El agujero negro en el centro de nuestra galaxia ha aumentado su actividad

Tres telescopios espaciales de rayos X orbitando alrededor de la Tierra han detectado un ritmo superior de destellos de rayos X procedentes del agujero negro supermasivo, normalmente tranquilo, situado en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Los científicos están tratando de averiguar si este es un comportamiento normal que hubiera pasado desapercibido debido a una vigilancia insuficiente, o si estas erupciones están siendo desencadenadas por el reciente paso cercano de un objeto misterioso, denominado G2.

Combinando la información recolectada por las largas campañas de vigilancia del Observatorio Chandra de rayos X de la NASA y el XMM-Newton de la ESA (Agencia Espacial Europea), con observaciones del satélite Swift, los astrónomos pudieron hacer un seguimiento cuidadoso de la actividad del agujero negro supermasivo de la Vía Láctea a lo largo de los últimos 15 años. El agujero negro supermasivo, conocido como Sagitario A*, tiene una masa algo mayor de 4 millones de veces la del Sol. Los rayos X son producidos por el gas caliente que fluye hacia el agujero negro.

El nuevo estudio, realizado por el equipo de Gabriele Ponti, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania, revela que, en condiciones normales, Sagitario A* (nombre comúnmente abreviado a Sgr A*) ha estado produciendo un destello brillante de rayos X aproximadamente cada diez días. Sin embargo, durante el pasado año se ha multiplicado por diez el ritmo de tales destellos procedentes de Sgr A*, hasta llegar a casi uno diario. Este incremento sucedió poco después de la aproximación a Sgr A* de un objeto misterioso llamado G2.

Arriba: El paso de G2 por las inmediaciones de Sgr A*. Abajo: Sgr A* con su posición marcada en el centro de nuestra galaxia. (Foto: NASA/CXC/MPE/G. Ponti et al.; Ilustración: NASA/CXC/M. Weiss)

Originalmente, los astrónomos pensaban que G2 era una nube alargada de gas y polvo. Sin embargo, después de pasar cerca de Sgr A* a finales de 2013, su apariencia no cambió demasiado, más allá de ser estirado ligeramente por la gravedad del agujero negro. Esto llevó a nuevas teorías según las cuales G2 no era simplemente una nube de gas, sino una estrella envuelta por un manto alargado de polvo.

Confirman que dos agujeros negros supermasivos están en proceso de fusionarse uno con otro

Unos investigadores, utilizando datos de los satélites astronómicos Hubble y GALEX de la NASA, han obtenido la confirmación más convincente hasta la fecha sobre la existencia de cierta pareja de agujeros negros, y han averiguado nuevos detalles sobre su proceso de fusión.

Las regiones centrales de muchas galaxias, incluida nuestra propia Vía Láctea, albergan núcleos provistos de un agujero negro cuya masa puede ser de millones o incluso miles de millones de veces la de nuestro Sol. Además, estos agujeros negros supermasivos y sus galaxias anfitrionas parecen desarrollarse juntos, o “coevolucionar”.

Los agujeros negros por sí mismos son imposibles de ver, ya que su inmensa gravedad atrae incluso a la luz y por tanto impide que de ellos salga señal electromagnética alguna. Sin embargo, su gravedad puede tirar del gas del entorno y formar un vistoso remolino de material resplandeciente llamado disco de acreción, el cual es la marca delatadora de que en ese punto del cosmos hay un agujero negro. En algunos casos, este proceso puede generar un resplandor enorme, conociéndose como quásares a estas fuentes de luz colosales, y ello suele delatar la presencia de un agujero negro supermasivo. Un quásar típicamente supera en brillo a todas las estrellas de su galaxia anfitriona, por lo que resulta visible desde distancias enormes.

Meses atrás, el equipo integrado, entre otros, por S. George Djorgovski, del Instituto Tecnológico de California en Pasadena, Estados Unidos, y Daniel Stern de la NASA, descubrió una llamativa señal repetitiva de luz emanando del quásar PG 1302-102.

El análisis de los patrones de las señales emitidas desde las inmediaciones de ambos agujeros negros ha permitido corroborar que conforman una pareja de agujeros negros muy cerca el uno del otro, y en proceso de fusionarse. (Foto: Columbia University)

Ahora, el equipo de Daniel D'Orazio, de la Universidad de Columbia en la ciudad estadounidense de Nueva York, ha analizado más a fondo esta inusual señal repetitiva de luz, y ha corroborado que corresponde a los movimientos cíclicos de estos agujeros girando uno en torno al otro. Lo detectado concuerda con lo que cabe esperar de dos agujeros negros supermasivos en la fase final del proceso que culminará con su fusión en uno solo.

Hasta ahora, los únicos ejemplos conocidos de agujeros negros supermasivos en proceso de fusionarse han sido los de parejas cuyos miembros están separados por decenas o cientos de miles de años-luz. A tan enormes distancias, serán necesarios muchos millones de años, quizá incluso miles de millones, para que se produzca una colisión y la fusión final. En cambio, los agujeros negros en PG 1302-102 están separados, como mucho, por unas pocas centésimas de año-luz, y podrían fusionarse antes de que transcurra un millón de años o menos.

Cómo frenar la luz en la nanoescala

Los materiales hiperbólicos son sólidos muy especiales que se comportan como un metal en una dirección, dejando pasar la corriente, pero como un aislante en la dirección perpendicular. Hasta ahora, estos materiales han sido usados para fabricar nanoestructuras complejas que permiten la proyección de imágenes en longitudes de onda muy bajas, así como controlar la luz a escala nanométrica.

Sin embargo, a fin de obtener todo el potencial de este nuevo tipo de materiales, es necesario estudiar y entender cómo se comporta la luz en su interior.

“La dificultad de los experimentos realizados consiste en la extremadamente corta longitud de onda de la luz cuando está dentro de un material hiperbólico”, explica el investigador Ikerbasque Rainer Hillenbrand, líder del grupo de Nanoóptica de nanoGUNE que realiza un estudio sobre la velocidad de la luz en materiales hiperbólicos, en colaboración con investigadores de ICFO (Barcelona) y está financiado por el proyecto Graphene Fragship de la UE, El artículo se publica en la revista Nature Photonics.

“Cuando la luz está dentro de este tipo de material —en nuestro caso, el nitruro de boro—, viaja como algo que se conoce como un polariton, donde la luz se acopla a las vibraciones propias del material”, añade.

Estos polaritones se comportan como una espada de doble filo. Por un lado, comprimen la luz en volúmenes muy pequeños. Esto es útil para una amplia gama de aplicaciones que requieren la manipulación de la luz en espacios muy pequeños, como la detección y la identificación de moléculas individuales.

Por otro lado, este enorme confinamiento requiere del desarrollo de técnicas especiales para observar su comportamiento.

Edward Yoxall, que llevó a cabo los experimentos en nanoGUNE junto con Martin Schnell, profundiza: “Debido a que la longitud de onda de un polariton es tan pequeña, no podemos utilizar los equipos de óptica 'convencionales', tales como las lentes y las cámaras, para obtener imágenes. Tenemos que utilizar un microscopio especial que es capaz de ver los detalles 1000 veces más pequeños que un microscopio de infrarrojos estándar”. Este microscopio visualiza “objetos” de tan sólo 10 nanómetros.

Imagen del polaritón obtenida con un microscopio de campo cercano. (Foto: Elhuyar)

“Pero no solo es la resolución espacial la que hace que el seguimiento de polaritones sea un trabajo complicado” continúa Yoxall. “Si queremos observar cómo se mueve un polariton, tenemos que verlo en el espacio y en el tiempo. Esto se puede hacer mediante la emisión de destellos muy cortos de luz o pulsos, de una duración de tan solo 100 femtoseguntos (menos de una millonésima de una millonésima de segundo)”.

Mediante el uso de estos destellos en combinación con un microscopio de campo cercano, los investigadores son capaces de observar los polaritones pasando por diferentes lugares a lo largo del nitruro de boro, lo que permite medir su velocidad.

Utilizando la información de espacio y tiempo que se recoge durante el experimento, los científicos dedujeron exactamente el recorrido del polariton y observaron algunos comportamientos intrigantes.

"Hemos observado que la luz es más lenta en este material y que, además, puede viajar a 'contracorriente', es decir, que las ondas del polariton pueden viajar en dirección opuesta a su flujo de energía", subraya Hillenbrand.

"Hemos observado que la luz es más lenta en este material y que, además, puede viajar a 'contracorriente', subraya Hillenbrand.

“Sin duda uno de los resultados más interesantes es la velocidad a la que se mueve el polariton”, dice Yoxall. “Hay un gran interés en el estudio de la luz lenta, y lo que nosotros hemos mostrado en este trabajo es una nueva forma de conseguirla”.

La luz lenta en estructuras fotónicas convencionales posee un gran potencial de aplicación en tecnologías de detección y comunicación, debido a la mejora de la interacción luz-materia. El enorme confinamiento de la luz al que se llega en estos materiales hiperbólicos podría ayudar a miniaturizar los dispositivos. (Fuente: CIC nanoGUNE)

Acelerar positrones con plasma

Cuando los físicos investigan los componentes fundamentales de la materia y las fuerzas que operan entre ellos, lo hacen mediante la colisión de haces de partículas de muy alto nivel energético. Por ejemplo, en Europa el LHC (Large Hadron Collider) trabaja haciendo chocar protones a energías extremadamente altas. Pero muchos científicos creen que construir un acelerador (colisionador) que hiciera chocar electrones contra positrones (antielectrones, de antimateria) sería un avance muy importante.

Cada partícula de materia tiene una antipartícula correspondiente de antimateria. Los electrones son partículas negativamente cargadas que rodean el núcleo de cada átomo. El positrón es una antipartícula con la misma masa y magnitud de carga del electrón pero exhibiendo una carga positiva. Cuando la materia ordinaria, tal como un electrón, se combina con una cantidad igual de antimateria, tal como un positrón, el resultado es su conversión a partículas de alta energía o radiación electromagnética.

La principal ventaja para un acelerador que haga chocar electrones contra positrones es que, a diferencia de los protones, que están compuestos por tres quarks, los electrones y los positrones son partículas elementales o fundamentales y por tanto las colisiones entre ellas serían mucho más limpias y fáciles de estudiar.

Utilizando la tecnología convencional de hoy en día, un colisionador de electrones-positrones para la próxima generación de experimentos de física requeriría aceleradores de decenas de kilómetros de largo. Pero los investigadores del campo de la física de partículas esperan que una técnica de aceleración por plasma pueda permitirles construir aceleradores más cortos y económicos.

Simulación que muestra la aceleración de un positrón de alta energía mediante plasma usando el nuevo método. Dicho método podría ayudar a hacer realidad la próxima generación de aceleradores de partículas. (Imagen: Weiming An/UCLA

Recientemente, se ha demostrado una forma eficiente de acelerar positrones. El método podría ayudar a crear esos tan ansiados colisionadores lineales electrón-positrón más pequeños y más potentes, máquinas que podrían emplearse para intentar desentrañar las propiedades de muchas partículas subatómicas.

El equipo de científicos que ha hecho esta demostración había mostrado previamente que aumentar la energía de las partículas cargadas mediante una táctica que consiste en hacerlas “surfear” sobre una “ola” de gas ionizado, o plasma, funciona bien cuando se trata de acelerar electrones. Si bien este método podría por sí mismo llevar a aceleradores más pequeños, los electrones son solo uno de los dos bandos implicados en las colisiones electrón-positrón.

Ahora el equipo de Chandrashekhar Joshi, de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), Estados Unidos, ha alcanzado otro hito al aplicar con éxito la técnica a los positrones.

Biografía de 3C 279

La observación de algunos objetos astronómicos exóticos requiere la puesta en marcha de esfuerzos titánicos por parte de los especialistas. Algunos de ellos están tan lejos que se necesita la colaboración de varios instrumentos para obtener datos novedosos sobre su estructura y características.

Los cuásares son candidatos habituales para este tipo de estudios cooperativos, debido a su lejanía y debilidad en el brillo. 3C 279, un cuásar situado en la constelación de Virgo con una magnitud de sólo 17,8, ha sido objeto de observaciones de esta clase.

Estamos ante un objeto que ha interesado a los astrónomos durante bastante tiempo. Los cuásares, en general, son extremadamente distantes (y por tanto muy antiguos), así como tremendamente activos. Se cree que constituyen la manifestación visible de la actividad de un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia primitiva, desde el que se emitirían grandes cantidades de energía (tanta como la de cientos de galaxias de mediano tamaño brillando a un tiempo) mientras se devora materia por acreción. Son tan intrínsecamente luminosos que incluso a la distancia que se encuentran pueden ser visibles desde la Tierra.

La energía que propagan al espacio puede ser detectable en el rango óptico, pero también en el de las ondas de radio o en el de los rayos-X o los rayos gamma, por ejemplo. 3C 279 es un cuásar especialmente destacado porque tiene un comportamiento variable en esas bandas concretas de radiación electromagnética. Su luminosidad, en efecto, puede oscilar rápidamente, y de hecho ha experimentado varios momentos de variabilidad acusada, como ocurrió entre 1987 y 1991.

Observado por primera vez en 1971, recibió una especial atención veinte años después, gracias al telescopio espacial de rayos gamma de la NASA, el Compton, el cual, durante su estudio, determinó que 3C 279 fue también uno de los objetos más brillantes en esa longitud de onda, al menos durante un tiempo. Desde entonces ha continuado siendo observado por otros instrumentos, que han aportado nueva información sobre sus características y especialmente de los chorros de material y partículas que parecen surgir de los polos del cuásar.

Representación artística del cuásar 3C 279 y de uno de los chorros de materia que surgen de sus polos. (Foto: ESO/M. Kornmesser)

Las investigaciones más recientes, sin embargo, se han efectuado en la banda de las ondas de radio. En concreto, una colaboración realizada por tres observatorios instalados en Arizona, Chile y Hawái, logró las mejores y más finas vistas hasta la fecha de la zona que rodea al agujero negro supermasivo de 3C 279.

Para lograr la máxima resolución angular posible, los astrónomos interconectaron tres radiotelescopios: el Submillimeter Telescope del Arizona Radio Observatory (ARO), propiedad de la universidad de Arizona, en este estado estadounidense; el Atacama Pathfinder Experiment (APEX), en Chile; y el Submillimeter Array (SMA), en Hawái. Esta unión, efectuada gracias a la técnica denominada Very Long Baseline Interferometry (VLBI), ha supuesto crear una especie de radiotelescopio virtual enorme, de miles de kilómetros de base, mucho mayor que cualquier radiotelescopio individual o de una sola pieza.

Observando simultáneamente a su objetivo y reuniendo después los resultados obtenidos por cada uno de los radiotelescopios, los astrónomos pudieron obtener la visión mejor definida de este cuásar hasta la fecha, lo cual no fue un emprendimiento sencillo, ya que es muy difícil coordinar la detección de las señales procedentes del cuásar, y procesarlas como si procedieran de un único instrumento. El mayor reto fue evitar la desincronización, y de hecho, nunca antes se había hecho nada tan ambicioso para la observación de cuásares o agujeros negros, y aún menos bajo una frecuencia de trabajo de sólo 1,3 milímetros, un millar de veces más corta que las ondas de radio de frecuencia modulada (FM).

Según el estudio, 3C 279 dispone de un agujero negro supermasivo en su centro que posee una masa unos 1.000 millones de veces superior a la de nuestro Sol. Su luz, debido a su lejanía, ha tardado 5.000 millones de años en llegar hasta nosotros.

Gracias a que la resolución angular del interferómetro alcanzó los 28 microsegundos de arco, fue posible distinguir estructuras de menos de 1 año-luz de diámetro en el cuásar. Nada mal si tenemos en cuenta que se halla a esos 5.000 millones de años-luz de distancia de la Tierra.

El éxito del experimento abre buenas perspectivas para la unión de más radiotelescopios al interferómetro, formando así el llamado Event Horizon Telescope, una iniciativa capaz de observar la “sombra” de algunos agujeros negros supermasivos.

Poseedor de un corrimiento al rojo de 0,53, 3C 279 está muy lejos pero aún ha permitido efectuar interesantes investigaciones sobre su comportamiento, entre ellas el llamado movimiento superlumínico, es decir, el efecto óptico que hace que su luz parezca moverse más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Ocurre porque uno de los chorros de materia que surgen del cuásar se mueve a velocidades cercanas a la de la luz en dirección al observador.

DATOS BÁSICOS:

Nombres: 3C 279, 4C –05.55, NRAO 413, PKS 1253–05
Tipo: Cuásar
Constelación: Virgo
Distancia a la Tierra: Unos 5.000 millones de años-luz
Magnitud aparente: 17,8
Características especiales: Cuásar variable cuyos chorros de partículas muestran el efecto óptico de un comportamiento superlumínico.

(AUTOR: MANEL MONTES)