Como se forma un agujero negro

Supernova

El agujero negro supermasivo en el núcleo de la galaxia elíptica supergigante Messier 87, con una masa de unos 7.000 millones de veces la del Sol,[1] tal y como se representa en la primera imagen en falso color en ondas de radio publicada por el Event Horizon Telescope (10 de abril de 2019).[2][3][4][5] Son visibles el anillo de emisión en forma de media luna y la sombra central,[6] que son vistas ampliadas gravitacionalmente del anillo de fotones del agujero negro y la zona de captura de fotones de su horizonte de sucesos. La forma de media luna se debe a la rotación del agujero negro y a los rayos relativistas; la sombra es aproximadamente 2,6 veces el diámetro del horizonte de sucesos[3].

Simulación animada de un agujero negro de Schwarzschild con una galaxia que pasa por detrás en un plano perpendicular a la línea de visión. Alrededor y en el momento de la alineación exacta (syzygy), se observa una lente gravitacional extrema de la galaxia por parte del agujero negro.

Un agujero negro es una región del espaciotiempo en la que la gravedad es tan fuerte que nada -ninguna partícula ni siquiera la radiación electromagnética, como la luz- puede escapar de él[7] La teoría de la relatividad general predice que una masa suficientemente compacta puede deformar el espaciotiempo hasta formar un agujero negro[8][9] El límite de no escape se llama horizonte de sucesos. Aunque tiene un enorme efecto sobre el destino y las circunstancias de un objeto que lo cruza, según la relatividad general no tiene características localmente detectables[10] En muchos sentidos, un agujero negro actúa como un cuerpo negro ideal, ya que no refleja la luz[11][12] Además, la teoría cuántica de campos en el espaciotiempo curvo predice que los horizontes de sucesos emiten radiación Hawking, con el mismo espectro que un cuerpo negro de una temperatura inversamente proporcional a su masa. Esta temperatura es del orden de mil millonésimas de kelvin para agujeros negros de masa estelar, lo que hace que sea esencialmente imposible de observar directamente.

Agujero negro estelar

Muy, muy lejos, en el límite del universo observable, se esconde el misterio de los agujeros negros que tienen entre millones y miles de millones de veces la masa del sol. Agujeros negros igualmente monstruosos existen en el centro de las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, porque han tenido miles de millones de años para devorar mucho gas y polvo. Pero, ¿cómo es posible que los agujeros negros hagan lo mismo en el borde del universo, en el universo primitivo, donde hay comparativamente poca materia para alimentarlos, y poco tiempo (menos de mil millones de años) para que la consuman?

Estas son las preguntas que Kohei Inayoshi, astrofísico teórico de la Universidad de Columbia y miembro de la Simons Society of Fellows, está tratando de responder. También está estudiando la relación entre las primeras estrellas del universo, la radiación relicta del Big Bang y las ondas gravitacionales. Inayoshi habló recientemente conmigo sobre su trabajo; a continuación, una versión editada de la entrevista.

Una de las formas en que se forman los agujeros negros es a través de las explosiones de estrellas masivas. Si una estrella con una masa superior a 30 veces la del sol deja de fusionar átomos en su núcleo para producir energía, el núcleo puede colapsar, la estrella puede explotar y se forma un agujero negro. Mi investigación se centra en crear escenarios en los que un agujero negro podría crecer muy rápidamente en el universo primitivo. Tenemos que pensar en cosas muy locas, como estrellas con 100.000 veces la masa del sol. Las llamamos estrellas supermasivas.

Púlsar

El agujero negro supermasivo en el núcleo de la galaxia elíptica supergigante Messier 87, con una masa de unos 7.000 millones de veces la del Sol,[1] tal y como se representa en la primera imagen en falso color en ondas de radio publicada por el Event Horizon Telescope (10 de abril de 2019).[2][3][4][5] Son visibles el anillo de emisión en forma de media luna y la sombra central,[6] que son vistas ampliadas gravitacionalmente del anillo de fotones del agujero negro y la zona de captura de fotones de su horizonte de sucesos. La forma de media luna se debe a la rotación del agujero negro y a los rayos relativistas; la sombra es aproximadamente 2,6 veces el diámetro del horizonte de sucesos[3].

Simulación animada de un agujero negro de Schwarzschild con una galaxia que pasa por detrás en un plano perpendicular a la línea de visión. Alrededor y en el momento de la alineación exacta (syzygy), se observa una lente gravitacional extrema de la galaxia por parte del agujero negro.

Un agujero negro es una región del espaciotiempo en la que la gravedad es tan fuerte que nada -ninguna partícula ni siquiera la radiación electromagnética, como la luz- puede escapar de él[7] La teoría de la relatividad general predice que una masa suficientemente compacta puede deformar el espaciotiempo hasta formar un agujero negro[8][9] El límite de no escape se llama horizonte de sucesos. Aunque tiene un enorme efecto sobre el destino y las circunstancias de un objeto que lo cruza, según la relatividad general no tiene características localmente detectables[10] En muchos sentidos, un agujero negro actúa como un cuerpo negro ideal, ya que no refleja la luz[11][12] Además, la teoría cuántica de campos en el espaciotiempo curvo predice que los horizontes de sucesos emiten radiación Hawking, con el mismo espectro que un cuerpo negro de una temperatura inversamente proporcional a su masa. Esta temperatura es del orden de mil millonésimas de kelvin para agujeros negros de masa estelar, lo que hace que sea esencialmente imposible de observar directamente.

Sheperd s. doeleman

Como su nombre indica, los agujeros negros supermasivos contienen entre un millón y mil millones de veces más masa que un agujero negro estelar típico. Aunque sólo hay un puñado de agujeros negros supermasivos confirmados (la mayoría están demasiado lejos para ser observados), se cree que existen en el centro de la mayoría de las grandes galaxias, incluido el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.

Prueba directa de la existencia de un agujero negro supermasivo: gráfico del movimiento orbital de la estrella S2 alrededor del centro de la Vía Láctea. A partir de estas observaciones, los astrónomos han deducido que un agujero negro supermasivo de unos 3 millones de masas solares acecha en el centro de nuestra galaxia.Crédito: ESO

Durante muchos años, los astrónomos sólo tenían pruebas indirectas de la existencia de agujeros negros supermasivos, siendo la más convincente la existencia de cuásares en galaxias activas remotas. Las observaciones de la producción de energía y las escalas de tiempo de variabilidad de los cuásares revelaron que irradian más de un billón de veces más energía que nuestro Sol desde una región del tamaño del Sistema Solar. El único mecanismo capaz de producir cantidades tan enormes de energía es la conversión de energía gravitacional en luz por parte de un agujero negro masivo.