viernes, 12 de junio de 2026

 

EL COSMOS Y SUS GALAXIAS


https://es.wikipedia.org/wiki/Agujero_negro#/media/Archivo:Evolucion_Universo_CMB_Timeline300_no_WMAP.jpg

 

¿Qué son los agujeros negros y cómo se producen?

El cosmos es un vasto y misterioso lugar que alberga una gran cantidad de fenómenos asombrosos. Entre ellos, los agujeros negros se destacan como uno de los objetos más enigmáticos y fascinantes del universo. Estos extraños y poderosos fenómenos gravitatorios han cautivado la imaginación de científicos y entusiastas de la astronomía durante décadas.

¿Qué es un agujero negro?


Un agujero negro es una región del espacio-tiempo donde la fuerza de la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción. Esta característica lo convierte en uno de los fenómenos más enigmáticos y poderosos del universo. La idea de un agujero negro se basa en la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, que describe cómo la gravedad es una curvatura del espacio-tiempo causada por la masa y la energía.

Cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear, entra en un proceso de colapso gravitatorio. Si la masa de la estrella es lo suficientemente grande, colapsa bajo su propia gravedad y se convierte en un agujero negro. Otro tipo de agujero negro, llamado “agujero negro supermasivo”, se encuentra en el centro de muchas galaxias y puede tener una masa equivalente a millones o incluso miles de millones de veces la masa del Sol. La formación de agujeros negros supermasivos aún no se comprende completamente, pero se cree que están relacionados con el crecimiento y la fusión de agujeros negros más pequeños, así como con la acumulación de materia en el centro de las galaxias.


Foto de agujero negro. Fuente: https://www.nasa.gov/

Características de los agujeros negros

Los agujeros negros son objetos extraordinarios que continúan desafiando nuestra comprensión actual del universo. A través de observaciones en diferentes longitudes de onda y el uso de la teoría de la relatividad, los astrónomos han logrado detectar y estudiar la presencia de agujeros negros y su impacto en el cosmos, pero aún quedan muchos misterios por resolver en relación con estos asombrosos fenómenos. Por el momento, podemos distinguir las siguientes partes y efectos:

  • Horizonte de sucesos: Es el límite del agujero negro, más allá del cual cualquier objeto o partícula es atraído hacia el interior del agujero negro y no puede escapar. Una vez que un objeto cruza este límite, queda atrapado irremediablemente en su interior.
  • Singularidad: Es el punto central del agujero negro, donde la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita y la densidad es extremadamente alta. Es una región en la que las leyes conocidas de la física se rompen, y no se comprende completamente qué sucede en ese punto.
  • Efectos gravitacionales: Los agujeros negros distorsionan el espacio-tiempo a su alrededor, produciendo efectos gravitacionales significativos. Estos efectos pueden influir en la órbita y el movimiento de objetos cercanos, incluyendo estrellas y otras galaxias.

¿Cómo se forma un agujero negro en la Vía Láctea? 2 Tipos

En la Vía Láctea, al igual que en otras galaxias, los agujeros negros pueden formarse de dos maneras principales: como agujeros negros estelares y como agujeros negros supermasivos.

  1. Agujeros negros estelares: Los agujeros negros estelares se forman a partir del colapso gravitatorio del núcleo de una estrella masiva al final de su vida. Cuando una estrella con una masa al menos 3 veces mayor que la del Sol agota su combustible nuclear, ya no puede contrarrestar la fuerza de gravedad que intenta colapsarla. La estrella entra en una serie de etapas en las que su núcleo se comprime bajo su propia gravedad y las capas externas se expanden en una espectacular explosión conocida como supernova.

Si el núcleo remanente de la estrella es lo suficientemente masivo, el colapso continuará hasta que toda su masa se concentre en un punto extremadamente denso y compacto, creando un agujero negro estelar. Este agujero negro tiene una masa comparativamente pequeña, generalmente de unas pocas a varias decenas de veces la masa del Sol.

  1. Agujeros negros supermasivos: Los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de muchas galaxias, incluyendo la Vía Láctea. Se cree que estos agujeros negros tienen masas que oscilan entre cientos de miles hasta miles de millones de veces la masa del Sol.

La formación de agujeros negros supermasivos sigue siendo un área de investigación activa y no se comprende completamente. Existen varias teorías, pero una de las más aceptadas sugiere que se forman a partir de la acumulación gradual de masa a lo largo de miles de millones de años. Esto ocurre a medida que la materia, como estrellas y gas, se acumula en el centro de la galaxia y es atraída hacia el agujero negro en el núcleo. También se cree que las fusiones de agujeros negros más pequeños podrían contribuir a la formación de agujeros negros supermasivos aún más grandes.

En resumen, en la Vía Láctea, los agujeros negros se forman a través del colapso de núcleos estelares masivos al final de sus vidas, dando lugar a agujeros negros estelares, o por la acumulación de masa en el centro de la galaxia a lo largo de extensos períodos, lo que da como resultado agujeros negros supermasivos. Estos misteriosos objetos cósmicos tienen un papel importante en la evolución y estructura de las galaxias, incluida nuestra propia Vía Láctea.

Adentrándose en el agujero negro Sagitario A* . Fuente: European Southern Observatory (ESO)

¿Qué hay dentro de un agujero negro?

Dentro de un agujero negro se encuentra lo que se conoce como la “singularidad”, anteriormente mencionada. Esa región del espacio-tiempo donde la gravedad es tan intensa que la curvatura del espacio y el tiempo se vuelve infinita. Es un punto de densidad y gravedad extremadamente alta donde las leyes conocidas de la física, tal como las entendemos actualmente, dejan de ser aplicables.

Es fundamental mencionar que la física actual, incluyendo la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, no puede describir con precisión lo que sucede en el interior de la singularidad. En esta región, la materia y la energía están tan comprimidas que cualquier partícula o materia que cae dentro del agujero negro se convierte en parte de la singularidad, colapsando hacia un punto de densidad infinita.

Dado que la singularidad está oculta detrás del horizonte de sucesos, que es el límite exterior del agujero negro, no podemos observar directamente qué sucede en su interior ni obtener información de él. La conjetura de la censura cósmica, una hipótesis propuesta por el físico Roger Penrose, sugiere que el horizonte de sucesos oculta la singularidad del universo exterior, protegiendo así la información de la singularidad de ser accesible para observadores externos.

Es importante tener en cuenta que, debido a nuestras limitaciones actuales en la comprensión de la física en condiciones extremas, nuestra comprensión de lo que hay dentro de un agujero negro se basa en teorías y modelos matemáticos. La naturaleza exacta de la singularidad y lo que realmente sucede en su interior es todavía un misterio y es objeto de investigación y debate en la física teórica.


Partes de los agujeros negros. Fuente: https://www.nasa.gov/

La teoría de la «radiación de Hawking»

La “radiación de Hawking” es un fenómeno teórico propuesto por el físico británico Stephen Hawking en 1974. Según esta teoría, los agujeros negros no son completamente “negros” y emiten una forma de radiación conocida como “radiación de Hawking”.


Para entender la radiación de Hawking, es necesario comprender la relación entre la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general. La mecánica cuántica describe cómo funcionan las partículas subatómicas y cómo interactúan con el espacio-tiempo, mientras que la relatividad general describe la gravedad y cómo afecta al espacio-tiempo debido a la presencia de masa y energía.

Dentro del horizonte de sucesos de un agujero negro, donde la gravedad es extremadamente fuerte, se forman pares de partículas virtuales. Estos pares consisten en una partícula y su antipartícula asociada, que se crean temporalmente y se aniquilan entre sí en un tiempo muy corto debido a la conservación de la energía.

Lo interesante ocurre justo en el borde del agujero negro, en el horizonte de sucesos, donde una de las partículas del par cae dentro del agujero negro y la otra, al quedar separada, puede escapar. La partícula que escapa lleva energía, lo que significa que el agujero negro aparentemente ha perdido energía en forma de radiación. A este proceso se le llama “radiación de Hawking”.

Dado que el agujero negro emite radiación, también pierde masa y energía a lo largo del tiempo. Esta radiación de Hawking es extremadamente débil para los agujeros negros masivos, por lo que su efecto es prácticamente insignificante en la evolución del agujero negro. Sin embargo, en agujeros negros más pequeños, como los agujeros negros estelares, la radiación de Hawking podría tener un efecto mayor y llevar a una reducción de su masa y eventual evaporación.

Es importante tener en cuenta que la radiación de Hawking aún no ha sido directamente observada, ya que es extremadamente débil y difícil de detectar. Sin embargo, su existencia tiene relevantes implicaciones teóricas para la física y la comprensión de los agujeros negros y la relación entre la mecánica cuántica y la relatividad general.

El gran misterio de la astronomía: los agujeros negros

Los agujeros negros siguen siendo un misterio fascinante en el campo de la astronomía. A medida que la tecnología y la investigación continúan avanzando, estamos más cerca que nunca de desvelar sus secretos. Estudiar y comprender estos enigmáticos objetos es fundamental para comprender el funcionamiento del universo en su totalidad. La búsqueda para desentrañar el misterio de los agujeros negros continúa, y el futuro promete revelar emocionantes descubrimientos que desafiarán nuestras concepciones actuales del cosmos.

https://www.cosmoaventura.com/agujeros-negros/

 

Datos esenciales sobre los agujeros negros

EL MÁS CERCANO. El agujero negro conocido más cercano, llamado Gaia BH1, está a unos 1.500 años luz de distancia.

EL MÁS LEJANO. El agujero negro más lejano que se haya detectado está en el centro de una galaxia llamada QSO J0313-1806, a unos 13.000 millones de años luz de distancia.

EL MÁS GRANDE. El agujero negro más masivo que se haya observado, TON 618, inclina la balanza a 66.000 millones de veces la masa del Sol.

EL MÁS PEQUEÑO. El agujero negro más liviano conocido tiene apenas 3,8 veces la masa del Sol. Está emparejado con una estrella.

ESPAGUETIZACIÓN. Término real que describe lo que sucede cuando la materia se acerca demasiado a un agujero negro. Se aprieta horizontalmente y se estira verticalmente, pareciéndose a un fideo.

ROTACIÓN. Todos los agujeros negros giran sobre sí mismos. El más rápido conocido, llamado GRS 1915 105, registra más de 1.000 rotaciones por segundo.

LA GRAVEDAD ES LA MISMA. Si sustituimos el Sol por un agujero negro de la misma masa, el sistema solar se enfriaría mucho, pero los planetas permanecerían en sus órbitas.

ACELERADORES DE PARTÍCULAS. Los agujeros negros supermasivos que están en el centro de las galaxias pueden lanzar partículas casi a la velocidad de la luz.

EXPLOSIONES ESTELARES. Hay un tipo de agujero negro que nace cuando una estrella masiva se queda sin combustible y explota como una supernova.

NO SON TAN RAROS. La mayoría de las galaxias del tamaño de la Vía Láctea tienen un agujero negro supermasivo en su centro. El nuestro se llama Sagitario A* (se pronuncia A estrella), y tiene cuatro millones de veces la masa del Sol.

https://ciencia.nasa.gov/universo/datos-basicos-sobre-los-agujeros-negros/


Composición de imágenes en el óptico (ESO/WFI), submilimétrico (MPIfR/ESO/APEX) y rayos X (NASA/CXC/CfA) de Centauro A.

Los centros de las galaxias masivas se encuentran entre las regiones más exóticas del Universo. Albergan agujeros negros supermasivos con masas en torno a millones e incluso miles de millones de masas solares. Estos agujeros negros son capaces de inducir la caída de abundante material hacia ellos, produciendo así la emisión de enormes cantidades de energía hasta su final inmersión en el agujero negro. Además, durante este período (fase activa de la galaxia o AGN, siglas en inglés de Active Galactic Nucleus), se expulsa material hacia el exterior en forma de chorros a altas velocidades (relativistas) capaces de producir violentos choques con el material que lo rodea.

Desde hacía tiempo se pensaba que toda esta emisión (luz y partículas) hacia las partes más externas, así como el crecimiento del agujero negro central, debía de influir en la manera en la que estas galaxias forman estrellas dificultando dicha formación. "Esta influencia -señala el primer autor del artículo, Ignacio Martín Navarro, quien fue estudiante de doctorado del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y la Universidad de La Laguna (ULL) y, actualmente, investigador de la Universidad de California en Santa Cruz (Estados Unidos) y del Max Planck Institute for Astronomy (Alemania)- nos permitiría explicar relaciones como la existente entre la masa del agujero negro central y la masa total estelar. De hecho, sin esta 'retroalimentación', las simulaciones de formación y evolución de galaxias masivas fallan drásticamente tanto en reproducir las propiedades de éstas como en el número de galaxias predichas de una masa determinada". Sin embargo, hasta la fecha no había ninguna evidencia observacional en favor de esta idea cada vez más asentada y establecida.

"En este trabajo -añade este astrofísico- analizamos los espectros centrales de 74 galaxias con los datos del Hobby-Eberle Telescope Massive Galaxy Survey con el fin de obtener cómo el ritmo de formación estelar en estos sistemas ha cambiado a lo largo de su vida (historia de formación estelar). Para ello utilizamos códigos que nos permiten comparar espectros observados con aquellos predichos por modelos de evolución estelar. De esta manera, podemos saber cuántas estrellas de diversas edades habitan cada una de las galaxias observadas."

"Como resultado de este análisis -explica Tomás Ruiz Lara, investigador del IAC y otro de los autores del artículo de Nature- encontramos distintas historias de formación estelar para galaxias que albergan agujeros negros de diversas masas. Este hallazgo sugiere de manera clara que, efectivamente, agujeros negros supermasivos centrales son capaces de afectar a la formación estelar a lo largo de toda la galaxia y, es más, que dicho efecto neto depende de la masa de los mismos."

De acuerdo con este análisis, las galaxias con agujeros negros más masivos en sus centros presentan un mayor ritmo de formación estelar inicial, llevando a la formación de un agujero negro más masivo que pronto es capaz de frenar la formación estelar en estos sistemas. Por el contrario, este proceso se produce mucho más lentamente en aquellas galaxias que actualmente albergan agujeros negros menos masivos, empezando además con una menor eficiencia de formación estelar. "Concretamente -subraya Ruiz Lara-, encontramos que galaxias con agujeros negros centrales más masivos forman la mayoría de su masa (95%) hasta 4.000 millones de años antes que en el caso de las galaxias con agujeros negros menos masivos. De la misma manera, la formación estelar más reciente (durante los últimos 700 millones de años) es mayor en el caso de galaxias con agujeros negros menos masivos."

El hecho de que la masa de estos agujeros negros esté relacionada con la cantidad de materia y energía emitida en su fase AGN (aspecto bien conocido), unido a los resultados ahora obtenidos, confirma un sencillo escenario previamente establecido y que gracias a este estudio se ve claramente reforzado. Para la formación eficiente de estrellas se necesita gas y polvo frío. Sin embargo, la energía y partículas emitidas desde la zona central de una galaxia en su fase de AGN es capaz de calentar el medio que encuentra a su paso, disminuyendo así la posibilidad de formación estelar. A mayor emisión (que es sinónimo de mayor masa de agujero negro central), menor será la eficiencia de la galaxia anfitriona para formar estrellas. Esto explica fácilmente que galaxias con agujeros negros más masivos vean antes suprimida su formación estelar inicial así como que la formación estelar reciente no sea favorecida.

Estos resultados publicados en Nature, de una importancia clave en la astrofísica moderna e intensamente buscados durante los últimos 20 años, ofrecen en definitivas evidencias observacionales a hipótesis ampliamente aceptadas fundamentales para entender cómo se forman y evolucionan las galaxias más masivas.

Contactos:
Ignacio Martín-Navarro:
imartinn@ucsc.edu
Tomás Ruiz Lara:
tomas.ruiz@iac.es

(*) Composición de imágenes en el óptico (ESO/WFI), submilimétrico (MPIfR/ESO/APEX) y rayos X (NASA/CXC/CfA) de Centauro A. Centauro A es una galaxia masiva (similar a las analizadas en este estudio) que se encuentra en proceso de fusión con una galaxia espiral vecina. En su centro alberga un agujero negro supermasivo en proceso de acreción de material, lo que lo convierte en activo (AGN), responsable de la emisión en rayos X y radio así como de los dos chorros de material que emanan de su centro. Crédito: ESO/WFI (Óptico); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submilimétrico); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (rayos X).

https://www.iac.es/es/divulgacion/noticias/confirman-que-los-agujeros-negros-regulan-la-formacion-de-estrellas-en-galaxias-masivas

Al poco tiempo de la formulación de la Relatividad General, Albert Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales, esto es, perturbaciones en el espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz.  Así como una piedra al caer en un estanque genera ondas en el agua, los eventos más violentos del universo —como la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones—producen cambios en la geometría del espacio-tiempo que se propagan en forma de ondas hacia el resto del cosmos. Aunque estrictamente cualquier masa en movimiento puede producirlas, en la práctica sólo los sucesos más extremos y asimétricos generan ondas gravitacionales lo bastante intensas como para ser detectadas en la Tierra.

Einstein siempre fue bastante escéptico respecto a la posible detección de ondas gravitacionales, al menos con la tecnología que se disponía en la época. Transcurrió un siglo desde el nacimiento de la Relatividad General hasta la primera detección de una onda gravitacional. En febrero de 2016, LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, por sus siglas en inglés) Virgo y GEO600 anunciaron públicamente que el evento catalogado GW150914, provenía de la fusión de dos agujeros negros de unas 30 masas solares cada uno, situados a más de mil millones de años luz.

LIGO es un observatorio dedicado exclusivamente a captar ondas gravitacionales, con dos instalaciones gemelas en Estados Unidos, una en Hanford (Washington) y otra en Livingston (Luisiana). Cada detector tiene forma de “L”, con dos brazos de cuatro kilómetros de largo. En este dispositivo, un haz de luz se divide en dos y recorre los brazos del detector, rebotando miles de veces entre espejos suspendidos para amplificar cualquier diferencia en la distancia recorrida. Cuando una onda gravitacional atraviesa la Tierra, estira ligeramente un brazo y comprime el otro, modificando de manera ínfima el tiempo que tarda cada rayo en completar su recorrido. Al recombinarse, los dos haces de luz interfieren entre sí y generan un patrón que delata esa diminuta variación, permitiendo así detectar el paso de la onda. Se sugiere mirar el siguiente video donde se muestra una animación muy ilustrativa sobre el funcionamiento del detector (créditos LIGO/T. Pyle).

En la última década, LIGO ha registrado cientos de eventos de ondas gravitacionales. Pero, en enero de este año logró captar la señal más nítida hasta el momento, con una relación señal-ruido excepcionalmente alta1 (≈ 77-80). El evento, denominado GW250114, fue el resultado de la fusión de dos agujeros negros con masas de aproximadamente 32 y 33 veces la del Sol2. El agujero negro resultante alcanzó entre 62 y 63 masas solares, un valor inferior a la suma de las masas iniciales. La diferencia se liberó en forma de ondas gravitacionales. Dada la nitidez de la señal, la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) llegó a dos resultados muy importantes: i) Se confirmó que los objetos que colisionaron eran efectivamente agujeros negros rotantes, tal como predice la Relatividad General; ii) Se validó la segunda ley de la termodinámica de los agujeros negros: en cualquier proceso clásico, el área del horizonte de eventos no puede decrecer en el tiempo (ver Figura 1)


Figura 1: Gráfico esquemático que ilustra la segunda ley de la termodinámica de los agujeros negros.

Hoy en día, tres detectores operativos permiten la detección de ondas gravitacionales: como ya mencionamos LIGO (en Estados Unidos), Virgo (en Italia) y KAGRA (en Japón). La detección GW250114 fue captada claramente en los dos detectores de LIGO, que en ese momento estaban funcionando (Virgo y KAGRA no estaban tomando datos en ese instante). La fusión fue similar a la primera detección, GW150914, tanto en la distancia a la Tierra, como en las masas de los agujeros negros que colisionaron y en la magnitud de la deformación registrada —el strain—, es decir, el estiramiento y compresión de las distancias producido por el paso de la onda gravitacional. En ambos eventos, esa deformación fue ínfima (del orden de 10²¹), equivalente a dividir un metro por el diámetro de la Vía Láctea. Sin embargo, gracias al notable progreso en la sensibilidad de los detectores, la relación señal-ruido aumentó de 26 a 80, una mejora de un factor tres entre la detección de 2015 y la de 2025.

Cuando dos agujeros negros se fusionan, el objeto resultante no queda inmediatamente en estado estacionario. Al principio está muy distorsionado y comienza a “vibrar”. Durante este proceso, llamado ringdown (“apagado” o “repique”), el agujero negro recién formado emite ondas gravitacionales muy características, cuya forma está determinada únicamente por sus dos parámetros esenciales: masa y momento angular (éste último asociado a la rotación del objeto). Para comprender esto podemos hacer una analogía con la cuerda de una guitarra: al pulsarla, vibra con una nota fundamental y también con varios armónicos o sobretonos (overtones en inglés) que resuenan al mismo tiempo y le dan riqueza al sonido. En el caso de un agujero negro, después de la fusión, el espacio-tiempo vibra como esa cuerda. Su “nota fundamental” es el modo fundamental de oscilación, mientras que los sobretonos son los modos adicionales que aparecen al comienzo y desaparecen rápidamente.


En la guitarra la vibración se mantiene mientras la cuerda tiene energía; en el agujero negro, todas las oscilaciones se apagan inevitablemente porque el sistema pierde energía en forma de ondas gravitacionales. Por eso hablamos de oscilaciones cuasinormales: no son eternas, se amortiguan con el tiempo.

Gracias a la claridad extraordinaria de la señal GW250114, los científicos pudieron identificar no solo la vibración principal del agujero negro recién formado, sino también su primer “armónico”. A partir de análisis independientes de las fases previa y posterior a la fusión (y dejando de lado los datos de la fase de fusión, que resulta intratable), los investigadores derivaron las áreas de los agujeros negros iniciales y del agujero negro final, encontrando que, con alta credibilidad, GW250114 cumplía con la segunda ley de la termodinámica de los agujeros negros.

El resultado es de gran importancia para todo el campo. En primer lugar, cierra una posible objeción sobre la extracción de sobretonos de la señal: demuestra que, con una relación señal-ruido suficientemente alta, la presencia de sobretonos es inequívoca y no puede interpretarse como un artefacto del método de ajuste. Y, en segundo lugar, si los objetos que se fusionaran no fueran agujeros negros, o si el objeto final careciera de horizonte de eventos, verbigracia, estrellas de bosones o estrellas exóticas (formadas por partículas `ìnventadas’’, fuera del modelo estándar), la señal detectada sería distinta. En lugar de mostrar el espectro característico de los modos cuasinormales de un agujero negro de Kerr3 —con un modo fundamental y sobretonos que se amortiguan según lo predice la Relatividad General— aparecerían frecuencias diferentes, con posibles repeticiones retardadas conocidas como ecos gravitacionales. El hecho de que en eventos como GW250114 se observe exactamente el espectro esperado para un agujero negro de Kerr constituye una evidencia sólida de que el objeto final posee un horizonte de eventos.

Referencias

https://www.iar.unlp.edu.ar/boletin/y-si-son-agujeros-negros/















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