectados a través del gas y polvo.

Para seguir con ese descubrimiento, Yoshihiro Ueda de la Universidad de Kyoto, Tueller y un equipo japonés y americano enfocaron dos de esos AGN con Suzaku. Esperaban determinar si estos oscuros AGN eran básicamente del mismo tipo de objetos como otros AGN. Los AGN residen en las galaxias ESO 005-G004 y ESO 297-G018, que están a unos 80 millones y 350 millones de años luz, respectivamente.

De acuerdo a los modelos populares, los AGN están rodeados por un anillo de material con forma de rosquilla, que parcialmente oscurecen nuestra visión del agujero negro. Pero el miembro del equipo Richard Mushotzky piensa que estos AGN recientemente descubiertos están completamente rodeados por un caparazón de material.

“Nuestros resultados implican que debe haber un mayor número de aún no descubiertos AGN en nuestro universo local” dice Ueda.

Ilustración de los diferentes rasgos de un AGN o cómo nuestro ángulo de visión determina el tipo de AGN que observamos. Crédito:Aurore Simonnet, Sonoma State University.

De hecho, estos objetos podrían comprendener cerca de 20% de fuentes puntuales de los rayos-X de fondo. El observatorio de rayos-X Chandra encontró que este fondo es actualmente producido por un enorme número de AGN, pero el observatorio no fue capaz de identificar la naturaleza de todas las fuentes.

Las galaxias ESO 005-G004 (derecha) and ESO 297-G018 (izquierda) por el SDSS. Ambas galaxias son espirales. Crédito: DSS/UK Schmidt Telescope/AAT Board.

Al no haber descubierto antes esta nueva clase, los estudios anteriores de AGN quedan parciales y dan una imagen incompleta de cómo los agujeros negros supermasivos y sus galaxias huéspedes han evolucionado a lo largo de la historia cósmica.

El descubrimiento aparecerá en la edición del 1º de agosto de Astrophysical Journal Letters con el título “Suzaku Observations of Active Galactic Nuclei Detected in the Swift BAT Survey: Discovery of a “New Type” of Buried Supermassive Black Holes” por Yoshihiro Ueda, Satoshi Eguchi, Yuichi Terashima, Richard Mushotzky, Jack Tueller, Craig Markwardt, Neil Gehrels, Yasuhiro Hashimoto, and Stephen Potter

La evidencia viene de observaciones de un cúmulo de jóvenes estrellas localizado sólo una fracción de un año luz del monstruoso agujero negro, donde las fuerzas gravitacionales deberían prevenir la formación de cualquier estrella. El cúmulo podría haberse formado a gran distancia y haber migrado, sin embargo, si contiene un agujero negro medio que fue gravitacionalmente arrastrado hacia el centro galáctico.

Pero ha sido imposible probar la sugerencia. Ahora, Lu y sus colegas dicen que el caso podría cerrarse si los astrónomos encuentran un par de estrellas hiperveloces huyendo de la peligrosa región.

Tres son multitud
Desde diciembre de 2004 se han encontrado diez de estos veloces demonios cósmicos. El primero fue cronometrado a 850 km por segundo, suficientemente veloz como para eventualmente escapar totalmente de la galaxia.

Los astrónomos piensan que algo muy masivo debe estar acelerando las estrellas y que la aceleración se origina en la interacción entre tres objetos, aunque cuáles son esos objetos está aún en debate.

En un escenario, un par de estrellas vagan muy cerca a un agujero negro supermasivo y una es capturada mientras la otra sale despedida a gran velocidad. En otro escenario, una estrella se aproxima a un par de agujeros negros y es ejectada velozmente.

Ahora, Youjun Lu, un astrofísico de la Universidad de California en Santa Cruz, USA, y sus colegas dicen que hay una prueba observacional para distinguir entre estos dos mecanismos.

Sus cálculos sugieren que encontrar un par de estrellas hiperveloces disparadas hacia el espacio a 1000 km/seg o más podría ser una “evidencia definitiva” de la existencia de dos grandes agujeros negros en la Vía Láctea.

Esfera de influencia
Debido a sus órbitas uno alrededor de otro, dos agujeros negros generarían una mayor esfera de influencia en su entorno que uno simple. Por lo que si fueran aproximados por un par de estrellas que estuvieran muy cercanas entre sí (menos de un tercio la distancia entre la Tierra y el Sol), tratarán al par estelar como una simple estrella y los dispararán a hipervelocidades.

Según el científico, esto no ocurriría con un único agujero negro ya que trataría al par estelar individualmente, capturando a una estrella y expulsando a la otra.

“Para un agujero negro simple, la probabilidad de ejectar un par binario a hipervelocidad es insignificante” dijo el científico.

Lu dice que cerca de 10% de las estrellas en los alrededores del Sol tienen una compañera cercana. Por lo que si esa proporción es la misma en el centro galáctico, una de las 10 estrellas hiperveloces que ya han sido encontradas podría ser en realidad una binaria.

Las estrellas están a mucha distancia como para distinguir si son simples o dobles. Pero sus espectros debería revelar si se tambalean debido al tirón gravitacional de una cercana compañía. El tambaleo debería variar con el período de las estrellas alrededor de la otra, que se espera sea desde día a semanas.

Fácil de probar
Warren Brown, un astrónomo del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA), lideró un equipo que encontró ocho de las 10 estrellas hiperveloces. Él espera volver a observar todas ellas para buscar estas señales.
“Pienso que es una predicción fácil de probar observacionalmente”, comentó el científico.

Lu dice que encontrar un segundo agujero negro en la Vía Láctea no sólo explicaría el jóven cúmulo estelar encontrado allí, sino que enrredaría las teorías estándar de cómo crecen las galaxias.

Se piensa que las galaxias se forman a través de la fusión entre galaxias menores o cúmulos estelares, cada uno de los cuales podría contener su propio agujero negro. Con el tiempo, los agujeros negros se acercan y eventualmente también se fusionan.

Brown está de acuerdo en que el agujero supermasivo de nuestra galaxia podría haber crecido al fusionarse con otro en el pasado, pero cree que la evidencia apunta a un único agujero negro en el centro galáctico hoy.

“Un único agujero negro parece ser el escenario más probable en mi mente”, dice. “Pero no hay evidencia de que un segundo agujero negro no estuviera allí hace 100 millones de años y se fusionara y ahora no lo veamos”.

Los cúmulos galácticos son algunas de las más grandes estructuras del Universo, y consisten en muchas galaxias individuales, algunas de las cuales contienen AGN. Más temprano en la historia del universo, estas galaxias contenían mucho más gas para la formación estelar y el crecimiento de agujeros negros que las galaxias en los cúmulos tienen hoy. Este combustible permite a los agujeros negros en jóvenes cúmulos crecer mucho más rápidamente que sus contrapartes en cúmulos cercanos.

“Los agujeros negros en estos tempranos cúmulos son como pirañas en un acuario bien alimentado” dice Jason Eastman de la Universidad de Ohio y primer autor del estudio. “No es que se peleen por comida, sino que había tanta que todas las pirañas eran capaces de prosperar y crecer rápidamente”.

El equipo usó Chandra para determinar la fracción de AGN en cuatro diferentes cúmulos galácticos a grandes distancias, cuando el Universo tenía sólo el 58% de su edad actual. Luego compararon este valor con la fracción encontrada en cúmulos más cercanos, aquellos en los que la edad del Universo era del 82% de la actual.

El resultado fue que los cúmulos más distantes contienen unas 20 veces más de AGN que la muestra más cercana. AGN en los cúmulos exteriores son también más comunes cuando el Univeso era más joven, pero sólo por factores 2 o 3 sobre el mismo período.

“Ha sido predicho que habría agujeros negros de rápido crecimiento (en inglés se los llama “fast-track”) en cúmulos, pero nunca tuvimos buena evidencia, hasta ahora”, dice el coautor Paul Martini. “Esto puede ayudar a resolver un par de misterios acerca de los cúmulos de galaxias”.

Un misterio es porqué hay tantas galaxias azules, de formación estelar en los jóvenes, distantes cúmulos y pocas en los cercanos y más viejos. Se piensa que los AGN expelen o destruyen el frío gas en su galaxia huésped a través de poderosas erupciones del agujero negro. Esto puede reprimir la formación estelar y las masivas y azules estrellas gradualmente morirán, dejando detrás sólo las más viejas y rojas estrellas. Este proceso toma cerca de mil millones de años o más, por lo que la muerte de galaxias formadoras de estrellas sólo es evidente para los cúmulos más viejos.

El proceso que fija la temperatura del gas caliente en los cúmulos cuando se forman es también una pregunta abierta. Estos nuevos resultados sugieren que incluso más AGN habrían estado presentes cuando la mayoría de los cúmulos se estaban formando hace unos 10 mil millones de años. El calentamiento temprano de un cúmulo por un gran número de AGN puede tener un significativo efecto en la estructura de un cúmulo al calentar el gas.

“En algunos cúmulos cercanos hemos visto evidencia de grandes erupciones generadas por agujeros negros supermasivos. Pero esto es poco comparado con lo que estaría ocurriendo en los cúmulos jóvenes”, añade Eastman.

Estos resultados aparecieron en la edición del 20 de julio de The Astrophysical Journal Letters

Ahora, un par de físicos dicen que este desigual tirón no es el único riesgo de las estrellas. El proceso podría también desencadenar una explosión nuclear suficiente para destruir a la estrella desde adentro.

Matthieu Brassart y Jean-Pierre Luminet del Observatorio de París en Meudon, Francia, llevaron a cabo simulaciones computacionales de los momentos finales de la vida de una estrella cercana a un agujero supermasivo.

Cuando la estrella se encuentra suficientemente cerca, las fuerzas desiguales (más fuerte en las partes más cercanas) aplastan la estrella a la forma de un panqueque. Algunos estudios previos sugerían que este aplanamiento incrementaría la densidad y temperatura dentro de la estrella lo suficiente como para disparar intensas reacciones nucleares que la desgarrarían.

Pero otros estudios sugirieron que la situación sería complicada por las ondas de choque generadas durante el aplanamiento y que la explosión nuclear no debería ocurrir.

Las nuevas simulaciones investigaron los efectos de las ondas de choque en detalle, y encontraron que aunque se incluyan sus efectos, las condiciones favorecen la explosión nuclear.

Aunque la explosión destruya la estrella, salva algo de la materia de la estrella de ser devorada por el agujero negro, ya que la explosión es suficientemente poderosa como para lanzar parte de la materia fuera del alcance del agujero, según explica Brassart.

El devoramiento de estrellas por agujeros negros podría haber sido visto ya, aunque en un estado más tardío. Se piensa que varios meses luego del evento que desgarra a la estrella, su materia -que ha estado espiralando a través del agujero- emite luy ultravioleta y rayos-X.

La nave GALEX de NASA podría haber visto ya un evento semejante (ver Black hole seen devouring star in best detail yet). Otro evento podría haber sido visto por los observatorios orbitales de ESA (ver Giant Black Hole Rips Star Apart)

Si las estrellas cercanas a un agujero negro realmente explotan, podrían, en principio, permitir que estos eventos se detecten en un estadío anterior, dice Jules Halpern de la Universidad de Columbia. “Podría hacer posible ver la alteración de la estrella inmediatamente si se calienta lo suficiente”.

Brassart agrega que “Quizás pueda ser observado en rayos-X y rayos gamma, pero es algo que necesita ser más estudiado”.

Chris Fryer, investigador de supernovas en el Laboratorio de Los Alamos, dice que las muertes de estas estrellas son difíciles de simular y que no está seguro que los investigadores hayan probado su caso.

Pero si estas explosiones ocurren, futuras observaciones, como el LSST (Large Synoptic Survey Telescope), que detectará gran cantidad de supernovas, podrían encontrar explosiones de este tipo.

“La nuestra es la primera simulación que incorpora la física de los agujeros negros”, comenta Tiziana Di Matteo, una cosmóloga teórica y profesora asociada de física en el Colegio de Ciencias de Carnegie Mellon. “Es un reto computacional que involucra más cálculos que cualquier modelo similar anterior del cosmos, y el resultado nos ofrece la mejor imagen a la fecha de cómo se formó el cosmos”.

Di Matteo realizó su simulación usando el sistema Cray XT3 en el Centro de Supercomputación de Pittsburg (PSC), el más poderoso sistema disponible.

Observaciones experimentales revelan que los agujeros negros son importantes reguladores de la formación galáctica y, en última instancia, la fábrica del universo actual, de acuerdo a la investigadora. Sin embargo, las simulaciones previas no tomaron en cuenta los agujeros negros porque la demanda computacional era prohibitiva.

La distribución proyectada de la densidad del gas y agujeros negros (mostrado como círculos amarillos) a diferentes corrimientos al rojo cosmológico (Z).

“Incluir los agujeros negros en simulaciones computacionales es crítico. Las galaxias que vemos hoy se ven de esa forma gracias a la física de los agujeros negros”, añade Springel, investigador junior del Max Planck. “Debemos hacer simulaciones para entender el rol que los agujeros negros jugaron en formar estructuras tanto en el universo temprano como en el actual”.

Los grandes agujeros negros, llamados supermasivos, se encuentran en los centros de las galaxias. Pueden originarse inicialmente cuando las primeras estrellas colapsaron bajo su propia gravedad. Rodeados de gas densos, consumen el material, gas y estrellas y rápidamente crecen hacia tamaños monstruosos, algunos con masas de miles de millones de soles. Pero la evidencia sugiere que los agujeros negros supermasivos se autoregulan - no se dan un festín eterno y no “tragan” una galaxia entera, dice Di Matteo.

En su simulación, así como en la realidad, las galaxias colisionan rutinariamente.
Los agujeros negros supermasivos ocultos en los centros de estas galaxias coreografían la dinámica de la colisión galáctica. El resultado es un tremendo estallido de energía producido al fusionarse los agujeros negros y formar un luminoso estado llamado cuásar. “La formación de cuásars realmente captura cuando lo divertido ocurre en una galaxia”, comenta Di Matteo. “Sólo puedes usar una simulación para seguir una compleja, no linear historia como esta para entender cómo cuásars y otras estructuras cósmicas se originan”.

La simulación cubrió múltiples escalas de tiempo y espacio hasta 100 millones de años luz, lo que es imposible sin una supercomputadora como la XT3.

La simulación se seteó las condiciones iniciales para reflejar la radiación de fondo de microondas producida en el nacimiento del universo. Luego se sembró la simulación con un cuarto de mil millones de partículas que representan la materia. Para la simulación, Di Matteo usó esferas de fluído para representar trozos de materia como el gas. Este paso fue esencial para que los investigadores pudieran calcular todas las fuerzas físicas en estos trozos. Además se tuvo en cuenta la gravedad ejercida por la materia oscura. Adicionalmente, sus cálculos tuvieron en cuenta las fuerzas asociadas con varios fenómenos cósmicos, incluyendo agujeros negros y estrellas en explosión.

Implicaciones:”Creemos que nuestro trabajo tiene profundas implicaciones para la cosmología”, dice la científica.

Para que la computación fuera posible, los científicos usaron 2.000 procesadores -todo el sistema- del Cray XT3 durante cuatro semanas de tiempo computacional. Incluso con todo ese poder informático, se requirieron técnicas especiales para computar todas las fuerzas gravitacionales involucradas. Por ejemplo, se construyó un “árbol” en el cual las partículas cósmicas cercanas ocupaban la misma “rama” y las ramas cercanas estaban relacionadas. Al computar las fuerzas en las partículas del árbol entero, el número de cálculos requeridos se redujo en un factor de unos pocos millones a algo manejable.

El resultado permite a los científicos seguir fácilmente el colpaso de galaxias. “Creemos que nuestro trabajo tiene profundas implicaciones para la cosmología”, dice la científica. “Hemos encontrado que los agujeros negros más masivos tempranos no son los que vemos hoy, por lo que la simulación de la dinámica evolución de estas estructuras es crítica para entender la historia cósmica”.

“Con nuestras simulaciones, podemos predecir qué deberían ver la próxima generación de telescopios al mirar atrás 13 mil millones de años en el tiempo, justo después del Big Bang. “

La científica espera poder realizar sus próximas simulaciones en computadoras más poderosas y ser audaces como para modelar todo el universo en las escalas observadas con el Sloan Digital Sky Survery (SDSS). El SDSS es el más grande estudio del cosmos que ha catalogado cerca de 100 millones de galaxias a la fecha.

Además, Di Matteo está trabajando con la facultad de ciencias de la computación de Carnegie Mellon para desarrollar maneras más rápidas de combinar la física de lo muy grande con lo muy pequeño en los mísmos cálculos usando un conjunto de herramientas llamadas mallas dinámicas(dynamic meshing).