Cómo el hecho de que los agujeros negros sean muy eficientes para atraer la materia circundante conduce a algunos de los fenómenos luminosos más espectaculares en todo el cosmos

Un artículo de Andreas Müller

La gravedad resulta en una atracción universal entre todas las masas. Una posible consecuencia de esto es la acreción, el término general de los astrofísicos para los procesos en los que un objeto central masivo recoge («acumula») materia de su vecindad directa. La acreción hace que el objeto central se vuelva más masivo y, por lo tanto, cada vez mejor para recoger materia. Como primer paso hacia la comprensión de la acreción, es útil echar un vistazo a una pregunta más general: ¿Cuáles son los posibles resultados cuando la materia cae hacia un objeto central?

Materia que cae

Si el objeto central es un cuerpo sólido, la materia puede caer directamente sobre ese cuerpo y detenerse repentinamente. Este sería un ejemplo de una» barrera mecánica»: la superficie del objeto central evita que la materia caiga más, al igual que la superficie sólida de la tierra nos impide caer directamente en el centro de nuestro planeta natal. Si el cuerpo central es un agujero negro, la materia puede caer directamente hacia el horizonte del agujero negro y dentro del agujero negro, para no volver a verse nunca más. En ambos casos, la materia da un paso directo.

Pero esta no es de ninguna manera la única posibilidad, de hecho, es la excepción en lugar de la regla. Por lo general, la materia estará en movimiento incluso antes de que esté lo suficientemente cerca como para que el objeto central ejerza una atracción significativa. A menos que este movimiento se dirija exactamente hacia el objeto central, un caso especial, y por lo tanto muy raro, habrá un componente de movimiento lateral, y si ese componente es lo suficientemente grande, la materia que cae no golpeará el objeto central, sino que pasará más allá de él.

Uno de los posibles resultados de un accidente cercano de este tipo es una órbita en la que la masa que cae pasa cerca de los objetos centrales antes de salir al espacio, para nunca regresar (órbita no unida). Otra es una órbita cerrada (encuadernada) en la que la masa infalible continúa moviéndose alrededor del objeto central; ejemplos bien conocidos son los planetas de nuestro sistema solar en sus órbitas alrededor del sol.

Otro ejemplo de una órbita casi perdida, esta algo más complicada, se puede ver en la imagen de abajo: un sistema estelar binario que consiste en una estrella gigante, que se muestra a la izquierda, y una estrella compañera compacta, a la derecha:

La estrella gigante es tan grande que para parte de la materia en su envoltura exterior, la atracción gravitatoria de la compañera compacta es mayor que de la estrella gigante en sí. La materia es arrastrada hacia el compañero. Sin embargo, esa materia no se sumerge directamente en la estrella compañera porque tiene suficiente movimiento lateral para construir un llamado disco de acreción. Este disco hecho de material estelar orbita alrededor de la estrella compañera.

Momento angular y el destino de la materia en discos de acreción

El hecho de que la materia con suficiente movimiento lateral pierda el objeto central se debe a lo que los físicos llaman la conservación del momento angular. Cuando un objeto orbita una masa central bajo la influencia de la gravedad, las leyes de la mecánica hacen una declaración clara: para el objeto en órbita, el producto de su masa, su distancia al cuerpo central y la velocidad a la que se mueve alrededor de ese cuerpo, esto es, por definición, el momento angular del objeto, debe permanecer constante en el tiempo. Un planeta en órbita no puede cambiar de repente su curso y dirigirse directamente hacia el sol. Para eso, su momento angular de repente tendría que saltar a cero, desafiando las leyes de la física. (Puede encontrar más información sobre la conservación del momento angular en el tema Destacado Qué tienen en común los patinadores artísticos, los planetas y las estrellas de neutrones.)

En el caso de un planeta, la conservación del momento angular conduce a una órbita regular. En el caso de la estrella binaria de la imagen de arriba, también tiene un papel que desempeñar: la estrella gigante de la ilustración gira lentamente, al igual que la materia contenida en sus regiones exteriores. En consecuencia, esta materia tiene un momento angular distinto de cero. Este momento angular se conserva a medida que las partículas de materia caen hacia el compañero compacto para formar el disco de acreción.

La situación en el disco de acreción es significativamente más complicada que para los planetas en órbita. Las leyes de la mecánica decretan que la suma total de los momentos angulares de todas las partículas de materia no puede cambiar con el tiempo, pero es perfectamente permisible que una partícula transfiera partes de su momento angular a otras partículas. Esto se llama transporte de momento angular. Por ejemplo, este transporte se vuelve importante tan pronto como se produce la turbulencia. La turbulencia es un fenómeno natural en plasmas y gases dinámicos (así como en fluidos). El mecanismo más eficiente para redistribuir el momento angular involucra la materia plasmática, en la que las diferentes partículas se influyen entre sí a través de campos magnéticos débiles. El resultado neto es una redistribución del momento angular desde el interior hacia las regiones exteriores del disco. Durante este proceso, la materia en las regiones más internas logra arrojar suficiente momento angular para poder caer sobre (o en) el objeto central en sí. De esta manera, más y más materia se acumula en el objeto central. Sin transferencia de momento angular, este crecimiento por acreción sería imposible.

Discos luminosos

Los colectores de materia más eficaces son los objetos más compactos del cosmos: los agujeros negros. Son «trampas del espacio-tiempo» perfectas: nada de lo que cae en un agujero negro puede escapar, ni siquiera la luz. Por lo tanto, los agujeros negros son tan negros como su nombre indica, y muy difíciles de detectar para los astrónomos. Sin embargo, la situación cambia dramáticamente una vez que un agujero negro es «alimentado» con materia de su vecindad – ¡entonces, los agujeros negros pueden transformar su entorno en las regiones más brillantes y espectaculares del cosmos!

Hay varias maneras de que los agujeros negros iluminen su vecindario cósmico. Algunas requieren circunstancias muy especiales, pero una es universal dondequiera que la materia caiga en un agujero negro: la producción de radiación térmica. La materia que cae hacia un objeto central bajo la influencia de la gravedad se acelera a velocidades cada vez más altas, ganando más y más energía cinética. Pero una vez que una partícula de materia infalible se sumerge en un disco de acreción, y posiblemente antes, el movimiento de la partícula se altera. Debido a las colisiones frecuentes entre todas las partículas diferentes, no hay órbitas simples bien definidas. En cambio, todo el conjunto de partículas está en movimiento caótico. Tal movimiento caótico con remolinos e inestabilidades, al igual que en un fluido turbulento, es común dentro de los discos de acreción. Por definición, el movimiento de partículas microscópicas desordenado es un movimiento térmico y, como tal, está directamente relacionado con la temperatura. A medida que el movimiento de las partículas se vuelve caótico, la materia en el disco de acreción se calienta a temperaturas muy altas. La temperatura máxima en un disco de acreción alrededor de un agujero negro supermasivo cien veces la masa de nuestro sol será de alrededor de un millón de Kelvin y para el disco alrededor de un agujero negro estelar, puede ser hasta un factor cien más alto. En comparación, la temperatura en el núcleo de nuestro sol asciende a unos 15 millones de Kelvin.

En física, donde hay calor, hay radiación electromagnética térmica. Todos los cuerpos emiten radiación térmica, solo un cuerpo con una temperatura de cero absoluto no lo haría, pero tales cuerpos no pueden existir (se puede encontrar más información sobre la radiación térmica en el tema de foco Calor que mira a los ojos). A medida que aumenta la temperatura de un cuerpo, también lo hace la energía emitida en forma de radiación. La temperatura de un disco de acreción alrededor de un agujero negro es lo suficientemente alta como para que la materia del disco emita grandes cantidades de rayos X de alta energía.

La materia que cae hacia un objeto central, formando un disco de acreción, representa una forma eminentemente eficiente de producir radiación de otras formas de energía (en este caso, energía gravitacional). Es aproximadamente 30 veces más eficiente que la fusión nuclear, el mecanismo de conversión de energía responsable de la luminosidad de nuestro sol y otras estrellas.

Hasta el momento, ningún astrónomo ha logrado tomar imágenes detalladas del flujo de acreción en un agujero negro central, lo que requeriría una resolución más alta que la que pueden proporcionar los telescopios actuales. En cambio, los astrofísicos tienen formas indirectas de probar sus suposiciones sobre lo que sucede cerca de tal agujero negro: a partir de simulaciones por computadora, pueden predecir los espectros de los discos de acreción, la forma en que la energía de radiación se distribuye entre las diferentes frecuencias. Estos espectros llevan una clara impresión de las condiciones locales: un fuerte corrimiento al rojo gravitacional indica la compacidad del objeto central; los cambios doppler sistemáticos registran cómo se mueve la materia a casi la velocidad de la luz en el disco circundante. Siempre que las observaciones muestran que la masa concentrada en la región más interna es lo suficientemente alta, sin objeto luminoso visible en ese punto en particular, existe una gran probabilidad de que el objeto central sea un agujero negro.

De esta lista de propiedades características, los astrónomos tienen una idea clara de lo que deben buscar, y resulta que hay objetos en el cielo nocturno con exactamente las propiedades requeridas. De hecho, para una serie de objetos candidatos, la coincidencia entre la predicción y la observación es bastante impresionante. Por lo tanto, parece que nuestro universo contiene agujeros negros que acumulan materia. (Puede encontrar más información sobre los objetos astronómicos en cuestión en el tema de atención especial Agujeros negros activos: balizas cósmicas ultra calientes.)

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