¿Dónde están los agujeros negros masivos?

Conocemos la localización de millones de agujeros negros, cuyas masas varían entre apenas cinco y varios miles de millones de veces la masa de nuestro Sol. Dicho así, no parece que ni el número ni la masa sean un problema. Sin embargo, entender su distribución a lo largo de este inmenso rango representa un reto para varios campos de la astrofísica. En general, echamos de menos los agujeros negros que podemos calificar como masivos, aunque el significado de esta palabra depende mucho del astrofísico con el que se hable.   

El 14 de septiembre de 2015 marcó el inicio de una nueva era en la astrofísica moderna. Ese día, el experimento LIGO detectó ondas gravitacionales, cuya existencia había sido postulada décadas atrás en el marco de la Teoría General de la Relatividad. El resumen con el que se inicia la publicación de este resultado es, literalmente, el sueño de cualquier astrofísico. El trabajo revela el descubrimiento de sistemas binarios formados por dos agujeros negros que orbitan entre sí, hasta fundirse en uno con una masa ligeramente inferior a la suma de ambos. Este evento hace vibrar el espacio-tiempo de tal manera que, en otra galaxia a miles de millones de años luz, en el planeta Tierra, somos capaces de percibirlo. El resultado es de tales dimensiones que hasta la parte que es quizá menos relevante, las masas de los tres agujeros negros involucrados, tiene implicaciones fundamentales.

Llamamos agujeros negros de masa estelar a aquellos que surgen de la muerte de las estrellas más masivas que conocemos. Antes de 2015, fabricar agujeros negros de decenas de veces la masa de nuestro Sol era un problema para nuestros mejores modelos numéricos, y estábamos satisfechos con cubrir el rango de entre 5 y 20 masas solares, que encaja bien con las medidas realizadas en una decena larga de binarias de rayos-X en nuestra Galaxia . En estos sistemas, un agujero negro engulle poco a poco a una estrella cercana, hecho que revela su presencia y permite estudiarlo en detalle. Sin embargo, LIGO detectó dos agujeros negros de unas 30 masas solares que se fundían en uno de unas 60, y a este siguieron otros descubrimientos similares. Si bien hemos ido rectificando los modelos para ser capaces de dar cuenta de estos agujeros negros más masivos, a los astrofísicos también se nos da bien predecir el pasado —como en otras disciplinas— la realidad es que en nuestra Galaxia apenas conocemos uno que llegue a las 30 masas solares. Sabemos que hay más, pero tendremos que buscarlos en lugares más inaccesibles, como el disco galáctico, donde se podrían esconder las binarias de rayos-X más pesadas, o en otro tipo de sistemas binarios donde la estrella que dio lugar al agujero negro siguió una evolución distinta.      

Paradójicamente, la inmensa mayoría de agujeros negros que conocemos no están en la Vía Láctea ni son el resultado directo de la muerte de una estrella. Están en el centro de cada galaxia, al menos de aquellas con un tamaño respetable, y tienen masas que van desde unos pocos millones hasta miles de millones de veces la de nuestro Sol. A estos los llamamos agujeros negros supermasivos. Pero entonces, ¿dónde están los masivos?, es decir, sin el súper. El problema principal radica en encontrar aquellos por debajo de unas cien mil masas solares, que se espera sean los ladrillos a partir de los cuales se podrían formar los más extremos que encontramos, por ejemplo, en los cuásares , o, sin irnos tan lejos, en el centro de M87, una de las galaxias de nuestro vecindario. A estos masivos-sin-el-súper los llamamos también de masa intermedia, y podrían estar escondidos en galaxias mucho más pequeñas o en otras agrupaciones de estrellas, como los cúmulos (ver ilustración). Los buscamos principalmente en rayos-X, cuya generación en grandes cantidades suele ser prueba inequívoca de la presencia de agujeros negros tragando gas, pero si están ahí, las observaciones indican que están muy poco activos. Otra manera de buscarlos, quizá la más espectacular, es estudiar eventos tipo TDE (por sus siglas en inglés), en los que una estrella que pasa por allí no es que sea engullida poco a poco, como sucede en las binarias de rayos-X, sino que es directamente hecha trizas por estos agujeros negros masivos, lo cual permite detectarlos a grandes distancias. Aquí el problema es el complejo modelado de estos eventos.

 Pero hay esperanza. La solución podría estar de nuevo en las ondas gravitacionales. La futura misión europea LISA, que volará dentro de una década, permitirá detectar ondas provenientes de sistemas binarios de muchos tipos, incluidos aquellos formados por dos agujeros negros masivos (ver ilustración). El futuro es prometedor, pero estoy seguro de que no va a haber que esperar hasta entonces para encontrar más sorpresas tanto por el lado estelar como por el de los supermasivos, y quizá para entonces ya tengamos algo más claro lo que podría estar pasando en ese inmenso rango intermedio que nos trae de cabeza.  

Biografía

Teo Muñoz Darias (https://teomunozdarias.wordpress.com/) nació en San Sebastián de La Gomera y creció en La Rioja, Navarra y Tenerife. Tras obtener el título de Doctor en Astrofísica por la Universidad de La Laguna, se marchó a Italia para trabajar como investigador postdoctoral en el Observatorio de Brera. A esta experiencia siguieron sendas estancias postdoctorales Marie Curie en Reino Unido, en las Universidades de Southampton y Oxford. Siempre dedicado al estudio de los agujeros negros, actualmente es investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias, donde dirige una linea de investigación dentro del grupo de objetos compactos (https://research.iac.es/proyecto/compactos/pages/en/introduction.php).

***Sección coordinada por Adriana de Lorenzo-Cáceres Rodríguez.