35 Agujeros negros supermasivos

Acechando en el centro de la mayoría de las galaxias hay un agujero negro supermonstruoso. Con una masa millones o miles de millones de veces más grande que la del Sol, y con una extensión parecida al tamaño de un sistema solar, los agujeros negros supermasivos influyen en cómo crecen las galaxias. El tamaño del agujero negro está en proporción con la protuberancia de la galaxia, lo que implica que los agujeros negros son ingredientes fundamentales y que también pueden someter a la galaxia a grandes explosiones de energía si se activan durante colisiones galácticas.

Desde el descubrimiento de los cuásares y de los núcleos activos galácticos en la década de los sesenta del siglo XX, los astrónomos han averiguado que los agujeros negros gigantes (con una masa millones o miles de millones mayor que una sola estrella) pueden existir en los centros de las galaxias. En la última década, se ha comprobado que todas las galaxias pueden albergar agujeros negros. En la mayoría de los casos, están inactivos; en algunas circunstancias se iluminan cuando se introduce material en ellos, como cuando los vemos como cuásares. Hay varios modos de decir si hay un agujero negro en el centro de una galaxia. Lo primero que hay que hacer es observar los movimientos de las estrellas cerca del núcleo de la galaxia. Las estrellas viajan en órbitas alrededor del centro de masa de una galaxia, del mismo modo que los planetas en nuestro sistema solar giran alrededor de nuestro Sol. Sus órbitas también siguen las leyes de Kepler, de manera que las estrellas cercanas al centro de una galaxia recorren sus trayectorias elípticas más rápido que las que están en una posición más exterior. Así que cuanto más cerca del centro consigamos medir la velocidad, más podremos precisar la cantidad y la extensión de la masa que está dentro de las órbitas de las estrellas interiores.

Los astrónomos han descubierto que las estrellas que están más cerca del centro de la mayoría de las galaxias se mueven a una velocidad demasiado alta que no puede explicarse sólo por las estrellas, el gas y la materia. Este fenómeno resulta evidente si se observan los cambios Doppler de las líneas espectrales de esas estrellas más recónditas. Los rápidos movimientos estelares implican la existencia de agujeros negros gigantes en el corazón de la galaxia, con millones o miles de millones de veces más masa que el Sol, y contenidos en una región del tamaño de nuestro sistema solar.

Nuestro centro galáctico La Vía Láctea tiene un agujero negro en su centro. El centro galáctico se encuentra en una constelación de Sagitario, cerca de una fuente llamada Sag A*. Los astrónomos han encontrado docenas de estrellas cercanas a ella, y ven pruebas claras de un agujero negro oculto en sus movimientos. Durante más de una década, las estrellas siguen sus órbitas, pero cuando llegan cerca del lugar donde se piensa que acecha el agujero negro, cambian repentinamente de dirección en ese punto y vuelven a lanzarse describiendo trayectorias alargadas. Algunos cometas de nuestro sistema solar siguen describiendo órbitas extremas similares, acelerando al pasar junto al Sol y disminuyendo la velocidad en los extremos helados de nuestro sistema solar exterior. Las estrellas del centro galáctico muestran que hay algo con una masa enorme, compacto e invisible en el centro de la Vía Láctea y cuya masa es cuatro millones de veces la del Sol: un agujero negro supermasivo.

Los radioastrónomos pueden medir de manera similar las velocidades de fuentes brillantes que pueblan las regiones centrales de las galaxias, tales como los objetos de agua máser, que emiten intensas radioondas debido a la estimulación de las moléculas de agua. En varias galaxias, la existencia de un agujero negro masivo y compacto se ha deducido gracias a las velocidades máser que siguen las leyes de Kepler.

Relación protuberancia-masa Antes de 2000, se consideraba que los agujeros negros supermasivos eran un componente poco usual de las galaxias. Resultaba evidente que las galaxias activas los tenían, y aparecían en otras galaxias inactivas, pero no se consideraban elementos clave. No obstante, eso cambió rápidamente cuando la visión que tenían los astrónomos de las zonas centrales de las galaxias se aclaró con nuevos y poderosos telescopios e instrumentos que podían medir las velocidades de las estrellas. Enseguida resultó evidente que todas las galaxias tienen agujeros negros.

Además, la masa del agujero negro es proporcional a la masa de la protuberancia de la galaxia en la que se encuentra. Ésta fue la conclusión de un estudio de cientos de galaxias durante el cual los astrónomos midieron la propagación de las velocidades de las estrellas en los centros galácticos para averiguar la masa central, y, después, compararon esos datos con la masa de su protuberancia. La correlación era casi de uno a uno. La tendencia se mantenía independientemente del tipo de galaxia, y planteaba nuevas preguntas sobre las relaciones entre los diferentes tipos, tal y como se disponían en el diagrama de diapasón de Hubble. Las protuberancias de las galaxias espirales y las elípticas no parecían similares en cuanto a sus colores y las edades de sus estrellas; esta nueva correlación sugirió que estas estructuras podrían haberse formado de una forma similar. Parecía que los discos eran, de hecho, características añadidas que podían crecer o destruirse.

Esa proporción también resulta sorprendente porque las masas de estos agujeros negros son tan sólo una pequeña fracción (menos del 1 por 100) de la masa total de la galaxia. Por tanto, el agujero negro no influye en el campo gravitatorio más amplio de la galaxia, sino que sólo se puede notar en su entorno inmediato.

¿Semillas o reliquias? ¿Cómo podrían formarse los agujeros negros supermasivos? Sabemos que pueden surgir pequeños agujeros negros cuando las estrellas masivas se colapsan al final de sus vidas: cuando una estrella deja de arder, no puede mantenerse unida contra su propia gravedad y estalla en una cáscara densa. ¿Pero cómo funcionaría eso a escalas millones de veces mayores? Una posibilidad es que los agujeros negros supermasivos sean las reliquias de las primeras estrellas, grandes y de vida corta. Un cúmulo de ellos podrían haberse unido en un solo agujero negro gigante. Por otra parte, los agujeros negros en los centros galácticos podrían ser anteriores a las estrellas, y podrían haber existido cuando o poco después de que naciera el universo.

La siguiente pregunta que se plantea es cómo los agujeros negros aumentan de tamaño. Los astrónomos piensan que las galaxias crecen a través de las fusiones: engullendo a otras más pequeñas e impactando en otras grandes. Pero hay pocas galaxias donde sea evidente que hay agujeros negros dobles o múltiples, incluso en casos en que una fusión haya ocurrido recientemente. Esto sugiere que los agujeros negros centrales deben fusionarse rápidamente, aunque las matemáticas y las simulaciones por ordenador implican otra cosa.

Como los agujeros negros son tan densos y compactos, si se lanzaran unos contra otros en una colisión, rebotarían en lugar de permanecer unidos. La diferencia entre lo que predice la teoría del agujero negro y lo observado en la práctica causa un desconcierto todavía mayor.

Retroalimentación Si aceptáramos que se pueden generar agujeros negros sin problema, de manera que su masa aumente junto con la de la protuberancia en la que se sitúan, se nos plantearía una pregunta: ¿cómo influyen los agujeros negros en una galaxia? Estamos seguros de que, al menos en el 10 por 100 de las galaxias, los agujeros negros están activos. Es plausible que los agujeros negros pasen por fases de actividad y de aletargamiento. Como promedio, deben estar encendidos, absorbiendo gas, durante el 10 por 100 de la vida de la galaxia. Los cuásares se ven claramente afectados por los chorros de alta energía que se producen, por los grandes flujos de gas ionizado, radiación y, a veces, de partículas radioemisoras que se generan en las proximidades de un agujero negro. ¿Podrían haber pasado todas las galaxias por fases activas similares? Los astrónomos sospechan que los agujeros negros siguen ciclos de activación tras las colisiones galácticas. Las fusiones vuelven a alimentar al agujero negro monstruoso que se despierta emitiendo orgullosamente rayos X y despidiendo calor y flujos de partículas. La acumulación de gas también da el pistoletazo de salida a la formación de nuevas estrellas, de manera que la galaxia pasa por una fase de cambio considerable. Finalmente la aportación de gas se acaba y el agujero negro se muere de hambre y se apaga. La galaxia, entonces, vuelve a su estado inactivo, hasta la siguiente fusión. Los agujeros negros supermasivos pueden ser los termostatos que regulan el crecimiento de las galaxias.

La idea en síntesis: la perla negra de una galaxia