agujero

En contraste, los llamados agujeros negros de masa estelar, que tienen unas 10 veces la masa del Sol, tienen una fuente de alimentación diferente. Estos agujeros más chicos adquieren material al tirar del gas de una compañera estrella orbitante. Como los grandes y los más pequeños agujeros se encuentran en diferentes entornos con diferentes fuentes de material del cual se alimentan, ha permanecido la pregunta de si se alimentan de la misma forma.

Usando las nuevas observaciones y un detallado modelo teórico, un equipo de investigación comparó las propiedades del agujero negro de M81 con aquellos agujeros de masa estelar. Los resultados muestran que ambos parecen alimentarse de forma similar y producen una distribución similar de radiación en rayos-X, óptica y de radio.

Una de las implicaciones de la teoría General de la Relatividad de Einstein es que los agujeros negros son objetos simples y sólo su masa y spin determinan su efecto en el espacio-tiempo. Esta última investigación indica que su simpleza se manifiesta a pesar de los complicados efectos del entorno.

“Esto confirma que los patrones de alimentación de agujeros negros de distinto tamaño pueden ser muy similares”, dice Sera Markoff de la Universidad de Amsterdam.

El modelo que los científicos usaron para estudiar los agujeros negros incluyen un débil disco de material orbitando alrededor del agujero negro. Esta estructura produciría principalmente rayos-X y luz óptica. Una región de gas caliente alrededor del agujero sería vista en mayor medida en radiación ultravioleta y rayos-X.

“Cuando miramos los datos, surge que nuestro modelo funciona tan bien para el agujero negro de M81 así como para los más pequeños”, agrega Michael Nowak, coautor, del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

Este trabajo debería ser útil para predecir las propiedades de una tercera clase, no confirmada, de agujeros negros intermedios, cuya masa estaría entre las de los agujeros de masa estelar y los supermasivos. Algunos posibles miembros de esta clase han sido identificados, pero la evidencia es controversial, por lo que predicciones específicas de las propiedades de esos agujeros serían muy útiles.

Además del Observatorio Chandra, tres conjuntos de radio (El Giant Meterwave Radio Telescope, el Very Large Array y el Very Long Baseline Array), dos telescopios milimétricos y el Observatorio Lick monitorearon la galaxia M81. Las observaciones fueron hechas en simultáneo para asegurar que las variaciones en brillo por los cambios en la tasa de alimentación, no confundieran los resultados.

El resultado confirma un trabajo anterior, menos detallado, de Andrea Merloni del Instituto Max Planck en Alemania que sugería que las propiedades básicas de los agujeros negros mayores eran similares a los de menor tamaño.

Los resultados aparecerán en la próxima edición de The Astrophysical Journal.

El equipo estudió la galaxia BL Lacertae (BL Lac), a unos 950 millones de años luz de la Tierra. BL Lac es un blazar, el tipo de agujero negro más energético. Un agujero negro es una concentración de masa tan densa que ni la luz puede escapar de su tirón gravitacional. Los agujeros supermasivos en los centros galácticos generan jets de partículas e intensa radiación.

El material empujado hacia el interior de un agujero negro forma un disco en rotación llamado disco de acreción. Al moverse el material desde el borde exterior del disco hacia adentro, las líneas de campo magnético perpendiculares al disco están retorcidas, formando un apretado haz espiralado que, según creen los astrónomos, propulsan las partículas eyectadas. Más cerca del agujero negro, el espacio mismo es retorcido por el poderoso tirón gravitacional del agujero negro.

Los teóricos predicen que el material moviéndose en esta región seguiría un camino en espiral, con forma de sacacorchos dentro del haz de retorcidos campos magnéticos. También predicen que la luz y otra radiación emitida por el material en movimiento brillaría cuando su camino apuntara directamente hacia la Tierra.

Marscher y sus colegas predicen que habría también una llamarada cuando el material golpee una onda de choque estacionaria llamada “núcleo”, un tiempo después de haber emergido de la región de aceleración.

“Ese comportamiento es exactamente lo que vimos”, dice Marscher. A finales de 2005 y principios de 2006, los astrónomos observaron BL Lac con una colección internacional de telescopios, como un nudo de material eyectado a través del jet. Al alejarse el material de las vecindades del agujero negro, el VLBA pudo determinar su localización, mientras otros telescopios midieron las propiedades de radiación emitida por ese nudo.

Brillantes estallidos de luz, rayos-X y rayos gamma se detectaron en los lugares en que la teoría predice. Además, la alineación de las ondas de radio y de luz - una propiedad llamada polarización- rotó mientras el nudo se enrrollaba en su camino espiral.

“Tenemos una vista sin precedentes de la porción más interna de uno de estos jets y adquirimos información que es muy importante para entender cómo estos tremendos aceleradores de partículas trabajan”, dice el científico.

Los astrónomos reportaron sus hallazgos en la edición del 24 de abril de la revista Nature.

La nueva simulación de múltiples agujeros negros evolucionando, orbitando y finalmente colisionando confirmó la robustez de su código. La edición de mayo de Physical Review D publicará los últimos hallazgos del equipo en un artículo con el título “Close Encounters of Three Black Holes”.

“Descubrimos complicadas órbitas dinámicas, fusiones triples simultáneas y complejas ondas gravitacionales que podrían ser observadas por los detectores como LIGO y LISA“, explicó Lousto. “Estas simulaciones son oportunas porque un triple cuásar fue recientemente descubierto por un equipo liderado por el astrónomo de Caltech George Djorgovski. Esto presumiblemente representa el primer agujero negro supermasivo triple”.

El equipo simuló el caso más simple con igualdad de masas y sin rotación, un prerequisito para simulaciones más complejas. El conjunto de supercomputadoras del centro “newHorizons” procesó las simulaciones y realizó evoluciones de hasta 22 agujeros negros para verificar los resultados.

“Veintidos non va a ocurrir en la realidad, pero tres o cuatro pueden ocurrir”, acota Zlochower. “Nos dimos cuenta de que el código mismo no se preocupa de cuántos agujeros negros haya. Mientras podamos especificar dónde estaban localizados -y haya suficiente poder computacional- podemos rastrearlos”.

Para los científicos como Campanelli, que se especializan en astrofísica computacional y relatividad numérica, son esenciales herramientas como estas computadoras de alta performance. Oportunamente, habíamos hablado aquí de SUGAR, una supercomputadora para escuchar agujeros negros.

Los científicos esperan medir ondas gravitacionales por primera vez en la próxima década usando el detector conocido como LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) y la futura misión espacial de la NASA y ESA denominada LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

“Para poder confirmar la detección de ondas gravitacionales, los científicos necesitan modelos. Necesitan saber qué buscar en los datos que adquieren, de otra forma verían sólo ruido. Si sabes qué buscar puedes confirmar la existencia de ondas gravitacionales. Es por eso que necesitan todas estas predicciones teóricas”, explica Campanelli.

“Las ondas gravitacionales pueden confirmar la existencia de agujeros negros directamente porque tienen una firma especial. Eso es lo que estamos simulando. Estamos prediciendo una firma muy específica para los encuentros de agujeros negros.”

¿Qué es Omega Centauri?
Fue primeramente clasificado como una estrella en el catálogo de Ptolomeo, hace casi 2000 años. Edmond Halley lo reportó como una nebulosa en 1677. John Herschel, allí por la década de 1830, fue el primero en reconocerlo como cúmulo globular. Ahora, más de un siglo después, este nuevo resultado sugiere que no es un cúmulo sino una galaxia enana. Ya habíamos comentado aquí un estudio previo al respecto, en “Múltiples nacimientos estelares en un cúmulo globular“.

Los cúmulos globulares consisten en cientos de miles de estrellas viejas agrupadas por su gravedad. Se encuentran en las afueras de muchas galaxias incluyendo la nuestra. Omega Centauri tiene varias características que lo distinguen de otros cúmulos globulares: rota más rápido, tiene una forma bastante aplanada y consiste en varias generaciones de estrellas, mientras los cúmulos globulares típicos usualmente consisten en estrellas de la misma generación.

Más aún, Omega Centauri es unas 10 veces más masivo que otros grandes cúmulos globulares, casi tan masivo como una pequeña galaxia. Estas peculiaridades han llevado a los astrónomos a sugerir que Omega Centauri quizás no sea un cúmulo globular sino una galaxia enana a la que se lo quitaron sus estrellas exteriores, quizás por un encuentro previo con la Vía Láctea.

“Encontrar un agujero negro en el corazón de Omega Centauri podría tener profundas implicaciones para nuestro entendimiento de su pasada interacción con la Vía Láctea”, dice Eva Noyola, astrónoma del Max-Planck Institute y líder del equipo que realizó el descubrimiento.

Noyola y sus colegas midieron los movimientos y el brillo de las estrellas en el centro de Omega Centauri. Las velocidades medidas de las estrellas en el centro están relacionadas con la masa total del cúmulo y eran mucho más altas que lo esperado para una masa deducida del número y tipo de estrellas vistas. Por lo que debería haber algo extraordinariamente masivo (e invisible) en el centro del cúmulo, responsable de la rápida danza estelar, probablemente un agujero negro de unas 40.000 masas solares.

“Antes de esta observación, sólo teníamos un ejemplo de un agujero negro de masa intermedia- en el cúmulo globular G1, en la vecina galaxia Andrómeda”, dice el astrónomo Karl Gebhardt de la Universidad de Texas y miembro del equipo.

Aunque la presencia de un agujero negro de masa intermedia es la razón más probable para la velocidad de las estrellas cerca del centro del cúmulo, los astrónomos analizaron un par de otras posibles causas: una colección de estrellas no vistas, como enanas blancas o estrellas de neutrones o un grupo de estrellas con órbitas alargadas que podrían hacer que las estrellas más cercanas al centro parezca tomar velocidad.

De acuerdo a Noyola estos escenarios son improblables: “La evolución normal de un cúmulo estelar como Omega Centauri no debería terminar con estrellas comportándose de esas formas. Incluso si asumimos que alguno de esos escenarios ocurrió de alguna forma, se espera que ambas configuraciones sean de corta vida. Un grupo de estrellas que hayan acabado su combustible, se espera que se muevan fuera del centro del cúmulo con rapidez. Para estrellas con órbitas alargadas, se espera que las órbitas se vuelvan circulares rápidamente”.

De acuerdo a los científicos, estos agujeros negros de masa intermedia podrían ser los predecesores de los agujeros negros supermasivos. “Estamos en la frontera de descubrir un posible mecanismo de formación de agujeros negros supermasivos. Agujeros negros de masa intermedia como este podrían ser las semillas de los supermasivos”.

Los astrónomos han debatido la existencia de agujeros negros de masa intermedia porque no tienen fuerte evidencia de ellos y no hay un mecanismo ampliamente aceptado sobre cómo se forman. Sí poseen amplia evidencia de que los agujeros negros de masa estelar son producidos cuando una estrella masiva muere. Hay evidencia similar de que los agujeros negro supermasivos que pesan el equivalente a billones de masas solares se asientan en los centros de muchas galaxias, incluyendo la Vía Lácta.

Los agujeros negros de masa intermedia quizás sean raros y existan sólo en galaxias enanas, pero también podrían ser más comunes de lo esperado, existiendo en los centros de los cúmulos globulares también. Un sondeo previo de agujeros negros supermasivos y sus galaxias huéspedes mostró una correlación entre la masa de un agujero negro y su huésped. Los astrónomos estiman que la masa de una galaxia enana que podría haber sido la precursora de Omega Centauri era de cerca de 10 millones de masas solares.
Si la regla de las masas de superagujeros negros y sus masivas galaxias huéspedes, fuera válida también para galaxias y agujeros menores, luego, la masa de Omega Centauri no concuerda con su agujero negro.

El equipo usará el VLT de ESO en Paranal, Chile, para conducir un seguimiento observacional de la velocidad de las estrellas cercanas al centro del cúmulo para confirmar su descubrimiento

“La idea que estamos explorando es que el Universo tiene una pequeña dimensión imperceptible (cerca de una trillonésima de un nanometro) en adición a las cuatro que conocemos actualmente”, indica Michael Kavic, uno de los investigadores. “Esta dimensión extra estaría enrollada, en un estado similar al Universo en el tiempo del Big Bang”.

El grupo está buscando los pequeños agujeros negros primordiales que, al explotar, podrían producir un pulso de radio que podría ser detectado aquí en la Tierra. Estos agujeros negros se denominan primordiales porque fueron creados una fracción de segundo después del comienzo del Universo.

Estos agujeros negros se evaporarían con el tiempo, perdiendo masa y por lo tanto , encogiéndose. Un agujero negro mayor que la dimensión extra se envolvería a su alrededor. Al encogerse el agujero negro al tamaño de la dimensión extra, se estiraría tanto que causaría una explosión.
Esa explosión podría producir un pulso de radio. Bajo una subvención de la National Science Foundation, el grupo de Virginia Tech está preparando un radio telescopio de ocho metros en Montgomery County, llamado Eight-meter-wavelength Transient Array (ETA), para buscar esos radio pulsos de explosiones hasta 300 años luz de distancia. Tienen un telescopio similar en el sudoeste de Carolina del Norte que ha estado buscando estos eventos por varios meses.

“Tenemos un número de cosas en mente que han sido predichas que producirían pulsos de radio, que no se han visto. Una de ellas es una explosión de un agujero negro primordial”, dice John Simonetti, profesor de física de Virgina Tech.

“Básicamente estamos buscando una exótica explosión de alta energía que produciría ondas de radio”.

¿Porqué buscar dimensiones extras? Una razón tiene que ver con la teoría de cuerdas, un área de la física que postula que los bloques fundamentales del Universo son pequeñas cuerdas que oscilan produciendo armónicos.

“La teoría de cuerdas requiere dimensiones extra para ser consistente. La teoría sugiere un mínimo de 10 dimensiones, pero sólo considerando modelos con una dimensión extra”, dice Kavic.

Algunos teóricos creen que el Gran Colisionador de Hadrones, un gigantesco acelerador de partículas qu ese está construyendo en Ginebra, Suiza, podría ser capaz de detectar una dimensión extra. El grupo de Virgina Tech espera detectarla por radioastronomía.

El grupo planea realizar la búsqueda por al menos cinco años.

“Si tuviéramos evidencia de que hay una dimensión extra, revolucionaría verdaderamente cómo pensamos acerca del espacio y el tiempo. Sería un descubrimiento muy emocionante”, finaliza Kavic.

Tanmay Vachaspati de la Universidad de Princeton piensa que estudiar el superfluído helio-3 podría ayudar a resolver dos misterios: porqué el Universo está hecho casi enteramente de materia en vez de antimateria y el origen de los campos magnéticos galácticos.

Los cosmólogos creen que una cantidad similar de materia y antimateria deberían haberse creado en el Universo temprano. Pero como se aniquilan entre sí, algo debe haber ocurrido para crear un exceso de materia para ver el Universo tal como lo vemos. Algo de antimateria podría haber sido convertida a materia a través de un proceso que involucra partículas virtuales, dice Vachaspati. Entre éstas habría habido monopolos magnéticos - partículas hipotéticas que portarían una sola carga magnética. Al desaparecer los monopolos, habrían forzado a la antimateria cercana a volverse materia.

Los monopolos, agrega el científico, podrían haber dejado una traza: líneas de campos magnéticos distorsionados que habrían sido estiradas al expandirse el Universo, dando lugar a los campos magnéticos galácticos.

Esas trazas en el Universo temprano serían difíciles de ver en la radiación de fondo de microondas dejada por el Big bang, pero el superfluído helio-3 podría ser una forma de testear la idea.

Asimismo, se postuló en la reunión la posibilidad de usar lásers para recrear el horizonte de sucesos de un agujero negro.
La luz viaja a través de los materiales a diferente velocidad. En el vacío, la velocidad de la luz es la popularmente conocida de casi 300.000 km/s. Pero a través de otros materiales, la velocidad de la luz es diferente. También dependerá de las propiedaes de las ondas que viajan.
Aparentemente, usando rayos láser, uno lento y otro más rápido sería posible recrear las condiciones en un agujero negro. Se dispararía un pulso lentro en la fibra óptica, seguido de uno más rápido que debería alcanzar al primero. Sin embargo, el primer pulso al pasar a través del medio altera las propiedades ópticas de la fibra, causando al pulso rápido enlentecerse. Esto es lo que ocurre a la luz al tratar de escapar de un horizonte de sucesos, se hace tan lenta hasta quedar “atrapada”.

Según entiendo, lo que se ha hecho hasta ahora son cálculos teóricos que muestran que un sistema así sería capaz de investigar los efectos cuánticos de los horizontes, en particular la radiación de Hawking.

Lejos de un agujero negro, un objeto trazará una elipse al orbitar al masivo objeto, como los planetas en nuestro sistema solar hacen al orbitar al Sol.

Pero muy cerca de un agujero negro, la teoría general de la relatividad predice un raro comportamiento, debido a la forma en que el ultra poderoso campo gravitacional de los agujeros negros comban la fábrica del espacio. Por ejemplo, un objeto podría viajar en un camino elongado hacia el agujero negro, luego realizar un bucle apretado alrededor del agujero una o más veces antes de ser arrojado hacia afuera otra vez.

Los objetos que realizan esos pasajes cercanos siguen senderos que esencialmente nunca repiten en la misma forma exactamente, sus cursos precisan trajectorias y velocidades iniciales.

Descubrir algún orden oculto en la desconcertante variedad de posibles órbitas podría parecer imposible, pero los físicos Janna Levin y Gabe Perez-Giz de la Universidad Columbia en Nueva York, hicieron justamente eso.

Usaron modelos matemáticos en los que la trayectoria y velocidad inicial de un objeto son fijados en la forma correcta para permitir a su órbita repetirse exactamente - una situación “perfecta” dicen los autores nunca ocurriría en el mundo real.

Diseño de trébol
Un ejemplo de esto es el diseño de trébol, donde el objeto traza cada hoja en el diseño, luego repite todo otra vez cuando vuelve a su punto inicial. “Es totalmente diferente de lo que vemos en el comportamiento de las órbitas planetarias”, Levin dijo a New Scientist.

La clave, hallada por los investigadores, fue que para cada camino no repetido que los objetos del mundo real probablemente sigan, hay un correspondiente camino repetitivo que traza un curso muy similar. Por ejemplo, un objeto viajando en una órbita elíptica en la que la órbita misma precesa alrededor, o rota, podría ser modelada por una estructura tipo flor con 10 millones de pétalos superpuestos.

Ese descubrimiento permitió al equipo organizar todos los posibles caminos en diferentes grupos, basados en el camino repetitivo al que se parecen. Esto puede ser útil para los científicos que buscan ondas gravitacionales.

Descifrando señales
Esto es así porque el diseño de las ondas gravitacionales producidas por dos agujeros negros orbitándose antes de fusionarse, depende de la forma de sus órbitas.

Un mejor entendimiento de estas órbitas podría dar a los físicos una mejor idea de qué buscar en los datos recogidos por los observatorios.

Y como como un par de agujeros negros orbitándose son descriptos por cerca de 10 números claves - incluyendo su masa, tasa de spin, dirección de spin- la nueva “tabla periódica” podría ayudar a los físicos determinar esas características físicas de cualquier onda gravitacional que observen de esos pares, dice Levin.

“Creo que nadie ha tratado de crear una clasificiación semejantes previamente”, dice Daniel Kennefick, experto en agujeros negros de la Universidad de Arkansas. “Bien podría ser una idea fructífera.” y agregó que hay una cosa curiosa acerca de las clasificaciones: “es muy difícil decir hasta que haya pasado cierto tiempo cuán útil podrán ser”.

Antes de poder aislar el sonido de un agujero negro de los datos de LIGO, los científicos deben imaginarse cómo sonaría un objeto así. Trabajando con colegas del proyecto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) se usará SUGAR y las ecuaciones de Einstein para crear modelos de ondas gravitacionales de la colisión de agujeros negros. SXS es un proyecto colaborativo con el Caltech y Cornell.

Los agujeros negros son masivos campos gravitacionales en el Universo que resultan del colapso de estrellas gigantes. Como los agujeros negros absorben luz, no pueden ser estudiados usando telescopios u otros instrumentos que recaen en ondas de luz. Sin embargo, los científicos creen que puden aprender más sobre estos objetos al escuchar sus ondas gravitacionales.

En realidad, con los instrumentos actuales, sí se puede estudiar a estas criaturas cósmicas, pero de manera indirecta, a través de las pertubaciones que generan en las estrellas cercanas y los jets de materia que expulsan. Lo que se propone ahora es otra forma de estudio complementaria.

Duncan Brown, miembro del Grupo de Ondas Gravitacionales de la Universidad de Syracuse, que está ensamblando SUGAR dice: “Buscar las ondas gravitacionales es como escuchar al Universo. Diferentes clases de eventos producen diferentes diseños de ondas. Nosotros queremos intentar extraer un diseño de onda -un sonido especial- que concuerde con nuestro modelo, de todo el ruido de los datos de LIGO”.

Hacen falta masivas cantidades de poder computacional y almacenamiento de datos, analizar los datos contra los modelos de ondas. SUGAR es una colección de 80 computadoras, con 320 CPUs de poder y 640 gigabytes de memoria RAM. Ah, y tiene 96 Terabytes de espacio de disco para almacenar los datos (!!!!).

También hace falta una red óptica de alta velocidad dedicada para transferir los datos entre Caltech y SU. Para lograrlo, la SU en colaboración con NYSERNet crearon una senda especial para los datos LIGO en la red de fibra óptica de alta velocidad que cruza los Estados Unidos.

Tanto la supercomputadora como la red estarían corriendo a finales de febrero. Una vez que los datos se transfieran, Brown y sus colegas estarán escuchando la “sinfonía cósmica”.

El científico reflexionó que “Nunca vimos la Teoría de Einstein en esta forma”.