Hoyos negros, ¿Fuentes de vida?

Los hoyos negros en el centro de las galaxias esparcen metales a lo largo del Universo

Cortesía de la NASA

• Los hoyos negros no son los monstruos voraces que engullen todo a su alrededor, parte del material que los circunda es expulsado con gran fuerza hacia toda la galaxia y el medio intergaláctico.

• El equipo internacional de astrónomos que hizo el descubrimiento fue lidereado por Yair Krongold, del Instituto de Astronomía de la UNAM.

• El gas que logra escapar de la tremenda fuerza de atracción de un hoyo negro es regado en el espacio intergaláctico a velocidades mayores a los 6 millones de km/hr.

El gas caliente que escapa de los linderos de enormes hoyos negros podría ser la clave de una forma de “contaminación” intergaláctica con los mismos elementos químicos necesarios para formar moléculas orgánicas (Carbono, oxígeno, nitrógeno, etc.), según las observaciones hechas por el grupo de Yair Krongold, del Instituto de Astronomía de la UNAM, con el satélite de XMM-NEWTON de la Agencia Espacial Europea.

Los hoyos negros no son los voraces monstruos que se engullen todo lo que se les acerca, según los hace parecer la cultura popular. Mientras que el gas circundante al hoyo negro, llamado disco de acreción, no cruce la frontera conocida como el horizonte de eventos, todavía puede escaparse si se calienta lo suficiente.

Durante décadas, los astrofísicos han observado gas caliente que logra escapar de las cercanías del centro de las galaxias activas (galaxias con hoyos negros en su centro) pero hasta ahora se comprueba que el gas escapa de la frontera de los hoyos negros a velocidades de 1000-2000 kilómetros por segundo. Además de maravillarse, los astrofísicos se han preguntado cuánto podría ser el gas que escapa de ser engullido por el hoyo negro. Ahora, con el telescopio espacial de rayos-x XMM-NEWTON de la Agencia Espacial Europea (ESA) han podido obtener medidas bastante precisas de este proceso.

Un equipo internacional de astrónomos, capitaneados por Yair Krongold, del Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México, puso la mira desde hace año y medio en un hoyo negro de dos millones de masas solares que se encuentra en el centro de la galaxia activa NGC 4051. Esta peculiar galaxia varía su brillo en cuestión de horas, lo que permite hacer un seguimiento de los cambios en las emisiones de gas. Observaciones anteriores sólo habían revelado las propiedades promedio del gas que logra escapar de la galaxia. Gracias a las capacidades únicas del XMM-NEWTON de mirar un solo objeto celeste con varios instrumentos al mismo tiempo, el equipo acopió información sobre las variaciones en el resplandor del gas y su estado de ionización.

Galaxia NGC 4051, cortesía de Chris Deforeit

Con los datos obtenidos con el XMM-NEWTON, el equipo observó que el gas logra escaparse desde mucho más cerca del hoyo negro de lo que se pensaba. Los investigadores también pudieron determinar la cantidad de gas que evitaba ser engullido. “Calculamos que entre el 2 y el 5 por ciento del material que gira en torno al hoyo negro, o material de acreción, es el que logra escapar”, según aseveró Fabrizio Nicastro, miembro del equipo y que pertenece al Centro de Harvard-Smithsonian de Astrofísica. “Esto es menos de lo que algunos astrónomos esperaban”, agregó.

El gas caliente contiene elementos químicos pesados, que los astrónomos llaman metales. Los metales en realidad son cualquier elemento más pesado que el hidrógeno o el helio, estos incluyen al carbono, el elemento esencial para la vida en la Tierra. Los metales son fabricados en el interior de las estrellas, y expulsados cuando estas estallan en supernovas o nebulosas planetarias, sinembargo la fuerza de las estrellas no es suficiente para bañar a toda la galaxia y el medio intergaláctico con metales. Los astrónomos se han preguntado cómo es que los metales llegan al espacio intergaláctico. El trabajo realizado por este grupo de astrónomos proporciona una pista, pero quizás no la solución definitiva a la interrogante. Galaxias activas más poderosas que NGC 4051 pueblan el espacio, se les conoce como cuásares. Se trata de galaxias en cuyo centro hay un hoyo negro que se alimenta vorazmente del material que lo circunda. Pero también tienen vientos de gas que escapan y de esa manera son acarreados los metales al espacio intergaláctico.

Si los cuásares son los responsables de rociar de metales el espacio intergaláctico, la contaminación podría estarse expandiendo en burbujas que rodean a cada cuasar. De esta forma las diferentes regiones del Universo serían enriquecidas por metales a diferentes velocidades. Esto puede explicar por qué los astrónomos ven diferentes cantidades de metales según la dirección hacia la que están haciendo sus observaciones.

Sin embargo, si la fracción del gas que escapa del hoyo negro es tan baja como el XMM-NEWTON muestra en NGC 4051, los astrónomos tendrán que encontrar otra fuente de metales intergalácticos. Estas fuentes podrían ser las galaxias que con mayor frecuencia forman estrellas, las llamadas Galaxias Infra Rojas Ultra Luminosas (ULIRGs, por sus siglas en inglés).

“Con base en estas mediciones puede decirse que los cuásares están haciendo su contribución de metales al espacio intergaláctico, pero no de todos los metales que hay en el medio intergaláctico, " según concluye Yair Krongold.

Para continuar su investigación, los astrónomos tendrán que utilizar la técnica de XMM-NEWTON sobre una galaxia activa más poderosa. Tales observaciones les permitirán determinar si la cantidad de gas que logra escapar del hoyo negro cambia o permanece igual. Si la cantidad se incrementa habrán solucionado el rompecabezas. Si la cantidad no cambia, la búsqueda tendrá que seguir …

El equipo de investigadores liderado por Yair Krongold, del Instituto de Astronomía de la UNAM, está conformado por Fabrizio Nicastro, del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics y el Observatorio Astronómico de Roma (quien también ha trabajado en el IA-UNAM); Martin Elvis y Nancy Brickhouse, también del HSCA; Luc Binette, del IA-UNAM; Smita Mathur, de la Ohio State University, y Elena Jiménez-Bailón, del Departamento de Física de la Università degli Studi “Roma Tre”

Los resultados de esta investigación han sido publicados en The Astrophysical Journal V600 N1, Mayo 1 2007 bajo el título: The Compact, Conical, Accretion-disk Warm Absorber of the Seyfert 1 Galaxy NGC 4051 and its Implications for IGM-Galaxy Feedback Processes

Yair Krongold, mexicano de nacimiento, estudió la carrera de física en la Facultad de Ciencias de la UNAM, la maestría y el doctorado (con honores) en el Instituto de Astronomía de la UNAM y realizó un posdoctorado en el Harvard- Smithsonian Center of Astrophysics, EUA. Desde el 2004 es investigador de tiempo completo en el Instituto de Astronomía de la UNAM.

Yair Krongold, José Franco (Director del IA) y Luc Binette en conferencia de prensa

Determinan con más precisión qué es la Energía Oscura

Usaron como herramienta las explosiones más potentes del cosmos

● Astrofísicos de México e Italia descubren una importante manera de medir distancias cósmicas con los Estallidos de Rayos Gamma largos, las explosiones más potentes del cosmos.

● Sus resultados contribuyen a la demostración de la existencia de energía oscura, extraño componente “antigravitatorio” que domina en el universo, y que parece ser la constante cosmológica de Einstein.

● Con esta suerte de “regla de distancias cósmicas” se puede inferir la historia de la expansión del universo.

Uno de los retos más desafiantes de la astrofísica es entender qué es la energía oscura, fuerza a la que se le atribuye la expansión acelerada del Universo que los astrónomos han descubierto recientemente. Gran parte de los grandes telescopios del futuro, tanto en tierra como en el espacio, tienen como una de sus principales misiones encontrar evidencias y explicar qué es esta extraña energía. Entre tras, esa sería una de las misiones del proyecto SPM-Twin (Telescopios Gemelos del Observatorio Astronómico Nacional en San Pedro Mártir, BC., a cargo de la UNAM), una muestra de que la ciencia universitaria busca estar siempre a la vanguardia mundial.

Mientras tanto los astrofísicos intentan idear métodos alternativos para aprender más sobre lo que ya se denomina como el misterio del milenio, la energía oscura. Es el caso de Vladimir Avila-Reese, investigador del Instituto de Astronomía de la UNAM y sus colegas del Observatorio Astronómico de Brera en Italia: Claudio Firmani, Gabriele Ghisellini y Giancarlo Ghirlanda, el primero jubilado de la UNAM y astrónomo emérito de dicho Observatorio. Ellos han introducido la posibilidad de usar los Destellos o Estallidos de Rayos Gamma (ERGs) largos como “faros cósmicos” que permiten medir las escalas de distancia del universo en el pasado muy remoto. Los “faros” por excelencia para estos estudios, y con los que se descubrió la expansión acelerada del universo, han sido las supernovas de tipo Ia. Sin embargo, los ERGs son explosiones mucho más colosales que las supernovas, por lo que podemos registrarlos a distancias mayores, lo que significa también de épocas cercanas al origen del Universo.

A la caza de Estallidos de Rayos Gamma “útiles”

“El reto de los ERGs -explica el Dr. Avila-Reese- es que no son objetos de una misma luminosidad, es decir no son fuentes de luz tan comunes que puedan servir directamente para medir distancias cósmicas. Sin embargo, nuestro grupo descubrió que algunas propiedades observadas de los ERGs están muy relacionadas con su luminosidad, lo cual permite inferir la luminosidad intrínseca de ciertos ERGs a partir de las observaciones, convirtiéndolos en fuentes de luz o “candelas estándar”. La primera relación, descubierta por los colegas italianos de Avila-Reese, requiere no sólo de las observaciones en rayos gamma captadas desde satélites, puesto que esos rayos son bloqueados por nuestra atmósfera, sino que también de observaciones en tierra en el espectro de luz visible e infrarrojo por varias noches para cada ERG, lo cual complica la adquisición de los datos. A este punto Avila-Reese dice: “Aún así, nosotros y posteriormente otros grupos, logramos recopilar una muestra de 15 ERGs útiles para reconstruir la historia de expansión del Universo”. Los resultados fueron publicados en varios artículos en las principales revistas de astronomía que provocaron polémica.

Fig. 2: Mientras la estrella masiva “muere” su núcleo colapsa en un agujero negro. Si estos núcleos giran muy rápido, alrededor del agujero negro se formará un disco que rota. Este disco se calienta tanto mientras es succionado por el agujero negro que produce la eyección de chorros a velocidades cercanas a la de la luz. El material en los chorros choca consigo mismo y se calienta, irradiando ingentes cantidades de enérgicos rayos gamma. En algunos segundos o minutos se libera tanta energía equivalente a trillones de soles juntos (cortesía de NASA y NRAO/AUI & Dana Berry, SkyWorks Digital)
El grupo de Avila-Reese contraatacó en un artículo publicado en Julio del presente año en la prestigiosa revista internacional Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Noticias mensuales del la Real Sociedad Astronómica, del Reino Unido). Ahí reportaron el descubrimiento de una nueva correlación para los ERGs pero, a diferencia de la previa, en este caso la correlación implica propiedades relacionadas sólo a la emisión en rayos gamma. Para establecerla no es necesario hacer observaciones complementarias con telescopio en el espectro de luz visible e infrarrojo. “La correlación en sí implica aspectos fundamentales de la compleja física del fenómeno de producción y emisión de los rayos gamma en los chorros que salen del disco alrededor de un agujero negro, y su interpretación ayudará a entender mejor lo que son los ERG largos” -comenta Avila-Reese. Pero más allá de la interpretación de la correlación descubierta, se la usó de inmediato para trazar la historia de expansión del universo hasta una época récord en este tipo de estudios: la décima parte de la edad actual del Universo, que es de 13,700 millones de años. La muestra de objetos útiles crecerá rápido pues sólo se requieren las observaciones en rayos gamma y el corrimiento el rojo, información que actualmente está recabando el satélite ítalo-estadounidense Swift.

¿Qué es la energía oscura?

En una carta de la edición de octubre de la revista de la Real Sociedad Astronómica, el grupo de Avila-Reese combinó sus resultados con la información previa de una centena de supernovas tipo Ia que se observaron hasta épocas correspondientes a un tercio de la edad actual del Universo. Así, los investigadores obtuvieron un diagrama completo del cambio de distancias en el Universo, desde hoy 13, 700 millones de años, hasta una décima de su edad, mil trescientos millones de años. El modelo actualmente preferido por los investigadores, un Universo con geometría plana y dominio de energía oscura se ve favorecido en este diagrama. Los autores exploraron también modelos donde las propiedades de la energía oscura podrían cambiar con el tiempo. Los datos muestran que lo más factible es que eso no ocurrió, es decir, la energía oscura parece estar bien descrita por la famosa constante cosmológica introducida por Einstein, misma que hoy en día encuentra su explicación física en el vacío cuántico. Este medio repulsivo se cree es el que produjo la inflación original del Universo. Luego la materia, por la fuerza de gravedad, estuvo frenando la expansión, pero más recientemente un posible residuo de aquél vacío del origen está volviendo a hacer de las suyas, acelerando de nueva cuenta la expansión del universo.

Sin embargo, el Dr. Avila-Reese anticipa que aún hay bastante por hacer: “Sólo la combinación de muchos métodos y sondeos observacionales permitirá determinar con precisión los parámetros cosmológicos de nuestro Universo, en especial los que describen a la Energía Oscura. Nuestro método es un grano de arena más en esta apasionante búsqueda del entendimiento del Universo y las leyes que lo rigen. El descubrimiento de la energía oscura parece ser sólo el inicio de una revolución en la cosmología y la física”- enfatizó y para culminar expresó que la astronomía universitaria y mexicana en general, han logrado un importante sitial a nivel internacional, generando conocimiento universal pero también cultura y educación para la sociedad mexicana. “El reto ahora es incrementar el pequeño número de astrónomos mexicanos -y científicos en general- así como emprender nuevos y grandes proyectos científicos, que además puedan generar un impacto tecnológico para México; es algo que la astronomía ha hecho muy bien en los países del primer mundo.”

Fig, 4. Composición actual del universo inferida de la combinación de varios sondeos observacionales. El sondeo del grupo del Dr. Avila-Reese, basado en el uso de ERGs largos y supernovas de tipo Ia, confirma una composición del 27% en materia (oscura y bariónica) y 73% en energía oscura. Además sus resultados favorecen un tipo de energía oscura cuyas propiedades no cambian con la expansión (constante cosmológica).