Casi todas las galaxias masivas observadas albergan un agujero negro supermasivo en su centro. El Telescopio Espacial James Webb de la NASA descubrió que algunos de estos agujeros negros supermasivos podrían ser incluso demasiado grandes para la galaxia en la que se encuentran, lo que supone un desafío para la comprensión que los astrónomos tienen de estos objetos y plantea interrogantes sobre su crecimiento en el universo primitivo.
Los astrónomos siguen investigando muchas cuestiones clave sobre estos misteriosos y poderosos objetos, y su estudio puede ayudar a los investigadores a comprender cómo se forman y crecen las galaxias.
Soy astrónomo y estudio agujeros negros supermasivos en otras galaxias. Estos fascinantes objetos astronómicos pueden revelar a los investigadores cómo se consume o se expulsa la materia del centro de la galaxia y cómo esto puede afectar a otros procesos galácticos.
¿Qué son los agujeros negros supermasivos?
Los agujeros negros supermasivos constituyen la clase más grande de agujeros negros.
Los agujeros negros son regiones del espacio donde la gravedad se ha convertido en una fuerza tan predominante que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Estos agujeros negros tienen masas que van desde cientos de miles hasta millones o miles de millones de veces más masivas que nuestro Sol.
Los estudios sugieren que casi todas las galaxias masivas observadas por los astrónomos tienen un agujero negro supermasivo en su centro. Sin embargo, las galaxias son tan grandes que estos agujeros negros ocupan solo una pequeña parte, y su masa es mucho menor que la del gas, el polvo y las estrellas.
Un agujero negro supermasivo está rodeado por su horizonte de sucesos, o punto de no retorno. Cualquier objeto que cruce el horizonte tendría que viajar a una velocidad superior a la de la luz para escapar del agujero negro, lo cual es físicamente imposible.
Si colocáramos el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, llamada Sagitario A, donde estaría el Sol, su horizonte de sucesos y el gas circundante cabrían dentro de la órbita de Mercurio. Sin embargo, para un agujero negro supermasivo aún más masivo, como M87, todo el sistema solar cabría dentro del horizonte de sucesos.
Te interesa: UNAM proyecta instalar tecnología de punta para estudiar los agujeros negros en el observatorio de San Pedro Mártir
¿Cómo estudian los científicos los agujeros negros supermasivos?
Observacionalmente, los agujeros negros supermasivos son difíciles de detectar.
Aunque muchos son millones de veces más grandes que nuestro Sol, ocupan solo una pequeña parte de una galaxia, que puede estar aún más oculta por estrellas y polvo. Hasta la fecha, solo se han tomado dos “imágenes” de agujeros negros supermasivos, ambas por la Colaboración del Telescopio del Horizonte de Sucesos.
Debido a la gran dificultad de tomar fotografías directamente, los astrónomos deben utilizar métodos indirectos para estudiar los agujeros negros supermasivos y sus propiedades.
Para determinar la masa de un agujero negro supermasivo, los astrónomos pueden observar la galaxia que lo rodea y calcular la masa necesaria para ejercer esa fuerza gravitatoria sobre los componentes de la galaxia. Los agujeros negros supermasivos que consumen materia se clasifican como activos, mientras que los que no la consumen se conocen como inactivos o quiescentes.
En el caso de galaxias con un agujero negro supermasivo quiescente, los astrónomos miden la velocidad a la que se mueven las estrellas densamente agrupadas cerca del centro de la galaxia. Calculan el promedio de todas estas velocidades y utilizan una relación conocida como relación M-sigma para obtener una masa que coincida con la velocidad promedio medida.
En galaxias con un agujero negro supermasivo activo, los astrónomos observan la luz que emite el gas alrededor del horizonte de sucesos. Si los científicos asumen que el gas se mueve en órbita alrededor del agujero negro supermasivo, el ancho del gas circundante corresponde a la masa central, lo que puede proporcionar otra forma de estimar la masa.
Los astrónomos también pueden hacerse una idea de cuánta masa cae en un agujero negro activo midiendo la luminosidad, o potencia observada, del gas antes de que cruce el horizonte de sucesos.
¿Qué desconocemos sobre estos objetos?
Los astrónomos también están interesados en comprender cómo se forman los agujeros negros supermasivos. Si bien ya conocen cómo se forman los agujeros negros más pequeños, llamados agujeros negros de masa estelar, los agujeros negros supermasivos son demasiado grandes para formarse de la misma manera.
Los agujeros negros de masa estelar se forman cuando una estrella masiva agota su combustible. La gravedad provoca el colapso de su núcleo, lo que genera una onda expansiva que destruye la estrella y puede dejar tras de sí un agujero negro. Sin embargo, las estrellas que forman estos agujeros negros de masa estelar no son lo suficientemente grandes como para formar agujeros negros supermasivos.
Los científicos tienen dos hipótesis sobre la formación de las semillas de los agujeros negros supermasivos. Estas semillas son los agujeros negros iniciales que ganan masa con el tiempo hasta convertirse en los agujeros negros supermasivos que observamos hoy.
Una hipótesis plantea que son el resultado de la muerte de estrellas jóvenes y masivas del universo primitivo, conocidas como estrellas de Población III. La otra hipótesis plantea que los núcleos de los agujeros negros supermasivos se originaron a partir del colapso de una gran nube de gas, debido a su gran masa y fuerte gravedad, que dio lugar a un agujero negro.
Actualmente, ninguna de las dos hipótesis cuenta con evidencia observacional directa que la respalde, pero se espera que los resultados del Telescopio Espacial James Webb aclaren estas dudas.
Otra pregunta importante que aún no tiene respuesta es cuándo se forman estos agujeros negros supermasivos.
Esta pregunta plantea un dilema similar al del huevo o la gallina: ¿Se formaron primero los núcleos de los agujeros negros supermasivos y luego atrajeron gradualmente la materia que finalmente formó la galaxia a su alrededor? ¿O comenzó a coalescer una galaxia primero, y las estrellas y nubes de gas en su interior colapsaron en los núcleos de los agujeros negros supermasivos?
Los resultados y observaciones preliminares sugieren que lo primero es más probable, pero si ese es el caso, surge la pregunta: ¿Cómo pudo formarse y evolucionar el resto de la galaxia con el agujero negro supermasivo en su interior?
Te recomendamos: Los comportamientos inéditos de un agujero negro supermasivo intrigan a los astrónomos
¿Por qué es importante estudiarlos?
Los agujeros negros supermasivos afectan a sus galaxias anfitrionas. A medida que el agujero negro supermasivo crece, los astrónomos observan un aumento en la velocidad de las estrellas ubicadas en el cúmulo central de la galaxia. Este patrón sugiere una conexión entre el agujero negro supermasivo y otros componentes de la galaxia, como estrellas, gas y polvo.
A menudo, los científicos observan materia cayendo hacia el agujero negro. Pero antes de ser absorbida, parte de ella es expulsada por los vientos generados por la intensa presión y fricción del agujero negro. Esta materia expulsada de las proximidades del agujero negro supermasivo puede calentar el gas e impedir la formación de estrellas, o comprimir el gas y causar ondas de choque dentro de la galaxia.
Aunque un agujero negro supermasivo puede afectar a su galaxia anfitriona, la Tierra no corre peligro de ser absorbida por el agujero negro en el centro de la Vía Láctea. En la mayoría de las galaxias, el agujero negro supermasivo simplemente actúa como una fuerza gravitatoria que mantiene los objetos de la galaxia en órbita.
Sin embargo, es importante que los científicos comprendan cómo los agujeros negros supermasivos afectan a sus galaxias anfitrionas y cómo pueden influir en nuestras observaciones del universo.
*Mary Ogborn es candidata a doctora en Astrofísica en Penn State.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation
