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10 maneras en que los agujeros negros continúan sorprendiéndonos
Un agujero negro es una gran cantidad de materia comprimida en un área pequeña con un enorme tirón gravitacional para su tamaño. Muchos agujeros negros se forman por la muerte de estrellas gigantes que colapsan sobre sí mismas. Pero incluso como agujeros negros, continúan orbitando y ejerciendo la misma fuerza gravitacional sobre los objetos que los rodean.
Visualízalo de esta manera. Si la Tierra se convirtiera en un agujero negro (que no podría), pesaría lo mismo que hoy, pero su tamaño sería más pequeño que el de un globo ocular humano. Sin embargo, ese globo ocular tendría la misma atracción gravitatoria, por lo que la Luna seguiría orbitando a su alrededor.
No verías el agujero negro directamente porque el límite alrededor de su boca (llamado "horizonte de eventos") atrapa la luz en su interior. Pero al igual que el viento invisible que hace que los árboles se doblen y se balanceen, creemos que los agujeros negros están ahí debido a su efecto en su entorno.
No todos los científicos creen en los agujeros negros. Pero para los que lo hacen, las sorpresas siguen llegando.
10Nuestros primeros ancestros pudieron haber visto el agujero negro de la Vía Láctea
Hace aproximadamente dos millones de años, el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia estalló en la vida con un resplandor radiante. En ese momento, el hombre estaba empezando a caminar erguido. Nuestros antepasados habrían visto una luz del tamaño de una luna en el cielo del sur que se parecía a una bola de pelusa brillante o una mancha.
Nuestro agujero negro, Sagitario A *, está tranquilo ahora. Pero en aquel entonces, se creía que era un núcleo galáctico activo (AGN), el centro compacto de producción de energía de una galaxia que supera en gran medida al resto. Un agujero negro de alimentación puede ser la fuente de un AGN ya que su atracción gravitacional atrae a la materia, formando un disco que se calienta y brilla. Si el disco atrae grandes cantidades de materia, se expulsarán dos chorros brillantes de partículas de alta energía desde el agujero negro perpendicular a su giro.
Los astrónomos idearon esta teoría AGN en 2010 después de detectar dos burbujas Fermi que se extendían 25,000 años luz por encima y por debajo de nuestra galaxia. Los científicos creen que los aviones AGN podrían haber producido esas burbujas entre uno y tres millones de años atrás.
El espectáculo de luz del agujero negro habría durado unos pocos miles de años para nuestros antepasados. Según el antropólogo Chris Stringer, “fue el comienzo del género Homo. La fabricación de herramientas de piedra ya había comenzado, pero el cerebro solo estaba comenzando a agrandarse ". Si Sagitario A * vuelve a ser AGN, podremos ver nuestro increíble espectáculo de luces en el cielo nocturno.
9No todas las potencias cósmicas son un agujero negro
Durante décadas, muchos científicos creyeron que las fuentes de rayos X extremadamente brillantes, conocidas como fuentes de rayos X ultraluminosas (ULX), tenían que ser causadas por agujeros negros que comían estrellas u otra materia.
Cuando la inmensa gravedad de un agujero negro atrae el gas de una estrella cercana, ese gas baja en espiral para formar un disco de acreción alrededor del agujero negro. Al igual que el agua que circula antes de que se vaya por el desagüe, el gas acelera enormemente, calentando a temperaturas extremadamente altas que emiten una luz de rayos X brillante en todas direcciones. Cuanto más grande es el agujero negro de alimentación, más consume y más brillante es la luz.
Esa era la teoría. Luego, en la cercana galaxia M82, los astrónomos descubrieron accidentalmente una fuente ULX que pulsaba, emitiendo un brillante haz de rayos X que barría la Tierra cada 1.37 segundos como un faro faro. El problema es que los agujeros negros no pulsan. Pulsares de pulso.
Un púlsar es una estrella de neutrones giratoria (el remanente de una estrella moribunda que no era lo suficientemente grande como para convertirse en un agujero negro) que emite luz de rayos X desde sus polos magnéticos como la baliza del faro que se acaba de describir. Pero el púlsar en la galaxia M82 es 100 veces más brillante de lo que su masa debería permitir de acuerdo con una guía de física llamada el límite de Eddington. No debería ser una fuente ULX.
"Podrías pensar en este púlsar como el Mighty Mouse de los remanentes estelares", dijo Fiona Harrison, del Instituto de Tecnología de California. “Tiene toda la potencia de un agujero negro con mucha menos masa. El púlsar parece estar comiendo el equivalente a una dieta de agujero negro ".
Los astrónomos ahora tienen que reexaminar otras fuentes ULX para ver si pulsan. Ya no pueden asumir que cada fuente ULX, o potencia cósmica, es un agujero negro.
8Más glotones de lo imaginado
Hasta hace poco, los científicos pensaban que el tamaño de un agujero negro determinaba la velocidad máxima a la que podía comer y producir luz (el límite de Eddington). Luego descubrieron P13, un agujero negro en la galaxia NGC7793, que gira alrededor de una estrella supergigante mientras la canibaliza. Pero P13 se está engullendo en el gas de su estrella compañera 10 veces más rápido de lo que los astrónomos creían posible.
Se cree que P13 es 15 veces más pequeño que nuestro sol, pero un millón de veces más brillante. Tiene la capacidad de devorar a su estrella compañera en menos de un millón de años, lo cual es rápido en el tiempo cósmico.
Este pequeño agujero negro consume materia con un peso igual a 100 billones de hot dogs por minuto. "Como nos mostró la famosa leyenda de los perros calientes, Takeru Kobayashi, el tamaño no siempre importa en el mundo de la comida competitiva, e incluso los agujeros negros pequeños pueden comer gas a un ritmo excepcional", dijo el astrónomo Dr. Roberto Soria.
Al igual que el púlsar M82, P13 es una fuente de rayos X ultraluminosas que no solo viola el límite de Eddington, sino que lo expulsa de la galaxia. Los astrónomos ahora se dan cuenta de que puede que no haya un límite estricto sobre cuánto puede comer un agujero negro.
7Los agujeros negros masivos pueden ser más numerosos de lo que pensábamos
Los agujeros negros vienen en una variedad de tamaños, desde primordiales (que pueden ser tan pequeños como un átomo) hasta supermasivos (con masas de más de un millón de soles agrupados en el tamaño de un sistema solar). Incluso puede haber un tamaño extra grande raro llamado ultramasivo.
En un momento dado, solo se creía que las galaxias más grandes contenían agujeros negros masivos.Pero a principios de 2014, los astrónomos revelaron que más de 100 galaxias enanas pequeñas parecen tener agujeros negros masivos en sus centros. En comparación con nuestra colección de la Vía Láctea de 200-400 billones de estrellas, una galaxia enana tiene solo unos pocos billones de estrellas y mucho menos masa.
Luego, en septiembre de 2014, los astrónomos anunciaron que habían encontrado un agujero negro supermasivo en una galaxia enana ultracompacta llamada M60-UCD1, la galaxia más densa que se conoce actualmente. Si vivieras en M60-UCD1, verías al menos un millón de estrellas en el cielo nocturno, a diferencia de las 4,000 estrellas que vemos desde la Tierra a simple vista.
Aunque el agujero negro central de la Vía Láctea tiene una masa de cuatro millones de soles, es menos del 0.01 por ciento de la masa total de nuestra galaxia. En comparación, el agujero negro central de M60-UCD1 es un monstruo, con una masa de 21 millones de soles que representa el 15 por ciento de la masa total de su galaxia.
Según estos hallazgos, algunos astrónomos creen que muchas galaxias enanas ultracompactas pueden ser los restos de galaxias más grandes que se desgarraron cuando chocaron con otras galaxias. Así que puede haber tantos agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias enanas ultracompactas como hay en galaxias más grandes.
6bolaba la misa como un bebé pac-man
Los quásares son los centros brillantes de las galaxias más distantes que podemos ver en nuestro universo. Se cree que son agujeros negros supermasivos con discos de acreción que emiten una luz de rayos X increíblemente brillante. Los quásares pueden brillar hasta dos billones de veces más que nuestro sol. Pueden estar a miles de millones de años luz de la Tierra. Mirar un quásar es mirar hacia atrás en el tiempo su foto de bebé.
Los científicos se han preguntado cómo un agujero negro temprano podría comenzar su vida en un estimado de 10 masas solares y luego crecer rápidamente a más de mil millones de masas solares poco después del Big Bang. En condiciones normales, el gas que se arrastra hacia un agujero negro cae en espiral para formar un disco de acreción. Algunos gases se filtran en el interior, pero varios procesos generalmente ralentizan el crecimiento de un agujero negro.
Los investigadores creen que el universo primitivo contenía corrientes de gas frío que eran mucho más densas de las que existen hoy en día. Un joven agujero negro se habría movido rápidamente, cambiando continuamente de dirección como un bebé devorado por Pac-Man a medida que las estrellas bebé cercanas lo golpeaban. Estos rápidos cambios de dirección pueden haber permitido que el agujero negro comiera material directamente de estas corrientes de gas más densas tan rápido que la espiral lenta nunca sucedió. A medida que el agujero negro crecía, comía aún más rápido. En 10 millones de años, cósmicamente rápidos, el agujero negro habría crecido de 10 masas solares a 10,000 masas solares. Entonces la tasa de crecimiento se habría ralentizado. Pero el camino hacia un peso de al menos mil millones de masas solares se habría bloqueado.
5 agujeros negros pueden prevenir la formación de estrellas
En galaxias maduras, los investigadores descubrieron que los agujeros negros masivos pueden detener el desarrollo de las estrellas bebés al expulsar partículas que emiten ondas de radio. Viajando cerca de la velocidad de la luz, estos jets calentados actúan como interruptores para evitar que el gas caliente en la galaxia se enfríe y se condense en nuevas estrellas. Los científicos no saben por qué los agujeros negros centrales en estas galaxias más antiguas, a menudo elípticas, comienzan a emitir estas partículas.
Pero hasta hace poco, creían que los enormes agujeros negros centrales siempre tenían la culpa de las "galaxias rojas y muertas", que consistían solo en estrellas más antiguas. Luego descubrieron varias galaxias compactas y jóvenes que están muriendo prematuramente. Estas galaxias jóvenes tienen la masa de la Vía Láctea comprimida en un área relativamente pequeña.
Según su investigación, un equipo de astrónomos cree que estas estrellas son responsables de activar su propio interruptor en estas galaxias más jóvenes. Una explosión de actividad de creación de estrellas parece comenzar con la colisión de dos galaxias ricas en gas que canalizan gran cantidad de gas frío hacia el centro compacto de la galaxia fusionada. Entonces, la energía de esta frenética actividad de nacimiento puede expulsar cualquier gas sobrante, lo que apaga la futura formación de estrellas. También es posible que el gas en estas galaxias simplemente se caliente demasiado para enfriarse y condensarse en nuevas estrellas.
4El ojo de Sauron muestra agujeros negros pesan más
Los astrónomos ahora piensan que los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias tienen un 40 por ciento más de masa de lo que se creía originalmente. Esto puede ayudar a explicar por qué el límite de brillo de Eddington no funciona con algunos cálculos actuales de masa.
Los investigadores utilizaron una técnica de topografía terrestre para medir la distancia a la galaxia NGC 4151, cuyo núcleo activo se llama "Ojo de Sauron" porque se parece a su homónimo del señor de los Anillos películas. Una técnica anterior había estimado que la distancia de la Tierra al agujero negro central de NGC 4151 era de 13 millones a 95 millones de años luz.
Los científicos decidieron usar los telescopios Keck gemelos en Hawai, y matemáticas más simples, para obtener un resultado con una precisión de casi el 90 por ciento. El agujero negro de NGC 4151 estaba activo, se alimentaba de un gas cercano y producía luz de rayos X. Esta radiación ultravioleta calentó un anillo de polvo que orbita alrededor del agujero negro. Después de 30 días, el polvo emitiría radiación infrarroja. Usando el tiempo de 30 días y la velocidad de la luz, los investigadores calcularon la distancia entre el agujero negro y el anillo de polvo.
Esa distancia se usó para formar la base de un triángulo isósceles. Después de medir el ángulo en el cielo desde el anillo de polvo, los investigadores utilizaron una geometría simple para calcular la distancia al Ojo de Sauron en aproximadamente 62 millones de años luz.
Esta técnica mucho más simple ahora les da la capacidad de medir la masa de agujeros negros supermasivos con mayor precisión. Otro uso es medir qué tan rápido se está expandiendo el universo, lo que ayudaría a determinar la edad del universo.
3Explicando cómo vuelan los abejorros
Hasta hace poco, la mayoría de los investigadores gravitacionales creían que el espacio-tiempo no podía ser turbulento. Pero tres científicos cambiaron esa creencia cuando decidieron analizar si la gravedad podía comportarse como un fluido. En las condiciones adecuadas, los fluidos son turbulentos. Como si la crema se mezclara en tu café, pueden girar y hacer remolinos en lugar de moverse suavemente.
Los investigadores se decidieron por los agujeros negros de giro rápido para su estudio. El espacio-tiempo es menos viscoso alrededor de los agujeros negros de giro rápido, lo que aumenta la posibilidad de turbulencia, de manera similar a como el agua se arremolina más que la melaza.
Los resultados fueron sorprendentes, incluso para ellos. "En los últimos años, hemos pasado de serias dudas acerca de si la gravedad puede volverse turbulenta a una confianza bastante alta de lo que puede", dijo el investigador Luis Lehner.
En poco tiempo, esto puede ir de un hallazgo teórico a uno observable. Los nuevos detectores pronto podrán tener la capacidad de detectar ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo que se comportan como olas en el océano cuando un barco navega a través de él. En el espacio, el fluido gravitatorio puede ondularse a partir de enormes eventos cósmicos, como dos agujeros negros que chocan.
Pero estos hallazgos también pueden ayudarnos a comprender la turbulencia aquí en la Tierra, incluida la física de los huracanes, la cizalladura del viento con aviones y el vuelo aparentemente imposible del abejorro.
2 El centro de un misterio de asesinato galáctico
Algunos astrónomos creen que un misterio de asesinato en el espacio está convirtiendo los púlsares en pequeños agujeros negros. Se llama el "problema del púlsar perdido".
Para recapitular, los púlsares son estrellas de neutrones que giran (los restos de estrellas moribundas son demasiado pequeñas para convertirse en agujeros negros) que emiten radiación brillante desde sus polos magnéticos como un faro. Con tantas estrellas en nuestra galaxia, al menos 50 muertas deberían ser púlsares en el centro de nuestra Vía Láctea. Pero los astrónomos solo pueden encontrar uno.
Hay varias explicaciones posibles, pero una de las más intrigantes es la materia oscura. Al igual que los agujeros negros, la materia oscura es invisible y solo se puede detectar por la forma en que su fuerza gravitatoria interactúa con otros objetos en el espacio.
Dos investigadores han propuesto que la gravedad de un púlsar puede atraer ciertas partículas de materia oscura, haciendo que la materia oscura hinche el púlsar a un tamaño tan grande que se colapsa en un agujero negro. El púlsar se vuelve tan grande que hace un agujero en el tejido del espacio-tiempo y desaparece. "La materia oscura no puede acumularse tan densamente o tan rápidamente en el centro de las estrellas regulares", dijo el investigador Joseph Bramante. “Pero en los púlsares, la materia oscura se acumularía en una bola de aproximadamente 2 metros [7 pies]. Entonces esa bola se derrumba en un agujero negro, y chupa el púlsar ".
Alguna materia oscura combina materia y antimateria en cada partícula. Esas partículas se destruirían entre sí en contacto. Así que los investigadores creen que solo las partículas asimétricas de materia oscura (que son o materia o antimateria pero no ambas) pueden acumularse en el núcleo de un púlsar con el tiempo.
Hay una mayor concentración de materia oscura en el núcleo galáctico, lo que puede explicar por qué faltan los púlsares solo en el centro de nuestra Vía Láctea.
1Nuestro universo puede haber surgido de un agujero negro en 4-D
Un gran problema con la teoría del Big Bang es que nuestro universo científicamente predecible se origina a partir de una singularidad, un punto infinitamente denso que no juega con las mismas reglas de la física. Los físicos no entienden las singularidades. No pueden explicar lo que provocó el Big Bang. Algunos físicos creen que es poco probable que un comienzo tan caótico produzca un universo con una temperatura en gran medida uniforme.
Entonces, tres investigadores del Instituto Perimetral han propuesto una nueva teoría en la que insisten que es matemáticamente sólida y comprobable. Argumentan que nuestro universo es el material externo expulsado violentamente de la muerte de supernova de una estrella 4-D cuyas capas internas se colapsaron en un agujero negro.
En nuestro universo, un agujero negro en 3-D tiene un horizonte de eventos en 2-D, el límite alrededor de la boca del agujero negro que representa el punto de no retorno para cualquier cosa que caiga dentro y quede atrapada por la gravedad.
En un universo con cuatro dimensiones espaciales, un agujero negro en 4-D tendría un horizonte de eventos en 3D. Nuestro universo, el material expulsado de la supernova, formaría una membrana 3D alrededor del horizonte de eventos 3D. El crecimiento de esa membrana es lo que percibimos como expansión cósmica. Nuestro universo 3-D habría heredado la uniformidad del universo padre 4-D si ese universo 4-D hubiera existido durante mucho tiempo.
Los investigadores aún están refinando su modelo. Si consideramos su teoría absurda, argumentan que eso es simplemente porque no entendemos un universo 4-D. Nuestro pensamiento está limitado por un mundo tridimensional que puede representar solo la punta de la realidad.