IV. LA DETECCI�N DE LOS HOYOS NEGROS
Los hoyos negros no emiten luz, ni ninguna otra se�al; s�lo se manifiestan por medio de su atracci�n gravitacional. Veremos en el presente cap�tulo c�mo la materia atrapada por un hoyo negro puede llegar a liberar enormes cantidades de energ�a antes de ser absorbida definitivamente. Este proceso no s�lo delata la presencia de un hoyo negro, sino que puede ser la clave para explicar un gran n�mero de fen�menos misteriosos del Universo.
Uno de los principios fundamentales de la f�sica es la conservaci�n de la energ�a. La energ�a no puede crearse o desaparecer, pero s� puede cambiar de forma y... existen muchas formas de energ�a en la naturaleza.
El agua que cae de lo alto de una presa hidroel�ctrica hace mover unas turbinas generando as� corriente el�ctrica. En t�rminos f�sicos, la energ�a gravitacional del agua se transforma en energ�a el�ctrica. Evidentemente, mientras m�s alta sea la presa, mayor ser� la energ�a gravitacional que se transforma en el�ctrica.
Otra forma de energ�a es el calor, que es la manifestaci�n macrosc�pica del movimiento de los �tomos. La manera m�s simple de producir calor es por fricci�n: frotando un cuerpo contra otro. Si, por ejemplo, una piedra cae resbal�ndose sobre una superficie rugosa, transforma su energ�a gravitacional en calor por medio de la fricci�n ( Figura 21).
Figura 21. Al deslizarse sobre un plano rugoso, un cuerpo trasforma su energ�a gravitacional en calor, por medio de la fricci�n.
Consideremos ahora una estrella rodeada de una nube de gas. En condiciones normales, el gas cae sobre la estrella y se calienta por la fricci�n entre sus partes (o, a nivel microsc�pico, por los choques entre sus mol�culas). En este ejemplo, tambi�n, la energ�a gravitacional del gas se convierte en calor.
El proceso por el que un cuerpo c�smico, como una estrella, atrae gravitacionalmente y absorbe el gas de sus alrededores ha sido llamado acreci�n 1 por los astrof�sicos. Es un fen�meno bastante frecuente y de efectos muy interesantes.
El caso m�s extremo en cuanto a generaci�n de energ�a, es el de la acreci�n 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 ca�da en el hoyo. Si, por el contrario, la ca�da del cuerpo es frenada por alg�n tipo de fricci�n, la energ�a gravitacional del cuerpo se transforma en calor. En el caso de un gas que es atra�do por un hoyo negro la cantidad de energ�a generada en forma de calor llega a ser una fracci�n importante de la energ�a en forma de masa que posee el gas (seg�n la f�rmula E =mc�). Los astrof�sicos han calculado que la acreci�n en un hoyo negro puede ser un mecanismo para generar energ�a a�n m�s eficiente que la fusi�n nuclear, en la que "s�lo" un 4% de la masa del hidr�geno se libera en forma de energ�a.
Por supuesto, un hoyo negro debe de estar rodeado de una gran cantidad de gas para que se produzca una acreci�n. Veamos a continuaci�n de d�nde puede provenir ese gas.
HOYOS NEGROS EN SISTEMAS BINARIOS
La mayor�a de las estrellas se encuentran formando grupos de dos o m�s, amarradas entre s� por su mutua atracci�n gravitacional; las estrellas aisladas como el Sol son m�s bien la excepci�n., 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 s� que sus atm�sferas se tocan, y llegan a intercambiar materia; en este �ltimo caso, diversos fen�menos interesantes ocurren por el fen�meno de acreci�n de la materia de una estrella por su compa�era.
En principio, se puede dar el caso de que una de las estrellas de un sistema binario sea mucho m�s masiva que la otra y, en consecuencia, evolucione m�s r�pidamente, pasando por todas las fases de la vida de una estrella hasta terminar en una supernova y, posteriormente, en un hoyo negro. Resultar�, entonces, un sistema muy peculiar en el que un hoyo negro y una estrella normal giran uno en torno del otro amarrados por su atracci�n gravitacional.
Las estrellas suelen arrojar cantidades considerables de gas de sus atm�sferas al espacio por la presi�n de su radiaci�n. En nuestro sistema planetario, los efectos del llamado viento solar son bien conocidos por astr�nomos y geof�sicos, pero, en muchas estrellas, los vientos estelares pueden ser mucho m�s intensos que en el caso del Sol. Tambi�n, como se�alamos anteriormente, las estrellas tienden a crecer considerablemente al final de sus vidas, torn�ndose en gigantes rojas y perdiendo parte de su atm�sfera.
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 s�. Si la estrella normal est� arrojando parte de su atm�sfera por el mecanismo del viento estelar, o est� creciendo, entonces una fracci�n de ese material es capturada por el hoyo negro. Este fen�meno de captura puede generar enormes cantidades de energ�a.
Debido a la atracci�n gravitacional y a la rotaci�n del sistema, el gas de la estrella fluye por una zona peque�a de su atm�sfera, localizada precisamente frente al hoyo negro y no cae directamente en �ste, sino que gira a su alrededor formando un disco de acreci�n (Figura 23).
Figura 23. Formaci�n de un disco de acreci�n en un sistema binario compuesto por un hoyo negro y una estrella.
Si pudi�ramos seguir la trayectoria de una part�cula de gas en el disco de acreci�n, ver�amos que gira alrededor del hoyo negro y se acerca lentamente a �ste describiendo una espiral. Si la part�cula estuviera aislada, girar�a indefinidamente alrededor del hoyo negro, tal como un planeta alrededor del Sol. Pero, al chocar con las otras part�culas del gas perder� parte de su energ�a de movimiento y se acercar� gradualmente al hoyo negro. La situaci�n es similar a la de un sat�lite artificial en �rbita alrededor de la Tierra: si el sat�lite se encuentra fuera de la atm�sfera terrestre, girar� indefinidamente; pero si su �rbita se encuentra dentro de la atm�sfera perder� su energ�a por la fricci�n con el aire, se calentar� al rojo vivo y, finalmente, caer� al suelo. Lo mismo sucede con el gas en el disco de acreci�n: en este caso, la fricci�n de las diversas partes del gas entre s� lo calentar�n enormemente, a costa de frenar su ca�da al hoyo negro.
Como consecuencia de la fricci�n, el gas del disco de acreci�n se calienta cada vez m�s a medida que se acerca al hoyo negro. Los astrof�sicos han calculado que la temperatura en la parte central de un disco de acreci�n —aqu�lla m�s 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 electromagn�tica cuya longitud de onda determina el color. Nuestros ojos s�lo pueden percibir la luz con longitudes de onda entre 4 y 8 cienmil�simas de cent�metro que correponden al violeta y al rojo, respectivamente: los dos extremos del arco iris. Pero, m�s all� del violeta, est�n la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, con longitudes de onda corta (y energ�as mayores); en el otro extremo, m�s all� del rojo, est�n la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio, con longitudes de onda cada vez mayores (y energ�as menores). (Figura 24.)
Figura 24. El espectro electromagn�tico. La luz visible corresponde
a un peque�o 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.
As�, el gas de un disco de acreci�n 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 tendr�a la apariencia de una estrella normal que gira alrededor de una compa�era invisible y, adem�s, la posici�n de ese sistema coincidir�a con una fuente c�smica de rayos X.
Hay que precisar que la formaci�n de un disco de acreci�n no es exclusiva de un hoyo negro. Si la compa�era de la estrella normal es una estrella de neutrones, cuyo tama�o y atracci�n gravitacional son comparables a las de un hoyo negro, tambi�n se puede formar un disco de acreci�n con caracter�sticas muy semejantes a las que se originan alrededor de un hoyo negro. La emisi�n 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 �sta emita los pulsos de radio tan caracter�sticos 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 par�metro dr�stico 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 c�smico no pueden llegar a la superficie de la Tierra porque son absorbidos por la atm�sfera terrestre. La �nica manera de detectarlos es por medio de telescopios espaciales colocados en los sat�lites artificiales que giran por encima de la atm�sfera terrestre. En 1970 se puso en �rbita. un sat�lite llamado Uhuru, dise�ado especialmente para observar el cielo a la luz de los rayos X. La imagen del Universo que se revel� result� ser muy distinta de la que estamos acostumbrados a ver. Por lo que se refiere al tema que nos interesa, el sat�lite localiz� varias fuentes de rayos X en el cielo, cada una de las cuales coincid�a, en posici�n, justamente con una estrella "normal". Al observar esas estrellas con un telescopio terrestre, se descubri� que todas formaban parte de sistemas binarios en los que una de las componentes era invisible. En la mayor�a de los casos, el miembro invisible del sistema binario result� ser una estrella de neutrones, caracterizada por la t�pica emisi�n de pulsos de radio. Pero, en algunos casos, no se detectaron tales pulsos: �podr�a tratarse de hoyos negros?
Evidentemente, si se logra determinar la masa del objeto que se encuentra en el centro del disco de acreci�n y �sta resulta ser de varias veces la del Sol, entonces no habr� duda de que se trata de un hoyo negro. Sin embargo, medir la masa de una estrella, o de cualquier objeto c�smico, es imposible en la pr�ctica, a menos de que se pueda observar c�mo influye gravitacionalmente sobre alg�n cuerpo masivo cercano cuya masa s� sea conocida. Los astr�nomos 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 seg�n sus caracter�sticas directamente observadas, lo que ha permitido establecer una relaci�n 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 astr�nomos pueden determinar, la masa aproximada de la compa�era invisible. En algunos casos, esta masa result� ser demasiado grande para una estrella de neutrones.
El caso m�s conocido y mejor estudiado es el del sistema Cygnus X-1, as� llamado porque es la primera fuente de rayos X que se descubri� en la constelaci�n del Cisne. Esta fuente corresponde, en luz visible, a una aparentemente insignificante estrella, s�lo visible con telescopio, que lleva el n�mero 1665 en el cat�logo Henry Draper (HD) de estrellas. HD 1665 es un sistema binario formado por una estrella gigante muy caliente, que da una vuelta en 5 d�as y medio alrededor de otro cuerpo masivo invisible. Se han hecho varias estimaciones de la masa de ese compa�ero invisible y todos los c�lculos indican que es superior a 7 veces la masa solar. Hoy en d�a, la mayor�a de los astr�nomos est�n 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 acreci�n.
Hasta ahora, se conocen tres casos de fuentes de rayos X que, seg�n
las evidencias, podr�an corresponder a sistemas binarios con hoyo negro. Cygnus
X-1 sigue siendo el m�s notorio y el mejor estudiado por su relativa
cercan�a (�s�lo diez mil a�os luz!). Otro sistema binario, muy parecido a Cygnus
X-1, pero considerablemente m�s alejado, es LMC X-3,
en la Nube Mayor de Magallanes. M�s recientemente, en 1986, se descubri� que
un sistema binario, con el nombre poco sugestivo de A 0620-00 y a s�lo 3 000
a�os luz de distancia, emit�a rayos X; una de las componentes no se observaba
y la otra era una estrella m�s peque�a que el Sol. A partir del periodo de revoluci�n
de la estrella visible, se calcul� 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 N�CLEOS DE GALAXIAS
Hasta ahora hemos visto que los hoyos negros pueden ser la �ltima fase evolutiva de las estrellas muy masivas. Sin embargo, cabe preguntarse si existe en el Universo alg�n otro proceso f�sico, aparte de la evoluci�n estelar, que pueda producir un hoyo negro mucho m�s (o mucho menos) masivo que una estrella.
En los �ltimos a�os, los astrof�sicos han empezado a sospechar que existen hoyos negros gigantescos, cientos de millones m�s masivos que el Sol, escondidos en el centro de algunas galaxias. El origen de tales hoyos negros es a�n muy incierto. Podr�an haberse formado, en principio, en las �pocas en que la densidad de materia en el Universo era much�simo mayor que la actual. La idea de que existan tales hoyos negros gigantescos est� relacionada, en buena parte, con el descubrimiento de los cuasares,2 sin duda los objetos m�s misteriosos que hayan descubierto los astr�nomos.
Los cuasares son objetos m�s lejanos que se pueden observar en el Universo: se encuentran a varios miles de millones de a�os luz de distancia. A trav�s de un lente telescopio, un cuasar tiene la apariencia de una d�bil estrella (Figura 25). Sin embargo, la mayor�a de ellos hace poderosas emisiones de radio, por lo que los primeros en detectarlos fueron los radioastr�nomos.
Figura 25. El cuasar 3C 273 (a la izquierda). N�tese el chorro emitido. Al lado se ve una estrella com�n.
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 intr�nsecamente 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 m�s potentes en esas longitudes de onda que nuestra galaxia, la V�a L�ctea, en su conjunto.
Todav�a m�s sorprendente es el hecho de que esa fant�stica energ�a proviene de una regi�n cuyo tama�o no excede el del Sistema Solar —apenas una millon�sima parte de una galaxia normal—. En efecto, el brillo de los cuasares oscila con periodos t�picamente de meses. Como ninguna se�al es m�s r�pida que la luminosa, un objeto puede coordinar todas sus partes en unos cuantos meses s�lo si su tama�o es mucho menor que la distancia recorrida por la luz en ese tiempo. (En comparaci�n, la luz tarda 60,000 a�os en atravesar nuestra galaxia.)
La luz emitida por un cuasar tarda varios miles de millones de a�os 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 formaci�n. Una galaxia (Figura 26), como nuestra V�a L�ctea, es un conglomerado de billones de estrellas. Las observaciones astron�micas m�s recientes han revelado la existencia de ciertas galaxias cuyos n�cleos —regiones centrales— presentan semejanzas con los cuasares, aunque a una escala de energ�a menor. Hoy en d�a, los astrof�sicos piensan que los cuasares son los n�cleos de galaxias reci�n formadas y que la actividad en ellos disminuye con el tiempo, sin llegar a desaparecer del todo.
Una caracter�stica notoria de muchos cuasares es la eyecci�n de un chorro de gas sumamente energ�tico. En la figura 25 vimos claramente el chorro asociado al cuasar 3C 273; quiz� tiene una contraparte, del otro lado del cuasar, no detectada por ser menos luminosa.
Es curioso que algunas galaxias tambi�n emiten chorros de gas semejantes desde sus n�cleos. En la figura 27 se ve la galaxia M 87 con su chorro correspondiente que mide unos 5 000 a�os luz de longitud. La galaxia y el chorro emiten ondas de radio y rayos X. M87 se encuentra a unos 50 millones de a�os-luz, pero si estuviera m�s lejos, la ver�amos como un cuasar bastante t�pico.
Figura 27. La galaxia M 87. N�tese el chorro de gas, similar al del cuasar de la figura 25.
En todas las galaxias que poseen chorros, �stos emergen de una regi�n central cuyo tama�o es extremadamente peque�o con respecto a la galaxia misma. Indudablemente, algo extra�o sucede en los n�cleos de ciertas galaxias (Figura 28). Para explicar la enorme generaci�n de energ�a en regiones tan peque�as de cuasares y n�cleos de galaxias, los astrof�sicos han postulado la posible existencia de hoyos negros gigantescos que podr�an generarlos. En la actualidad ésta es la explicaci�n m�s popular, aunque hay que aclarar que a�n faltan muchas observaciones y estudios te�ricos para confirmar esta hip�tesis.
Figura 28. Imagen en ondas de radio de la galaxia NGC 6251, en tres escalas distintas, construida a partir de observaciones radioastron�micas. 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 podr�a formar a su alrededor un enorme disco de acreci�n con el gas proveniente de las estrellas cercanas o del material interestelar. A medida que este gas se acerca al hoyo negro, se calentar� por fricci�n y liberar� energ�a, tal como sucede en el caso de un disco de acreci�n alrededor de un hoyo negro de origen estelar. Se ha calculado que el disco de acreci�n alrededor de un hoyo negro gigante podr�a ser muy grueso, de manera que se forman dos remolinos de cada lado del hoyo, paralelos al eje de rotaci�n del gas. Estos remolinos funcionar�an como ca�ones por donde se arroja la materia que no penetra al hoyo, produciendo as� 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 presi�n de la radiaci�n cerca del hoyo negro empuja el material que no penetra al hoyo, a lo largo de los remolinos.
Recientemente se han encontrado m�s evidencias indirectas de que existen objetos muy masivos y compactos en los n�cleos gal�cticos. En algunas galaxias, la actividad es muy intensa, mientras que en otras s�lo se manifiesta indirectamente. Uno de los problemas m�s apasionantes de la astrof�sica moderna es elucidar la naturaleza de la misteriosa "m�quina central" que funciona en el centro de las galaxias y en los cuasares. La �nica hip�tesis 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 todav�a incierto. Una posibilidad interesante es que se hayan formado en los primeros instantes del Universo, como veremos a continuaci�n.
Uno de los descubrimientos m�s importantes de la astronom�a moderna es la expansi�n 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 debi� estar concentrada a densidades m�s altas que las actuales y el Universo mismo debi� tener un inicio. Si se extrapola la historia del Universo hacia atr�s en el tiempo, se llega a un estado de densidad pr�cticamente infinita. Seg�n la cosmolog�a moderna, el Universo tuvo su inicio en lo que se ha llamado la "Gran Explosi�n" y ha evolucionado, desde entonces, expandi�ndose continuamente. A partir de la velocidad de expansi�n, se puede calcular f�cilmente que la Gran Explosi�n debi� de ocurrir hace unos 15 mil millones de a�os.
Durante los primeros segundos del Universo, la materia estaba en condiciones f�sicas muy distintas de las que se conocen en la actualidad. Todo era una mezcla de part�culas elementales que interactuaban continuamente entre s� a temperaturas y densidades que nunca se volver�n a presentar en ninguna parte del Universo. Hoy en d�a, los f�sicos y cosm�logos m�s temerarios pretenden describir las condiciones del Universo apenas 10-35 segundos despu�s de la Gran Explosi�n, cuando la temperatura ambiente era de los 10 28 grados 4. Por muy fant�sticas que parezcan estas cifras, corresponden a situaciones f�sicas que se encuentran en el �mbito de las teor�as modernas de part�culas elementales; los cosm�logos esperan poder confirmar estas teor�as, en un futuro no muy lejano, a trav�s de observaciones astron�micas.
Inicialmente, la materia en el Universo debi� estar distribuida uniformemente. Sin embargo, debido al movimiento ca�tico de la materia, se pudieron formar zonas un poco m�s densas que el promedio: algo semejante a las grumos que se forman en una pasta. Lo importante es que, una vez que apareci� un grumo, empez� a contraerse por su propia fuerza gravitacional y a atraer m�s materia de sus alrededores. La mayor�a de los astrof�sicos piensan que las galaxias tuvieron su origen en estos grumos c�smicos que aumentaron su tama�o y concentraci�n por su propia atracci�n gravitacional.
Por el mismo proceso que dio origen a las galaxias, se pudieron formar concentraciones a�n m�s compactas de materia que, en lugar de galaxias, se transformaron en hoyos negros. El mecanismo de formaci�n de tales hoyos negros es a�n muy especulativo, pero es posible que en los primeros instantes del Universo se originaran hoyos negros con pr�cticamente cualquier masa. Los mayores atrajeron materia a su alrededor, sin llegar a absorberla totalmente y formaron as� las galaxias; de ser correcta esta hip�tesis, deber�a de localizarse un hoyo negro en el centro de cada galaxia.5
En el otro extremo, tambi�n pudieron formarse "minihoyos negros", con una variedad de masas desde microgramos hasta millones de toneladas, dependiendo de la �poca en que se originaron. Un hoyo negro de un bill�n de toneladas, por ejemplo, tendr�a un radio de s�lo 10-10 cent�metros, comparable al tama�o de un �tomo. Se puede especular que tales minihoyos rondan por el Universo: si uno de ellos llegara a la Tierra, la atravesar�a de lado a lado como una bala a trav�s del aire.6 En el cap�tulo VI veremos algunas de las implicaciones astron�micas de la existencia de minihoyos negros.
NOTAS
1 Palabra a�n no aceptada por la Real Academia, pero de amplio uso en la comunidad cient�fica.
2 Para una informaci�n m�s detallada, v�ase Cuasares: en los confines del Universo, de D. Dultzin, en La Ciencia desde M�xico, FCE.
3 V�ase El descubrimiento de Universo, S. Hacyan, La Ciencia desde M�xico, n�m. 6.
4 S. Hacyan, op. cit.
5 D. Dultzin, op. cit.
6 Alguna vez se propuso que la misteriosa explosi�n de 1906 en Tunguska, Siberia, se debi� al choque de la Tierra con un minihoyo negro, pero esa hip�tesis no resisti� un examen cuidadoso.
