jueves, 15 de octubre de 2009

Agujeros negros gigantes


Dentro de la celebración de las XVIII Jornadas de Astronomía, organizadas por la Sociedad de Ciencias Aranzadi, con la colaboración del Kutxaespacio de la Ciencia, se celebró ayer en el museo una conferencia titulada "Agujeros negros gigantes", cuyo ponente Xavier Barcons, es un auténtico experto del tema. A continuación podéis leer el resumen realizado a partir de los apuntes que tomé de la charla. Todas las imágenes las he obtenido posteriormente de google-imágenes.



Espero que disfrutéis de su lectura.





Agujeros negros gigantes


Conferenciante: Xavier Barcons, IFCA, Instituto
de Física de Cantabria. (CSIC / Universidad de Cantabria).

Fecha: 14 de octubre de 2.009



1.- ¿Qué son los agujeros negros? Características.



1.- ¿Qué son los agujeros negros? ¿Cómo se pueden ver?

● Un agujero negro es una gran concentración de masa, en cuya superficie, la velocidad de escape equivale a la de la luz.

● Radio de Schwarzschild, Rs= 2GM/c2. Equivale al radio al que tenemos que comprimir una estrella para convertirla en un agujero negro, es decir, es el radio que alcanza el astro cuando la luz que emite comienza a caer en su interior y no permite que nada escape de su atracción gravitatoria, ni partículas, ni luz. Si el Sol se colapsara formando un agujero negro, tendría un radio de 3 kilómetros.

● Velocidad de escape, Vesc=(2gM/R )1/2




2.-Verdades y leyendas sobre Agujeros Negros.

● Un agujero negro que posea una masa equivalente a la Solar, tendrá una atracción gravitatoria un billón de veces más intensa que la existente en la superficie de la Tierra.

● Aunque actualmente se tiene la teoría de que lo que cae dentro de un agujero negro no vuelve a salir de él, Stephen Hawking sostiene que algo de información sí que puede escapar de la atracción del agujero negro.

● Densidad de un agujero negro: Erróneamente se cree que la densidad es clave a la hora de dictar qué es un agujero negro, pero una densidad alta no es esencial, sino la fuerza gravitatoria que posee en su superficie. Por ejemplo: un agujero negro con la masa del Sol tendría una densidad equivalente a la del núcleo atómico, mientras que si la estrella tuviera 100 millones de veces la masa solar, su densidad sería la del agua.

● Los agujero negros distorsionan el espacio-tiempo a su alrededor dando lugar a fenómenos espectaculares.








● Los agujeros negros, al igual que todos los astro conocidos del Universo, giran. La velocidad de giro de los agujeros negros depende de un parámetro, “a”. Si a=0 significaría que no gira; en cambio, si a=1, su velocidad de giro sería máxima. Si a>1, el agujero negro no sería estable y se rompería. A mayor velocidad de giro, más espectaculares son los efectos que produce.




3.- ¿Cómo podemos ver los agujeros negros?



No podemos verlos pero detectamos su presencia por una serie de efectos que se crean por los campos gravitatorios muy intensos, que se generan a su alrededor. Estos efectos son:

- Movimientos muy rápidos de estrellas.

-Movimientos muy rápidos de gas.

-Emisión de mucha energía en pequeñas zonas.

- Variaciones muy rápidas en la emisión energética.



4.- Acreción


Llamamos acreción a la caída de masa a la superficie de un astro, liberando en el proceso energía que traía consigo. Parte de la energía se concentra en calentar al astro “víctima” del agujero negro, mientras que un determinado porcentaje se emite en forma de radiación, siendo ésta la que detectan los telescopios. Conocemos la fórmula de Einstein, E=mc2. Para estos casos añadimos un nuevo término:


E= ε Mc2


Donde ε es un escalar que indica la energía que se pierde en calentar la estrella o en otros fenómenos, y que no es emitida. La eficiencia (ε), va en función del radio de la estrella. Por ejemplo, en el Sol, ε = 0,7%. Cuanto más pequeño y concentrado es el astro, más eficiente es. Así, en una estrella de neutrones ε = 1%, y en un agujero negro, la eficiencia de la conversión de materia en energía es de entre el 10 y el 40 por ciento.




5.-Límite de Eddington


Este límite indica que no podemos extraer una cantidad ilimitada de energía en un agujero negro por la acreción, porque la presión ejercida por la propia radiación impide la caída de más materia hacia el agujero negro.

Ledd=1,3.1038(M/Mo) erg/s = 105 (M/Mo)L0

Por ejemplo, si el Sol se convirtiera en un agujero negro, no podría radiar 100.000 veces más de lo que lo hace ahora.

La materia, al girar en torno a un agujero negro, se pone incandescente a su alrededor, lo que provoca la emisión de rayos X observable por los telescopios espaciales Chandra (NASA) y XMM-Newton (ESA).



2.-Agujeros negros en la Vía Láctea y otras galaxias.



1.-Agujeros negros en la Vía Láctea.


El agujero negro existente en el centro de la Vía Láctea no se ha descubierto por su emisión de rayos X, sino siguiendo la órbita de estrellas cercanas a él. Estudiando la órbita de las estrellas que se mueven alrededor del núcleo de la galaxia, se ha calculado la enorme masa que provoca la fuerza gravitatoria que sufren. Los cálculos nos indican que esta masa es gigantesca, del orden de M ± 4.106Mo, siendo esta masa sólo posible en un agujero negro con una densidad de ρ>2.2.1012 M0P/c3.

El agujero negro de nuestra galaxia no tiene emisiones de rayos X muy intensas, pero se han observados determinados picos de aumento de actividad que consiguen multiplicar por cinco su dinamismo en tan sólo unas horas. Esta es una característica común a los agujeros negros situados en los centros de las galaxias.




Sagitarius A, el agujero negro de nuestra Vía Láctea




2.-Agujeros negros gigantes en todas las galaxias.


Los centros galácticos giran demasiado deprisa por lo que no podemos ver cómo se mueven las estrellas individualmente, pero sí cómo lo hacen las acumulaciones de gas y los cúmulos de estrellas. Se ha constatado que estos movimientos calculados, sólo podrían ser posible si en el centro de las galaxias estudiadas existe una gran masa, es decir, un agujero negro gigante, que contiene un 0,2% de la masa del bulbo central. Puede parecer poco, pero está muy concentrada. Luego, cuanto mayor es la galaxia, mayor es el agujero negro que alberga.

En el caso de M31, la galaxia más próxima a nosotros, prácticamente podemos ver el agujero negro que contiene en su núcleo. Y este hecho es tan común en las galaxias que también se da el caso de que existan dos agujeros negros centrales en una misma galaxia, como por ejemplo en NGC 6240. Esta galaxia es lo que se denomina una zona de formación estelar explosiva. Probablemente, dentro de unos millones de años acabarán fusionándose. El polvo existente en esta galaxia es necesario porque actúa como refrigerante permitiendo que el gas se enfríe y se concentre para formar estrellas.





NGC 6240, la imagen muestra los dos agujeros negros centrales que alberga



3.-Agujeros negros en galaxias activas y quásares.


● Los agujeros negros de estas galaxias son muy activos y radian mucha energía.

● Se distinguen de las galaxias normales por las líneas de emisión en rayos X que implican movimientos ultrarrápidos.

● Variación muy rápida del brillo de los rayos X.

● Líneas de emisión óptica que implican velocidades turbulentas muy altas.

● El motor de las galaxias activas es un agujero negro gigante que atrae grandes cantidades de materia y emite mucha energía.



Ejemplos de galaxias activas.


4.-Disco de acreción.


La materia no cae directamente al agujero negro sino que gira alrededor de él y va cayendo lentamente debido a la ley de la conservación angular, girando en este proceso la materia y produciendo efectos relativistas.

a) Efecto Doppler: recordemos que la radiación es una onda. Cuando un electrón salta a una órbita más alejada del núcleo atómico, se emite energía, pero esta emisión se ve alterada en su recepción al moverse la fuente a una gran velocidad, tanto si se acerca a nosotros, como si se aleja.







b) También hay que tener en cuenta que este átomo se encuentra bajo un intenso campo gravitatorio, por lo que al emitir luz, tiene que ceder una parte de esa energía para escapar del campo gravitatorio en el que se encuentra. Así, recibimos cada vez una señal más roja hasta llegar a hacerlo con una energía E/2, respecto a la inicial.


Combinando a y b, podemos decir que, en vez de ver en una sola frecuencia de luz, recibimos el espectro en toda la banda ancha de frecuencias. Esta conclusión se predijo primero teóricamente y en 1.995, se observó por primera vez que los átomos de hierro de la galaxia MCG-6-30-15 emitían de esta forma.


c) Pero hay otro efecto, la rotación. Cuanto más gira un agujero negro:

- La materia circula más cerca del agujero negro sin caerse, es decir la conversión de materia en energía es más eficiente. Por ello, un agujero negro en rotación máxima puede alcanzar una eficiencia en torno al 40%.

-Los efectos relativistas son más espectaculares.

-Ejemplos: MGC-5-23-16, MGC-6-30-15.




3.- Nacimiento y crecimiento de los agujeros negros.


● Todas las galaxias poseen un agujero negro con el 0,2% de la masa de su bulbo. (Millones de soles o más)

● En más del 90% de los casos, el agujero negro no está activo.

● ¿Cómo se puede formar un agujero negro de millones de soles? ¿Cómo afecta al futuro de una galaxia?

● El crecimiento de un agujero negro depende de:

- Acreción.

- Fusión de agujeros negros: dos galaxias que colisionan pueden fusionar sus agujeros negros centrales.

-Captura de estrellas: se desconoce su viabilidad, ya que las estrellas se rompen antes de ser tragadas por el agujero negro.




1.- La semilla de la formación de los agujeros negros.


Estas afirmaciones se basan en ideas y predicciones teóricas que se han realizado a partir de las observaciones y estudios llevados a cabo sobre los agujeros negros.

● Las primeras estrellas que se formaron en un Universo sin polvo eran muy masivas (300 Mo) y explotaron después de una vida muy corta, ya que a mayor masa, más rápidamente consumen su combustible.

● Probablemente dieron lugar a estallidos cósmicos de rayos gamma (GRB) y emitieron grandes cantidades de ondas gravitatorias.

● Estas estrellas dejaron un agujero negro de unas 10 Mo, la semilla de los agujeros negros actuales.




2.- Crecimiento por acreción.


El crecimiento por acreción consiste en tragar gas y estrellas que se rompen en su aproximación al agujero negro. Pero al crecer por este método están radiando, especialmente en rayos X, por lo que la cantidad de estos rayos que vemos en el Universo tiene que encajar con el número de agujeros negros que observamos.







3.- Radiación frente a agujeros negros gigantes.





Podemos medir la radiación emitida en rayos X en el Universo y podemos medir el número de agujeros negros. Todo esto encaja si se dan dos condiciones:

- Los agujeros negros gigantes crecen casi al límite de Eddington.

- La conversión de materia en energía es muy eficiente (10%)

Conclusión: para que esto sea posible, los agujeros negros deben girar muy deprisa.




4.- Fusión de galaxias.


La fusión de galaxias puede llevar a la fusión de sus agujeros negros centrales, y a la variación en el número de estrellas que se forman en las galaxias. Mientras se aproximan, la tasa de formación de estrellas se mantiene en cada galaxia, pero cuando se fusionan los agujeros negros, se produce un pico que eleva notablemente la producción de estrellas. Sin embargo, tras este aumento de la tasa se produce un fenómeno denominado “esterilización” que consiste en la emisión de una enorme radiación por parte del agujero negro formado, que limpia los alrededores, barridos por la fuerza de la nueva radiación, impidiendo la formación de más estrellas durante un periodo determinado de tiempo.






Ejemplos de galaxias colisionando.




Esquemáticamente:


Galaxia 1 + galaxia 2 → quasar → radiación → esterilización

Cuando se traga toda la materia posible, se apaga y vuelve a producirse la formación de nuevas estrellas regresando a un estado estable.





4.- Objetivos para el futuro.


● ¿Qué relación existe entre la formación de las galaxias, sus estrellas y los agujeros negros supermasivos que existen en sus centros?

● ¿El crecimiento de los agujeros negros supermasivos es por acreción o por fusiones?

● ¿Hay agujeros negros de masa intermedia? Serían del orden de 100-1000 M0. Hay evidencias, pero no está demostrado.

● ¿Por qué la mayoría de los agujeros negros están inactivos? (Cerca del 90%) ¿Por qué hay tantos que están oscurecidos por gas y polvo? (Alrededor de ¾)

● ¿Se comporta la materia de acuerdo con la relatividad general en los alrededores de un agujero negro?




5.- Resumen.


● Los agujeros negros gigantes existen en el centro de todas las galaxia.

● Influyen en la historia de la galaxia que los alberga.

● Posiblemente nacieron pequeños y han crecido por acreciones y fusiones.

● El Universo es el único laboratorio que tenemos para estudiar interacciones fuertes.

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