¿Creación de un agujero negro sin estallido?

Cuando una estrella de masa muy grande agota su combustible nuclear, es incapaz de mantenerse hinchada y se derrumba sobre sí misma por efecto de su gravedad, en un proceso que acaba convirtiendo su núcleo en un agujero negro, un objeto con una gravedad tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de él una vez cae dentro.

Aunque algunas estrellas moribundas que acaban produciendo un agujero negro emiten en el proceso un potente estallido de rayos gamma, puede que éste no sea el caso más común, sino tan solo el único detectable con facilidad por nuestra tecnología. Quizá en la mayoría de casos, según una hipótesis, una estrella de masa muy grande que muere genera un agujero negro sin ningún estallido o destello: La estrella simplemente desaparece del firmamento y ya está, un evento cósmico que en cierto modo sería lo contrario de una nova.

¿Sería pues del todo indetectable un nacimiento de agujero negro por este mecanismo? ¿No sucedería nada detectable en forma de emisión de luz o de otra radiación del espectro electromagnético?

Según los resultados de un nuevo análisis efectuado por el astrofísico Tony Piro, del Instituto Tecnológico de California (Caltech), justo antes de que el agujero negro se forme, la estrella agonizante sí podría generar una señal, sutil pero reconocible si los observadores saben qué deben buscar. Esa señal delataría que acaba de nacer un agujero negro.

Representación de las distorsiones lumínicas generadas por un agujero negro. (Imagen: Alain Riazuelo, IAP/UPMC/CNRS.

Según la teoría más aceptada, cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear, su núcleo se contrae bajo su propio peso. A medida que se contrae, más prensada está la materia, hasta que llega un punto en el que los protones y los electrones del núcleo de la estrella se fusionan y producen neutrones. Si la masa de la estrella no es muy grande, puede permanecer estable en este estado, y en tal caso ha nacido lo que se conoce como estrella de neutrones o púlsar. Se trata de un objeto muy denso, tanto como lo sería el Sol si se le comprimiera para hacerle caber en una esfera de unos 10 kilómetros (6 millas) de radio.

Pero si la masa estelar es demasiado grande, el núcleo de la estrella muerta sigue comprimiéndose.

Durante unos segundos, antes de que la creciente compresión lo convierta en un agujero negro, el núcleo de la estrella muerta es una estrella de neutrones.

Este proceso de compresión colosal también crea neutrinos, que son partículas que casi siempre atraviesan la materia sin interactuar con ella y a una velocidad próxima a la de la luz. A medida que los neutrinos fluyen del núcleo estelar, transportan una gran cantidad de energía, que representa una décima parte de la masa de la estrella (ya que la energía y la masa son equivalentes, por E = mc2).

Según lo expuesto en un poco conocido artículo académico escrito en 1980 por Dmitry Nadezhin del Instituto Alikhanov de Física Teórica y Experimental en Rusia, esta rápida pérdida de masa implica que la fuerza gravitacional del núcleo de la estrella moribunda se reduzca de manera brusca. Cuando eso sucede, las capas gaseosas externas de la estrella, compuestas principalmente por hidrógeno, salen disparadas hacia el exterior, generando una onda de choque que suele atravesar las capas más exteriores a unos 1.000 kilómetros por segundo (unos 3 millones y medio de kilómetros por hora, o más de 2 millones de millas por hora).

Usando simulaciones por ordenador, dos astrónomos de la Universidad de California en Santa Cruz, Elizabeth Lovegrove y Stan Woosley, encontraron recientemente que cuando la onda de choque golpea la superficie exterior de las capas gaseosas, debe calentar el gas de la superficie, produciendo un brillo que duraría cerca de un año, una señal prometedora como indicativo fiable del nacimiento de un agujero negro. Aunque casi un millón de veces más brillante que el Sol, este resplandor sería relativamente débil en comparación con otras estrellas. Sería difícil de ver, incluso en galaxias que están relativamente cerca de nosotros.
Pero ahora Piro ha encontrado una señal más prometedora. En su nuevo estudio, analiza con más detalle lo que puede ocurrir en el momento en el que la onda expansiva golpea la superficie de la estrella, y ha calculado que el impacto en sí mismo produciría un destello de 10 a 100 veces más brillante que la luz predicha por Lovegrove y Woosley. Ese fogonazo sería muy brillante, y es la señal que ofrece la mejor oportunidad de ser detectada. Por tanto, según Piro, ésta es la señal que hay que buscar en el firmamento.

Tal destello sería tenue en comparación con las estrellas en explosión llamadas supernovas, pero sería lo bastante luminoso como para ser detectado en las galaxias cercanas. El destello, que duraría entre 3 y 10 días, antes de desvanecerse, sería muy luminoso en longitudes de onda ópticas, y su brillo máximo estaría en la banda ultravioleta.

Piro estima que los astrónomos serían capaces de ver, en promedio, uno de estos eventos cada año

Deducir la "forma" del espacio-tiempo

A medida que el universo se expande, está sometido continuamente a cambios en la energía, o "fluctuaciones cuánticas", que envían pequeños pulsos de "sonido" al tejido del espacio-tiempo. De hecho, se cree que el Big Bang, la gran explosión con la que nació el universo, pudo ser la consecuencia de algún tipo especial de fluctuación cuántica.

El equipo de la física y matemática Tejal Bhamre, de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, Estados Unidos, ha desarrollado una nueva herramienta matemática que debería permitir usar estos "sonidos" para ayudar a revelar la forma del universo.

El concepto en el que ella y sus colegas se han basado es el que, a grandes rasgos, plantea, dentro de la geometría espectral, ¿hasta qué punto se puede determinar la forma de algo usando el sonido de sus vibraciones acústicas?

La nueva herramienta matemática podría ayudar a deducir la forma del espacio-tiempo a partir del "zumbido" constante causado por las fluctuaciones cuánticas. (Imagen: Recreación artística de Jorge Munnshe en NCYT de Amazings)

El equipo de Bhamre abordó este problema dividiéndolo en partes pequeñas de tamaño manejable.

La técnica que Bhamre y sus colegas han desarrollado podría, en principio, determinar la forma del espacio-tiempo a partir del "zumbido" constante causado por las fluctuaciones cuánticas.

La técnica de los investigadores también proporciona una conexión única entre los dos pilares de la física moderna: la teoría cuántica y la relatividad general.

Con Bhamre han trabajado David Aasen del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Pasadena, y Achim Kempf de la Universidad de Waterloo en Canadá.

Detección fácil de vida en planetas en órbita a estrellas enanas blancas

Si hay vida en planetas detectables orbitando a enanas blancas, será fácil descubrirla, según las conclusiones a las que se ha llegado en una investigación reciente.

Como ya no puede nutrirse de la fusión nuclear como fuente de energía, una estrella del tipo conocido como enana blanca es un sol con el "motor" apagado, y que cada vez será más frío y oscuro, aunque este proceso consume muchos millones de años tras el cese de la fusión nuclear en el centro de la estrella. Entretanto, una enana blanca todavía es capaz de dar sustento a planetas habitables, tal como sugieren algunas evidencias circunstanciales.

Ahora, Dan Maoz de la Escuela de Física y Astronomía en la Universidad de Tel Aviv, Israel, y Avi Loeb, director del Instituto de Teoría y Computación de la Universidad de Harvard, Estados Unidos, han mostrado que, usando una tecnología avanzada que estará disponible en la próxima década, debería ser posible detectar a distancia biomarcadores presentes en la atmósfera de estos planetas, incluyendo oxígeno y metano en cantidades sospechosas, que indiquen la presencia de vida.

El "espectro simulado" de los investigadores demuestra que el Telescopio Espacial James Webb (JWST), que debe ser lanzado al espacio por la NASA en 2018, será capaz de detectar oxígeno y agua si existen en la atmósfera de un planeta similar a la Tierra que sea descubierto en órbita a una enana blanca, necesitando solo de unas pocas horas de observación para la detección de ambos. Esta detección resultará mucho más fácil que si dicho planeta orbitara en torno a una estrella similar al Sol.

"En la búsqueda de indicios biológicos de vida extraterrestre, las primeras estrellas que estudiemos deben ser enanas blancas", opina Loeb.

La abundancia de elementos pesados que ha sido observada ya en la superficie de enanas blancas sugiere que una cantidad significativa de ellas cuenta a su alrededor con planetas rocosos. Los investigadores estiman que inspeccionar, con el Telescopio Espacial James Webb, 500 de las enanas blancas más cercanas a la Tierra, podría permitir detectar uno o más planetas habitables.

Enana blanca en el centro de la nebulosa planetaria NGC 7293. (Foto: NASA/JPL-Caltech/SSC)

Los investigadores han mostrado que las características únicas de las enanas blancas podrían hacer que los citados planetas sean más fáciles de detectar que los planetas que orbitan alrededor de estrellas normales. Es factible detectar y analizar las atmósferas de dichos planetas cuando estos pasan frente a sus estrellas (desde la perspectiva visual de la Tierra) y atenúan el brillo que percibimos de estas. A medida que la luz de la estrella atraviesa la atmósfera del planeta, las sustancias químicas de la atmósfera absorben algo de esa luz, en longitudes de onda características, dejando así en la luz restante huellas químicas de su presencia, huellas que pueden ser detectadas desde el Telescopio Espacial James Webb.

Cuando un planeta parecido a la Tierra gira en órbita a una estrella normal, la dificultad radica en que la señal del planeta es extremadamente débil, y queda oculta por el intenso brillo de la estrella "madre". El aspecto clave de la nueva idea es que, si la estrella madre es una enana blanca, cuyo tamaño es comparable al de la Tierra, ese efecto del brillo estelar es mucho menor, y resulta mucho más fácil captar detalles de la atmósfera del planeta.
Para estimar el tipo de datos que el Telescopio Espacial James Webb será capaz de ver, los investigadores crearon un "espectro sintético", el cual reproduce el de un planeta habitado similar a la Tierra que orbitase en torno a una enana blanca. La inspección detallada de las características del espectro demuestra que el telescopio será capaz de captar indicios de oxígeno y agua, si existen en dicho planeta.

La presencia de biomarcadores de oxígeno sería la señal más contundente de presencia de vida en planetas extraterrestres. La atmósfera de la Tierra, por ejemplo, tiene un 21 por ciento de oxígeno, y esta cantidad tan anormalmente alta es el resultado de la fotosíntesis realizada por seres vivos de nuestro planeta. Sin la existencia de estos organismos, no habría casi nada de oxígeno en la atmósfera.

El Telescopio Espacial James Webb será ideal para buscar señales de vida en planetas de otros sistemas solares, ya que está diseñado para estudiar la banda infrarroja del espectro electromagnético, una banda donde se destacan bastante bien dichos biomarcadores. Además, como este telescopio estará ubicado en el espacio, será capaz de analizar las atmósferas de planetas similares a la Tierra sin las interferencias de marcadores similares de nuestra propia atmósfera.

Una lupa espacio-temporal

En esta fotografía tomada por el Telescopio Espacial NASA/ESA Hubble se pueden distinguir unos brillantes arcos alrededor del núcleo del cúmulo de galaxias Abell S1077. Son las imágenes de galaxias muy lejanas, distorsionadas por el enorme campo gravitatorio del cúmulo.

Los cúmulos son enormes agrupaciones de galaxias, cada una con millones de estrellas en su interior. Son las estructuras más grandes del Universo, que se mantienen unidas por la atracción gravitatoria.

La cantidad de materia en estas agrupaciones es tan grande que su campo gravitatorio es capaz de distorsionar el tejido espacio-temporal, alterando la trayectoria de la luz que atraviesa el cúmulo.

En algunos casos, este fenómeno puede producir un efecto similar al de una lupa, haciendo posible observar objetos que se encuentran detrás del cúmulo y que en principio sería imposible detectar desde la Tierra.



(Foto: ESA/Hubble & NASA; N. Rose)


En esta imagen, las líneas curvas que parecen arañazos en la lente del telescopio son en realidad galaxias muy lejanas, cuya luz ha sido distorsionada por el fuerte campo gravitatorio del cúmulo.

Los astrónomos aprovechan los efectos de las lentes gravitatorias para remontarse en el espacio y en el tiempo y estudiar los objetos más lejanos y más antiguos del Universo.

Un buen ejemplo es la galaxia MACS0647-JD, que se encuentra a 13.300 millones de años luz de nuestro planeta, cuya luz se pudo detectar gracias a la lupa formada por el cúmulo de galaxias MACS J0647+7015. (Fuente: ESA)

Aclarando el misterioso origen de un estallido potentísimo de rayos gamma

Se ha conseguido identificar como tal un nuevo tipo de explosión cósmica excepcionalmente potente y duradera. El hallazgo sirve de base para la teoría de que tales supernovas especiales surgen de la violenta muerte de estrellas supergigantes.

Estas explosiones crean potentes ráfagas de rayos gamma de alta energía, conocidas como estallidos de rayos gamma, pero aunque la mayoría de las ráfagas duran alrededor de un minuto, las de este nuevo tipo pueden durar varias horas.

El primer ejemplo fue encontrado por los astrónomos el día de Navidad de 2010, pero esa supernova carecía de mediciones lo bastante fiables de distancia, por lo que quedó sumida en el misterio, con dos teorías propuestas para explicar su origen que son mutuamente excluyentes.

El primer modelo propuesto implicaba a un asteroide destrozado por la gravedad de una densa estrella de neutrones en nuestra galaxia. El segundo modelo implicaba a una supernova en una galaxia a 3.500 millones de años-luz de distancia.




Recreación artística de clases de estrellas implicadas en la generación de estallidos de rayos gamma. La estrella azul del fondo es la progenitora de una ráfaga de rayos gamma de duración estándar. Esta estrella tiene una masa de diez o más veces la masa del Sol, pero con un tamaño comparable. La estrella en primer plano es la progenitora aparente de una explosión ultralarga de rayos gamma. Tiene una masa de tal vez 20 veces la del Sol pero es hasta mil veces más grande. En ambos casos, el estallido de rayos gamma es producido por un chorro que perfora la estrella, pero en el caso del estallido de duración ultralarga el mayor tamaño de la estrella crea un chorro que dura mucho más tiempo. (Imagen: © Mark A. Garlick, para esta noticia de la Universidad de Warwick)



Un nuevo estudio realizado por el equipo de Andrew Levan, de la Universidad de Warwick en el Reino Unido, ha permitido hallar varios ejemplos más de estas explosiones cósmicas inusuales, mostrando además que la explosión del Día de Navidad tuvo lugar en una galaxia situada a una distancia mucho mayor que las estimadas por las dos teorías propuestas.

Utilizando datos del telescopio Gemini en Hawái, los científicos han calculado que esta explosión ultralarga de rayos gamma tuvo que provenir de un sitio ubicado a unos 7.000 millones años-luz de distancia de la Tierra.

Basándose en esta información, el equipo de Levan y Nial Tanvir, de la Universidad de Leicester en el Reino Unido, ha desarrollado una nueva teoría para explicar lo ocurrido.
Los autores del nuevo estudio proponen que este tipo de explosión es causado por una supergigante, una estrella con 20 veces más masa que el Sol, y que evoluciona hasta convertirse en una estrella de la clase más brillante del universo y alcanzar un radio de hasta unos mil millones de kilómetros, o sea cerca de mil veces el del Sol.

Levan y sus colaboradores creen que las explosiones de rayos gamma de muy larga duración, como la del día de Navidad y otras dos explosiones similares, no responden a fenómenos exóticos, sino que son simplemente el fruto del enorme tamaño de las supergigantes que entran en la fase de supernova.

Se cree que la mayoría de las estrellas que crean estallidos de rayos gamma son relativamente pequeñas y densas, y la explosión que golpea a la estrella destruye buena parte de ella en cuestión de segundos. En el caso de estos nuevos estallidos de muy larga duración, la explosión tarda más tiempo en propagarse a través de la estrella, por lo que la ráfaga de rayos gamma dura también mucho más.

Estructura geológica anómala en el cráter Copérnico de la Luna

Se ha descubierto una estructura rocosa con una mineralogía particular que discurre a lo largo de unos 29 kilómetros (18 millas) en el fondo del cráter Copérnico. Este cráter tiene 93 kilómetros de diámetro y está ubicado en el Mare Imbrium (Mar de las Lluvias), una cuenca situada en el sector norte de la cara visible de la Luna, en las coordenadas 10 grados de latitud norte y 20 grados de longitud oeste.

El Copérnico es uno de los cráteres mejor estudiados de la Luna. Pese a ello, el cuerpo rocoso con mineralogía distinta ha pasado desapercibido durante décadas. Ha sido detectado tras un análisis de los datos reunidos mediante observaciones en luz visible y del infrarrojo cercano por el instrumento M3 (por las siglas de su nombre en inglés, Moon Mineralogy Mapper), de la sonda espacial hindú Chandrayaan-1. Durante 10 meses del periodo 2008-2009 en órbita a la Luna, el M3 cartografió casi toda la superficie lunar.

El equipo de Deepak Dhingra, de la Universidad Brown, en Providence, Rhode Island, Estados Unidos, se ha valido del hecho de que minerales diferentes reflejan la luz en diferentes longitudes de onda con intensidades variables. Al examinar dichas variaciones en esas longitudes de onda, es posible identificar los minerales.

En las imágenes obtenidas del cráter Copérnico por el M3, la estructura geológica apareció como un área que refleja menos luz en longitudes de onda de alrededor de los 900 y los 2.000 nanómetros. Este patrón denota una presencia significativa de minerales ricos en piroxenos de magnesio. En el resto del suelo del cráter, las lecturas indican un predominio de minerales ricos en hierro y piroxenos de calcio.

El cráter Copérnico visto desde las alturas. (Foto: NASA JPL / USGS)

Eso significa que hay al menos dos composiciones minerales diferentes dentro del área que sufrió un proceso de fusión y posterior solidificación, una característica geoquímica de la que, en estas circunstancias específicas, no se conocía ningún otro caso en zonas lunares cuya corteza se derritió por un impacto.

No está claro cómo o por qué exactamente se formó esta anomalía geológica de la manera en que lo hizo, tal como reconocen los investigadores. Es un área para estudios futuros. Pero este ejemplo de que un proceso de fusión por impacto no siempre culmina con una mezcla más o menos homogénea de los minerales de la zona, ofrece una nueva perspectiva para los geólogos que estudian los cráteres lunares de impacto.

La estructura sinuosa parece llevar la "firma" mineralógica de las rocas que estaban presentes antes de que el impacto formase el cráter.

Esto entra en conflicto con ideas sobre la geología lunar tenidas por ciertas desde hace mucho tiempo.

Los grandes impactos producen mares de lava que finalmente se enfrían y se transforman en roca sólida. Se suponía que en este proceso toda la materia pétrea fundida quedaría revuelta por la fuerza el impacto, mezclándose todos los tipos de roca en una masa única sin estructuras geoquímicamente distinguibles.

No obstante, esta estructura distintiva encontrada en el cráter Copérnico sugiere que la mineralogía preexistente no siempre se mezcla en una masa homogénea cuando se desencadena un proceso de impacto y fusión.

En el análisis de datos también han trabajado Peter Isaacson de la Universidad de Hawái, James W. Head III, de la Universidad Brown, y Carle Pieters, profesora de Ciencias Geológicas en la misma universidad y principal investigadora del instrumento M3.

Descubren un inusual trío de quásares

Se ha descubierto un sistema triple de quásares extremadamente raro. Tan sólo se tiene conocimiento de otro trío de esta clase.

Los quásares son fuentes de energía extremadamente brillantes y poderosas, que están presentes en el centro de algunas galaxias, circundando a un agujero negro. En sistemas con múltiples cuásares, es la gravedad la que los mantiene congregados, y se cree que esa agrupación es el producto de la colisión entre galaxias.

Es muy difícil observar tríos de quásares, debido a lo muy lejos que los quásares están de la Tierra. Esa lejanía impone severas limitaciones técnicas a las observaciones, con el resultado de que es muy difícil lograr discernir múltiples cuerpos cercanos entre sí sin confundirlos con uno solo. Por otra parte, se supone que los tríos de quásares son muy infrecuentes.

Imagen infrarroja del trío de quásares, etiquetados con las letras A, B y C. (Foto: Emanuele Paolo Farina)

Mediante la combinación de diversas observaciones de telescopios, y la ayuda del trabajo de modelación avanzada, el equipo de Emanuele Farina, de la Universidad de Insubria en la provincia de Como, Italia, y Michele Fumagalli del Instituto Carnegie de Ciencia, en Washington, D.C., Estados Unidos, fue capaz de captar como tal el trío de quásares, llamado QQQ J1519+0627. La luz de esos quásares ha viajado 9.000 millones de años-luz para llegar hasta nosotros, lo que significa que dicha luz fue emitida cuando el universo tenía sólo un tercio de su edad actual.

Un análisis avanzado confirmó que se trata de tres quásares y no de uno grande.

Dos miembros del trío están más cerca entre sí que el tercero. Esto significa que el sistema pudo formarse por la interacción entre los dos quásares adyacentes, pero no por la interacción con el tercer quásar más lejano.

Un detalle llamativo es que no se ha encontrado evidencia alguna de la existencia de una galaxia ultraluminosa alojando a esos quásares, pese a que tales galaxias son los sitios donde los quásares están ubicados comúnmente. Como explicación a este aparente misterio, el equipo propone que este sistema triple de quásares debe ser parte de una estructura cósmica más grande, que, en la época de la que provienen las imágenes captadas, todavía estaba en proceso de formación.