IV. LA DETECCIÓN DE LOS HOYOS NEGROS
Los hoyos negros no emiten luz, ni ninguna otra señal; sólo se manifiestan por medio de su atracción gravitacional. Veremos en el presente capítulo cómo la materia atrapada por un hoyo negro puede llegar a liberar enormes cantidades de energía antes de ser absorbida definitivamente. Este proceso no sólo delata la presencia de un hoyo negro, sino que puede ser la clave para explicar un gran número de fenómenos misteriosos del Universo.
Uno de los principios fundamentales de la física es la conservación de la energía. La energía no puede crearse o desaparecer, pero sí puede cambiar de forma y... existen muchas formas de energía en la naturaleza.
El agua que cae de lo alto de una presa hidroeléctrica hace mover unas turbinas generando así corriente eléctrica. En términos físicos, la energía gravitacional del agua se transforma en energía eléctrica. Evidentemente, mientras más alta sea la presa, mayor será la energía gravitacional que se transforma en eléctrica.
Otra forma de energía es el calor, que es la manifestación macroscópica del movimiento de los átomos. La manera más simple de producir calor es por fricción: frotando un cuerpo contra otro. Si, por ejemplo, una piedra cae resbalándose sobre una superficie rugosa, transforma su energía gravitacional en calor por medio de la fricción ( Figura 21).
Figura 21. Al deslizarse sobre un plano rugoso, un cuerpo trasforma su energía gravitacional en calor, por medio de la fricción.
Consideremos ahora una estrella rodeada de una nube de gas. En condiciones normales, el gas cae sobre la estrella y se calienta por la fricción entre sus partes (o, a nivel microscópico, por los choques entre sus moléculas). En este ejemplo, también, la energía gravitacional del gas se convierte en calor.
El proceso por el que un cuerpo cósmico, como una estrella, atrae gravitacionalmente y absorbe el gas de sus alrededores ha sido llamado acreción 1 por los astrofísicos. Es un fenómeno bastante frecuente y de efectos muy interesantes.
El caso más extremo en cuanto a generación de energía, es el de la acreción en un hoyo negro. Si un cuerpo cae libremente a un hoyo negro, puede alcanzar velocidades cercanas a la luminosa en el momento anterior a su caída en el hoyo. Si, por el contrario, la caída del cuerpo es frenada por algún tipo de fricción, la energía gravitacional del cuerpo se transforma en calor. En el caso de un gas que es atraído por un hoyo negro la cantidad de energía generada en forma de calor llega a ser una fracción importante de la energía en forma de masa que posee el gas (según la fórmula E =mcñ). Los astrofísicos han calculado que la acreción en un hoyo negro puede ser un mecanismo para generar energía aún más eficiente que la fusión nuclear, en la que "sólo" un 4% de la masa del hidrógeno se libera en forma de energía.
Por supuesto, un hoyo negro debe de estar rodeado de una gran cantidad de gas para que se produzca una acreción. Veamos a continuación de dónde puede provenir ese gas.
HOYOS NEGROS EN SISTEMAS BINARIOS
La mayoría de las estrellas se encuentran formando grupos de dos o más, amarradas entre sí por su mutua atracción gravitacional; las estrellas aisladas como el Sol son más bien la excepción., Es frecuente que dos estrellas formen un sistema binario, en el que cada una gira alrededor de la otra (Figura 22). En algunas ocasiones, las dos estrellas se encuentran tan cercanas entre sí que sus atmósferas se tocan, y llegan a intercambiar materia; en este último caso, diversos fenómenos interesantes ocurren por el fenómeno de acreción de la materia de una estrella por su compañera.
En principio, se puede dar el caso de que una de las estrellas de un sistema binario sea mucho más masiva que la otra y, en consecuencia, evolucione más rápidamente, pasando por todas las fases de la vida de una estrella hasta terminar en una supernova y, posteriormente, en un hoyo negro. Resultará, entonces, un sistema muy peculiar en el que un hoyo negro y una estrella normal giran uno en torno del otro amarrados por su atracción gravitacional.
Las estrellas suelen arrojar cantidades considerables de gas de sus atmósferas al espacio por la presión de su radiación. En nuestro sistema planetario, los efectos del llamado viento solar son bien conocidos por astrónomos y geofísicos, pero, en muchas estrellas, los vientos estelares pueden ser mucho más intensos que en el caso del Sol. También, como señalamos anteriormente, las estrellas tienden a crecer considerablemente al final de sus vidas, tornándose en gigantes rojas y perdiendo parte de su atmósfera.
Consideremos, pues, un sistema binario formado por un hoyo negro y una estrella normal, con la peculiaridad de que los dos cuerpos se encuentran muy cercanos entre sí. Si la estrella normal está arrojando parte de su atmósfera por el mecanismo del viento estelar, o está creciendo, entonces una fracción de ese material es capturada por el hoyo negro. Este fenómeno de captura puede generar enormes cantidades de energía.
Debido a la atracción gravitacional y a la rotación del sistema, el gas de la estrella fluye por una zona pequeña de su atmósfera, localizada precisamente frente al hoyo negro y no cae directamente en éste, sino que gira a su alrededor formando un disco de acreción (Figura 23).
Figura 23. Formación de un disco de acreción en un sistema binario compuesto por un hoyo negro y una estrella.
Si pudiéramos seguir la trayectoria de una partícula de gas en el disco de acreción, veríamos que gira alrededor del hoyo negro y se acerca lentamente a éste describiendo una espiral. Si la partícula estuviera aislada, giraría indefinidamente alrededor del hoyo negro, tal como un planeta alrededor del Sol. Pero, al chocar con las otras partículas del gas perderá parte de su energía de movimiento y se acercará gradualmente al hoyo negro. La situación es similar a la de un satélite artificial en órbita alrededor de la Tierra: si el satélite se encuentra fuera de la atmósfera terrestre, girará indefinidamente; pero si su órbita se encuentra dentro de la atmósfera perderá su energía por la fricción con el aire, se calentará al rojo vivo y, finalmente, caerá al suelo. Lo mismo sucede con el gas en el disco de acreción: en este caso, la fricción de las diversas partes del gas entre sí lo calentarán enormemente, a costa de frenar su caída al hoyo negro.
Como consecuencia de la fricción, el gas del disco de acreción se calienta cada vez más a medida que se acerca al hoyo negro. Los astrofísicos han calculado que la temperatura en la parte central de un disco de acreción —aquélla más cercana al hoyo negro— puede alcanzar varios millones de grados.
Como todos sabemos por experiencia, la materia caliente emite luz. La luz es una onda electromagnética cuya longitud de onda determina el color. Nuestros ojos sólo pueden percibir la luz con longitudes de onda entre 4 y 8 cienmilésimas de centímetro que correponden al violeta y al rojo, respectivamente: los dos extremos del arco iris. Pero, más allá del violeta, están la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, con longitudes de onda corta (y energías mayores); en el otro extremo, más allá del rojo, están la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio, con longitudes de onda cada vez mayores (y energías menores). (Figura 24.)
Figura 24. El espectro electromagnético. La luz visible corresponde
a un pequeño rango de longitudes de onda. (A=Angstrom=10-8
cm).
La materia calentada a algunos miles de grados (como la superficie del Sol) emite la mayor parte de su luz en el rango de la luz visible. En cambio, la materia calentada a varios millones de grados emite luz principalmente en forma de rayos X.
Así, el gas de un disco de acreción llega a calentarse tanto, poco antes de caer al hoyo negro, que emite rayos X. Visto desde la Tierra, un sistema doble como el descrito tendría la apariencia de una estrella normal que gira alrededor de una compañera invisible y, además, la posición de ese sistema coincidiría con una fuente cósmica de rayos X.
Hay que precisar que la formación de un disco de acreción no es exclusiva de un hoyo negro. Si la compañera de la estrella normal es una estrella de neutrones, cuyo tamaño y atracción gravitacional son comparables a las de un hoyo negro, también se puede formar un disco de acreción con características muy semejantes a las que se originan alrededor de un hoyo negro. La emisión intensa de rayos X en un sistema binario no necesariamente delata la presencia de un hoyo negro. Si se trata de una estrella de neutrones, es muy probable que ésta emita los pulsos de radio tan característicos de estos objetos; pero, aun si no se detectan tales pulsos, no se puede descartar la presencia de una estrella de neutrones, porque no todas emiten pulsos que se puedan recibir en la Tierra. El parámetro drástico que permite discernir entre un hoyo negro y una estrella de neutrones es la masa, que debe determinarse en alguna forma indirecta.
A diferencia de la luz visible de las estrellas, los rayos X de origen cósmico no pueden llegar a la superficie de la Tierra porque son absorbidos por la atmósfera terrestre. La única manera de detectarlos es por medio de telescopios espaciales colocados en los satélites artificiales que giran por encima de la atmósfera terrestre. En 1970 se puso en órbita. un satélite llamado Uhuru, diseñado especialmente para observar el cielo a la luz de los rayos X. La imagen del Universo que se reveló resultó ser muy distinta de la que estamos acostumbrados a ver. Por lo que se refiere al tema que nos interesa, el satélite localizó varias fuentes de rayos X en el cielo, cada una de las cuales coincidía, en posición, justamente con una estrella "normal". Al observar esas estrellas con un telescopio terrestre, se descubrió que todas formaban parte de sistemas binarios en los que una de las componentes era invisible. En la mayoría de los casos, el miembro invisible del sistema binario resultó ser una estrella de neutrones, caracterizada por la típica emisión de pulsos de radio. Pero, en algunos casos, no se detectaron tales pulsos: ¿podría tratarse de hoyos negros?
Evidentemente, si se logra determinar la masa del objeto que se encuentra en el centro del disco de acreción y ésta resulta ser de varias veces la del Sol, entonces no habrá duda de que se trata de un hoyo negro. Sin embargo, medir la masa de una estrella, o de cualquier objeto cósmico, es imposible en la práctica, a menos de que se pueda observar cómo influye gravitacionalmente sobre algún cuerpo masivo cercano cuya masa sí sea conocida. Los astrónomos han logrado determinar la masa de algunas estrellas que se encuentran en sistemas binarios estudiando sus movimientos; por otra parte, han podido clasificar a las estrellas según sus características directamente observadas, lo que ha permitido establecer una relación bastante precisa entre el tipo estelar y la masa de cualquier estrella.
Conociendo la masa de la estrella normal visible en un sistema binario que emite rayos X, los astrónomos pueden determinar, la masa aproximada de la compañera invisible. En algunos casos, esta masa resultó ser demasiado grande para una estrella de neutrones.
El caso más conocido y mejor estudiado es el del sistema Cygnus X-1, así llamado porque es la primera fuente de rayos X que se descubrió en la constelación del Cisne. Esta fuente corresponde, en luz visible, a una aparentemente insignificante estrella, sólo visible con telescopio, que lleva el número 1665 en el catálogo Henry Draper (HD) de estrellas. HD 1665 es un sistema binario formado por una estrella gigante muy caliente, que da una vuelta en 5 días y medio alrededor de otro cuerpo masivo invisible. Se han hecho varias estimaciones de la masa de ese compañero invisible y todos los cálculos indican que es superior a 7 veces la masa solar. Hoy en día, la mayoría de los astrónomos están convencidos de que Cygnus X-1 (HD 1665) es un sistema binario formado por una estrella gigante y un hoyo negro, alrededor del cual se ha formado un disco de acreción.
Hasta ahora, se conocen tres casos de fuentes de rayos X que, según
las evidencias, podrían corresponder a sistemas binarios con hoyo negro. Cygnus
X-1 sigue siendo el más notorio y el mejor estudiado por su relativa
cercanía (ñsólo diez mil años luz!). Otro sistema binario, muy parecido a Cygnus
X-1, pero considerablemente más alejado, es LMC X-3,
en la Nube Mayor de Magallanes. Más recientemente, en 1986, se descubrió que
un sistema binario, con el nombre poco sugestivo de A 0620-00 y a sólo 3 000
años luz de distancia, emitía rayos X; una de las componentes no se observaba
y la otra era una estrella más pequeña que el Sol. A partir del periodo de revolución
de la estrella visible, se calculó que la masa de la componente invisible es
de unas tres veces la masa solar, lo cual hace sospechar muy fuertemente que
se trata de un hoyo negro.
HOYOS NEGROS Y NÚCLEOS DE GALAXIAS
Hasta ahora hemos visto que los hoyos negros pueden ser la última fase evolutiva de las estrellas muy masivas. Sin embargo, cabe preguntarse si existe en el Universo algún otro proceso físico, aparte de la evolución estelar, que pueda producir un hoyo negro mucho más (o mucho menos) masivo que una estrella.
En los últimos años, los astrofísicos han empezado a sospechar que existen hoyos negros gigantescos, cientos de millones más masivos que el Sol, escondidos en el centro de algunas galaxias. El origen de tales hoyos negros es aún muy incierto. Podrían haberse formado, en principio, en las épocas en que la densidad de materia en el Universo era muchísimo mayor que la actual. La idea de que existan tales hoyos negros gigantescos está relacionada, en buena parte, con el descubrimiento de los cuasares,2 sin duda los objetos más misteriosos que hayan descubierto los astrónomos.
Los cuasares son objetos más lejanos que se pueden observar en el Universo: se encuentran a varios miles de millones de años luz de distancia. A través de un lente telescopio, un cuasar tiene la apariencia de una débil estrella (Figura 25). Sin embargo, la mayoría de ellos hace poderosas emisiones de radio, por lo que los primeros en detectarlos fueron los radioastrónomos.
Figura 25. El cuasar 3C 273 (a la izquierda). Nótese el chorro emitido. Al lado se ve una estrella común.
Lo extraordinario de un cuasar no es tanto la distancia a la que se encuentra, sino el hecho de que sea visible. Para que un objeto tan lejano se pueda observar, debe ser intrínsecamente tan brillante como mil billones (1015) de soles o un millar de galaxias. Y los cuasares que emiten ondas de radio deben ser millones de veces más potentes en esas longitudes de onda que nuestra galaxia, la Vía Láctea, en su conjunto.
Todavía más sorprendente es el hecho de que esa fantástica energía proviene de una región cuyo tamaño no excede el del Sistema Solar —apenas una millonésima parte de una galaxia normal—. En efecto, el brillo de los cuasares oscila con periodos típicamente de meses. Como ninguna señal es más rápida que la luminosa, un objeto puede coordinar todas sus partes en unos cuantos meses sólo si su tamaño es mucho menor que la distancia recorrida por la luz en ese tiempo. (En comparación, la luz tarda 60,000 años en atravesar nuestra galaxia.)
La luz emitida por un cuasar tarda varios miles de millones de años en llegar a la Tierra, por lo que vemos a estos objetos tal como eran en un pasado muy remoto, cuando las galaxias apenas estaban en proceso de formación. Una galaxia (Figura 26), como nuestra Vía Láctea, es un conglomerado de billones de estrellas. Las observaciones astronómicas más recientes han revelado la existencia de ciertas galaxias cuyos núcleos —regiones centrales— presentan semejanzas con los cuasares, aunque a una escala de energía menor. Hoy en día, los astrofísicos piensan que los cuasares son los núcleos de galaxias recién formadas y que la actividad en ellos disminuye con el tiempo, sin llegar a desaparecer del todo.
Una característica notoria de muchos cuasares es la eyección de un chorro de gas sumamente energético. En la figura 25 vimos claramente el chorro asociado al cuasar 3C 273; quizá tiene una contraparte, del otro lado del cuasar, no detectada por ser menos luminosa.
Es curioso que algunas galaxias también emiten chorros de gas semejantes desde sus núcleos. En la figura 27 se ve la galaxia M 87 con su chorro correspondiente que mide unos 5 000 años luz de longitud. La galaxia y el chorro emiten ondas de radio y rayos X. M87 se encuentra a unos 50 millones de años-luz, pero si estuviera más lejos, la veríamos como un cuasar bastante típico.
Figura 27. La galaxia M 87. Nótese el chorro de gas, similar al del cuasar de la figura 25.
En todas las galaxias que poseen chorros, éstos emergen de una región central cuyo tamaño es extremadamente pequeño con respecto a la galaxia misma. Indudablemente, algo extraño sucede en los núcleos de ciertas galaxias (Figura 28). Para explicar la enorme generación de energía en regiones tan pequeñas de cuasares y núcleos de galaxias, los astrofísicos han postulado la posible existencia de hoyos negros gigantescos que podrían generarlos. En la actualidad ésta es la explicación más popular, aunque hay que aclarar que aún faltan muchas observaciones y estudios teóricos para confirmar esta hipótesis.
Figura 28. Imagen en ondas de radio de la galaxia NGC 6251, en tres escalas distintas, construida a partir de observaciones radioastronómicas. Se ve el nacimiento de uno de los chorros que posee la galaxia. (Adaptado de Readhed, Cohen y Blandford, Nature 272, 1972.)
Un hoyo negro gigante que se encuentre en el centro de una galaxia podría formar a su alrededor un enorme disco de acreción con el gas proveniente de las estrellas cercanas o del material interestelar. A medida que este gas se acerca al hoyo negro, se calentará por fricción y liberará energía, tal como sucede en el caso de un disco de acreción alrededor de un hoyo negro de origen estelar. Se ha calculado que el disco de acreción alrededor de un hoyo negro gigante podría ser muy grueso, de manera que se forman dos remolinos de cada lado del hoyo, paralelos al eje de rotación del gas. Estos remolinos funcionarían como cañones por donde se arroja la materia que no penetra al hoyo, produciendo así los misteriosos chorros de gas que mencionamos anteriormente (Figura 29).
Figura 29. Posible mecanismo para producir chorros: un disco grueso forma dos remolinos y la presión de la radiación cerca del hoyo negro empuja el material que no penetra al hoyo, a lo largo de los remolinos.
Recientemente se han encontrado más evidencias indirectas de que existen objetos muy masivos y compactos en los núcleos galácticos. En algunas galaxias, la actividad es muy intensa, mientras que en otras sólo se manifiesta indirectamente. Uno de los problemas más apasionantes de la astrofísica moderna es elucidar la naturaleza de la misteriosa "máquina central" que funciona en el centro de las galaxias y en los cuasares. La única hipótesis plausible, hasta ahora, es que un gigantesco hoyo negro sea la pieza fundamental de esa maquinaria.
A diferencia de los hoyos negros formados por colapso gravitacional, el origen de los hoyos negros supermasivos es todavía incierto. Una posibilidad interesante es que se hayan formado en los primeros instantes del Universo, como veremos a continuación.
Uno de los descubrimientos más importantes de la astronomía moderna es la expansión del Universo: 3 las galaxias, se alejan unas de otras con una velocidad proporcional a la distancia entre ellas. Si el Universo se expande, la materia en el pasado debió estar concentrada a densidades más altas que las actuales y el Universo mismo debió tener un inicio. Si se extrapola la historia del Universo hacia atrás en el tiempo, se llega a un estado de densidad prácticamente infinita. Según la cosmología moderna, el Universo tuvo su inicio en lo que se ha llamado la "Gran Explosión" y ha evolucionado, desde entonces, expandiéndose continuamente. A partir de la velocidad de expansión, se puede calcular fácilmente que la Gran Explosión debió de ocurrir hace unos 15 mil millones de años.
Durante los primeros segundos del Universo, la materia estaba en condiciones físicas muy distintas de las que se conocen en la actualidad. Todo era una mezcla de partículas elementales que interactuaban continuamente entre sí a temperaturas y densidades que nunca se volverán a presentar en ninguna parte del Universo. Hoy en día, los físicos y cosmólogos más temerarios pretenden describir las condiciones del Universo apenas 10-35 segundos después de la Gran Explosión, cuando la temperatura ambiente era de los 10 28 grados 4. Por muy fantásticas que parezcan estas cifras, corresponden a situaciones físicas que se encuentran en el ámbito de las teorías modernas de partículas elementales; los cosmólogos esperan poder confirmar estas teorías, en un futuro no muy lejano, a través de observaciones astronómicas.
Inicialmente, la materia en el Universo debió estar distribuida uniformemente. Sin embargo, debido al movimiento caótico de la materia, se pudieron formar zonas un poco más densas que el promedio: algo semejante a las grumos que se forman en una pasta. Lo importante es que, una vez que apareció un grumo, empezó a contraerse por su propia fuerza gravitacional y a atraer más materia de sus alrededores. La mayoría de los astrofísicos piensan que las galaxias tuvieron su origen en estos grumos cósmicos que aumentaron su tamaño y concentración por su propia atracción gravitacional.
Por el mismo proceso que dio origen a las galaxias, se pudieron formar concentraciones aún más compactas de materia que, en lugar de galaxias, se transformaron en hoyos negros. El mecanismo de formación de tales hoyos negros es aún muy especulativo, pero es posible que en los primeros instantes del Universo se originaran hoyos negros con prácticamente cualquier masa. Los mayores atrajeron materia a su alrededor, sin llegar a absorberla totalmente y formaron así las galaxias; de ser correcta esta hipótesis, debería de localizarse un hoyo negro en el centro de cada galaxia.5
En el otro extremo, también pudieron formarse "minihoyos negros", con una variedad de masas desde microgramos hasta millones de toneladas, dependiendo de la época en que se originaron. Un hoyo negro de un billón de toneladas, por ejemplo, tendría un radio de sólo 10-10 centímetros, comparable al tamaño de un átomo. Se puede especular que tales minihoyos rondan por el Universo: si uno de ellos llegara a la Tierra, la atravesaría de lado a lado como una bala a través del aire.6 En el capítulo VI veremos algunas de las implicaciones astronómicas de la existencia de minihoyos negros.
NOTAS
1 Palabra aún no aceptada por la Real Academia, pero de amplio uso en la comunidad científica.
2 Para una información más detallada, véase Cuasares: en los confines del Universo, de D. Dultzin, en La Ciencia desde México, FCE.
3 Véase El descubrimiento de Universo, S. Hacyan, La Ciencia desde México, núm. 6.
4 S. Hacyan, op. cit.
5 D. Dultzin, op. cit.
6 Alguna vez se propuso que la misteriosa explosión de 1906 en Tunguska, Siberia, se debió al choque de la Tierra con un minihoyo negro, pero esa hipótesis no resistió un examen cuidadoso.
