27 de enero de 2020
27.01.2020
Gaveta de Astrofísica

Porque los agujeros negros duermen (y algunos se despiertan)

Los agujeros negros más comunes en el Universo son aquellos que nacen como consecuencia de la muerte de una estrella varias decenas de veces más masiva que nuestro Sol. Este tipo de estrellas no son muy comunes pero viven relativamente poco

26.01.2020 | 17:54
Porque los agujeros negros duermen (y algunos se despiertan)

Los agujeros negros más comunes en el Universo son aquellos que nacen como consecuencia de la muerte de una estrella varias decenas de veces más masiva que nuestro Sol. Este tipo de estrellas no son muy comunes pero viven relativamente poco, por lo que ya se han formado y muerto varias generaciones de ellas. Esto ha dado como resultado que, solo en nuestra Galaxia, estimemos una población de unos cien millones de estos cadáveres estelares. Digo estimamos porque estos objetos, debido a su extrema gravedad, no emiten luz y son por tanto virtualmente indetectables. Constituyen una población que permanecerá permanentemente dormida por siempre; un verdadero cementerio estelar.

Sin embargo, no todos los agujeros negros son tan oscuros. Existe la posibilidad de que formen parte de un sistema binario y tengan a su lado una estrella, a la que llamamos compañera, que después de una larga y compleja evolución esté lo suficientemente cerca como para que sus capas más externas sientan la extrema (pero de corto alcance) gravedad del agujero negro más fuertemente que la suya propia. Cuando esto sucede, esas capas de gas son succionadas y caen sobre el agujero negro€ pero no de cualquiera manera. Al estar ambos cuerpos celestes en perpetua rotación alrededor el uno del otro, el material durante la caída tiene tendencia a seguir girando, en este caso alrededor del agujero negro, y forma lo que llamamos un disco de acreción (ver imagen). Este disco funciona siguiendo las leyes de Kepler, de tal manera que el gas gira paulatinamente más rápidamente conforme va alcanzando las zonas más internas. La fricción entre las diferentes capas que giran a diferente velocidad va calentando el disco. Si el ritmo al que la estrella compañera cede su gas es lo suficientemente alto, el disco se llena pronto y el proceso de acreción es muy eficiente, alcanzándose los diez millones de grados en sus zonas más internas, las cuales emiten una intensa radiación en rayos-X. Esto lo distingue de cualquier otra estrella "ordinaria", cuya luminosidad en ese rango espectral es un millón de veces más débil, lo que hace posible descubrirlos mediante observaciones desde satélites. A estos sistemas los llamamos binarias de rayos-X y en ellos podemos considerar que el agujero negro revive, ya que vuelve a emitir luz desde sus inmediaciones.

Pero aquí no acaba la historia. En la gran mayoría de los casos que conocemos, el ritmo al que la materia es transferida desde la compañera hacia el agujero negro es muy lento en comparación con el tamaño del disco y son necesarios años de acumulación para que, poco a poco, el disco se vaya llenando. Durante este tiempo decimos que el agujero negro (o dicho con propiedad, su disco de acreción) está en quietud o "dormido", emitiendo tan poca luz que no nos permite distinguirlo de cualquier otra estrella del cielo. Esta siesta puede durar años, décadas, siglos o, si nos creemos algunos modelos teóricos, incluso milenios. Durante todo ese tiempo el disco está estructurado de tal modo que en sus zonas más internas la temperatura supera ampliamente los diez mil grados, cosa que no sucede en las capas exteriores. Este número es la clave de la cuestión, porque determina si el hidrógeno, el elemento más simple y abundante en el Universo, está en estado ionizado (es decir, los núcleos atómicos no están en contacto con su electrón) o neutro. En la última zona exterior y fría, el proceso de acreción no es eficiente y el material cae tan lentamente que de hecho se va acumulando poco a poco en una especie de anillo externo. La región de transición entre las zonas frías y calientes del disco se convierte entonces en una bomba de relojería, solo que el reloj que la activa no es de arena, sino de hidrógeno.

Como ya estaréis adivinando, tarde o temprano llega un momento en el que el material acumulado en el disco externo es suficiente como para que su temperatura y densidad se aproximen a unos valores críticos, momento en el cual se vuelve térmicamente inestable, calentándose rápidamente por encima de los famosos diez mil grados. Esto incrementa dramáticamente el rozamiento entre las diferentes capas, lo cual hace muy eficiente el proceso de acreción, y todo ese material acumulado durante la larga siesta se precipita desenfrenadamente sobre el agujero negro. La luminosidad en rayos-X aumenta hasta un millón de veces en unos pocos días, pasando de ser muy tenue, o simplemente indetectable, a la luz más intensa del cielo en rayos-X. Abrillantamientos muy intensos se aprecian también en luz visible e infrarroja y en ondas de radio. Decimos entonces que el agujero negro ha entrado en erupción, es decir, "ha despertado". Del mismo modo, cuando este combustible se acaba, típicamente en unos pocos meses, el agujero negro volverá a dormir, comenzando un nuevo periodo de hibernación.

En el grupo de binarias de rayos-X del Instituto de Astrofísica de Canarias estamos siempre con un ojo pendiente de los satélites, que nos informan cuando una de estas fuentes ha despertado. En los últimos cuatro años hemos tenido mucha suerte y hemos disfrutado de dos erupciones muy especiales, las de los agujeros negros V404 Cygni, un clásico que entró en erupción en 2015 y con anterioridad en 1989, 1956 y 1938 (y seguro que muchas más veces antes), y MAXI J1820+070, descubierto por la misión japonesa MAXI que le da el nombre en 2018. Ambos están a solo unos pocos miles de años-luz de la Tierra, por lo que durante sus brillantes erupciones se han convertido en laboratorios ideales para estudiar la física más extrema, aquella que sucede a pocos kilómetros del horizonte de sucesos del agujero negro. En un capítulo próximo os contaré exactamente lo que hemos aprendido de ellos y quizás también de una nueva fuente descubierta hace tan solo unas pocas horas sobre la que ya estamos trabajando.

Representación artística de un disco de acreción en quietud (izquierda) y en erupción (derecha). En ambos casos, el disco es alimentado por un flujo de gas constante (hidrógeno en su mayoría) proveniente de la estrella compañera (fondo de la imagen). Sin embargo, mientras que en el primer caso el material se acumula en las zonas externas del disco, en el segundo es transferido eficientemente hacia el agujero negro central, generándose gran cantidad de luz muy energética en el proceso, especialmente en las zonas centrales. Crédito: composición basada en dos ilustraciones de Gabriel Pérez (IAC).
 

Teo Muñoz Darias nació en 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 Ramón y Cajal en el Instituto de Astrofísica de Canarias.


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