Sumidero galáctico

Un par de noticias recientes sobre el agujero negro central de la Vía Láctea aquí y aquí.

Disrupción energética masiva en 3C438: Colisión galáctica, o super-agujero negro

En relación con los agujeros negros masivos de los que hablábamos hace un par de días, la misión Chandra acaba de proporcionar información muy interesante sobre el cluster de galaxias 3C438. Se trata de un objeto cósmico cuya escala es realmente impresionante. Está rodeado de una nube de gas a una temperatura de 170 millones de kelvins (o centígrados, que para este caso viene a ser lo mismo), cohesionada gracias al tirón gravitatorio de una masa equivalente a un billón (10¹²) soles. En este objeto se ha detectado un arco de gas brillante en la banda de rayos X, con una longitud es de 2 millones de años luz, así como una gran cavidad en la nube de gas que envuelve al cluster. En la imagen inferior se muestra la región del espacio en el que se encuentra 3C438 (y como se ve, no se aprecia nada especial en el espectro visible), así como una visión en rayos X de la zona (en la que claramente se muestra la intensidad del cluster). En la imagen siguiente se muestra concretamente la situación del arco de gas detectado, y de la cavidad en la nube de gas.

Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/R.P.Kraft; Optical: Pal.Obs. DSS

Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/R.P.Kraft;

El origen de estas extraordinarias características del cluster es incierto. Por un lado, la explicación más extendida es que se trata del resultado del choque de dos grupos masivos de galaxias a velocidades del orden de 6 millones de km/h. Debido a esta colisión se generarían ondas de choque en las nubes de gas que rodean al cluster, y surgiría un arco como el detectado a lo largo del borde en torno al cual se produce el choque. El problema de esta hipótesis es que sólo se detecta un pico en la emisión de rayos X, en lugar de dos.

La explicación alternativa es que se trata de un agujero negro supermasivo que está tragando materia a un ritmo extraordinario. La acreción del material daría lugar a chorros de alta velocidad que calentarían y presionarían a la nube de gas circundante. En sí mismo, un fenómeno de este tipo no es extraño, pero sí lo es la magnitud del mismo para dar cuenta de la observación: el agujero negro debería haber tragado el equivalente a 30,000 millones masas solares en un periodo de 200 millones de años, o lo que es lo mismo, 150 soles al año. No hay precedente de algo similar.

(Credit: Radio: NRAO/VLA/A.H.Bridle & R.G.Strom; X-ray: NASA/CXC/CfA/R.P.Kraft)

Para darle más misterio a la cosa, una observación en la banda de radio de la parte central del cluster muestra efectivamente dos chorros, pero no apuntan en la misma dirección en la que se produce la cavidad en la nube de gas, tal como se aprecia en la figura superior. Habrá que esperar a futuras observaciones para ver si se aclara el origen de esta erupción de energía. Mientras tanto, es posible contemplar animaciones de los escenarios descritos en la web de la misión Chandra.

    

Sobrevivir el máximo tiempo en un agujero negro (o ¿y si los gemelos cruzan el horizonte de eventos?)

Como es bien sabido, el horizonte de eventos de un agujero negro marca un punto de no-retorno. Si disponemos de una astronave con motores de la suficiente potencia, podemos aproximarnos cuanto queramos a este horizonte (por supuesto, en un agujero negro estelar las fuerzas de marea podrían destrozarnos si nos acercamos demasiado, pero en un agujero negro supermasivo no habría problema de este tipo) y escapar. Sin embargo, una vez se cruce el horizonte la singularidad que hay en su interior estará en nuestro futuro, y por muy potentes que sean los motores de la astronave, no podremos volver a cruzar hacia afuera el horizonte. Nuestro suerte está echada, y en un tiempo finito todo acabará. Este tiempo dependerá de la masa del agujero negro, de la velocidad inicial con la que se cruce el horizonte de eventos, y de cómo actuemos en su interior. Analicemos cualitativamente esto último, y veamos qué estrategia es la que permite maximizar el tiempo de supervivencia dentro del horizonte de eventos.

Credit: Alfred Kamajian

Cuando hace unos días hablábamos de la paradoja de los gemelos, vimos cómo una trayectoria rectilínea en el espacio-tiempo de Minkowski hacía que el observador experimentara el mayor tiempo propio. Éste es básicamente el principio del envejecimiento extremo, y es esencial también en el caso del agujero negro. Evidentemente, el espacio-tiempo no es para nada plano en este último caso, pero el principio es generalizable gracias a una de las intuiciones clave que permitió a Einstein pasar de la Relatividad Especial a la Relatividad General. A grandes rasgos, la idea básica es que los efectos de la gravedad (y la curvatura que induce en el espacio-tiempo) pueden ser ignoradas por un observador en caída libre. Por ejemplo, si vamos en un ascensor y se rompe el cable, antes de matarnos experimentaremos una sensación de ingravidez: flotaremos en mitad del ascensor, y con nosotros todos los objetos que pudiera haber en su interior. Si el cuerpo sobre el que caemos es lo suficientemente masivo, notaremos fuerzas de marea: habrá una diferencia en el tirón gravitatorio entre nuestros pies y la cabeza, y los objetos a nuestro alrededor comenzarán a converger radialmente. Estos efectos serán despreciables si reducimos más nuestro ámbito de observación. Así, habrá un pequeño entorno local (cada vez más pequeño cuanto más nos acercamos al cuerpo masivo) en el que podemos suponer que el espacio-tiempo es plano, y emplear la Relatividad Especial. Una trayectoria rectilínea significa entonces localmente rectilínea (en el pequeño sistema de referencia en el que en cada momento sea aplicable la suposición de espacio-tiempo plano), aunque globalmente sea curva. Esta trayectoria es una geodésica, y en la misma es aplicable el principio del envejecimiento extremo.

¿Cómo se puede aplicar ese principio en esta situación? Imaginemos a los dos gemelos que caen a la vez en el agujero negro: uno no hace nada (va en caída libre), mientras que el otro acelera hacia afuera, y luego hacia adentro para volver a encontrarse con su hermano. Tal como era el caso en la paradoja de los gemelos clásica, el que ha ido en caída libre ha experimentado más tiempo propio que el otro. No compensa entonces hacer ese tipo de maniobras. Pero, ¿y si el gemelo que acelera hacia afuera no deja nunca de hacerlo? Tarde o temprano se encontrará con la singularidad, pero ¿le habrá merecido la pena en términos de maximizar su tiempo propio? La respuesta es: no. Esto es lo que Geraint F. Lewis y Juliana Kwan, de la Universidad de Sydney han analizado en un trabajo titulado

• No Way Back: Maximizing survival time below the Schwarzschild event horizon

aceptado por publicación en Publications of the Astronomical Society of Australia. El resultado que se obtiene puede resultar en primera instancia anti-intuitivo, pero en el fondo no lo es. Básicamente, el máximo tiempo propio hasta la singularidad lo experimentará un observador en caída libre que cruce el horizonte con velocidad v=0, por lo que la estrategia óptima es acelerar hacia afuera hasta igualar la trayectoria que se seguiría en ese caso ideal, y parar de acelerar en ese momento, viajando en caída libre el resto del camino. Cualquier desviación de esta estrategia acelerando más de la cuenta resultará en un tiempo propio menor, ya que la dilatación temporal jugará en nuestra contra.

Hay que resaltar que el tiempo propio experimentado será en cualquier caso pequeño, salvo que hayamos caído en un agujero negro verdaderamente hipermasivo. Por poner un ejemplo, en un agujero negro de la masa del Sol tendríamos unos 15 microsegundos, y en un agujero negro como el que hay en el centro de la galaxia en torno a un minuto. No es demasiado, pero menos da una piedra.

    

La Tierra a través de una lente gravitatoria

Ya hace algún tiempo hablamos sobre lentes gravitatorias, esto es, de cómo un cuerpo masivo curva el espacio-tiempo y desvía las trayectorias de los rayos de luz que pasan junto a él. Esto que en principio parecía ser únicamente una exótica predicción de la Teoría de la Relatividad General, ha pasado a ser a una herramienta de uso común en astronomía y en cosmología. En relación a lo primero, las lentes gravitatorias pueden actuar como gigatelescopios, concentrando la luz de objetos distantes, y haciéndolos aparecer más brillantes. En cuanto a las aplicaciones cosmológicas, las lentes gravitatorias pueden proporcionar información relativa a la distribución de materia oscura en una determinada región del espacio, y ayudar a estimar parámetros tales como la constante cosmológica o la constante de Hubble.

En un reciente apunte en Cosmic Variance, Mark Trodden toca también el tema de las lentes gravitatorias, y proporciona un enlace interesante a la página de Pete Kernan, de la Case Western Reserve University. En dicha página se incluye un applet en java que permite experimentar con el efecto de una lente gravitatoria. Concretamente se puede indicar la URL de una imagen de nuestra elección, y observar la distorsión que produce en la misma la presencia de un cuerpo masivo situado entre nosotros y la imagen. Es bastante instructivo ver el efecto, así que he tomado una fotografía de la Tierra desde el espacio y he generado varias imágenes correspondientes a la distorsión que produciría un cuerpo de diferente masa. En la secuencia de imágenes que sigue, la primera corresponde a la ausencia de distorsión, y a partir de la segunda imagen vamos cuatriplicando la masa de la lente gravitatoria (que podemos imaginar a mitad de distancia entre nosotros y la Tierra, aproximadamente en la línea visual de Guinea Ecuatorial).

 

 

 

 

Puede verse cómo se incrementa la distorsión a medida que aumenta la masa de la lente gravitatoria, cómo se producen los anillos de Einstein, y cómo en el interior de los mismos pueden verse múltiples copias del objeto distorsionado. Son las cosas que tiene un espacio-tiempo curvo. Sorprendente y espectacular.

    

Un ménage-à-trois cósmico: tripletes de agujeros negros supermasivos

Los quásares son una de las más prodigiosas fuentes energéticas del Universo. A pesar de estar situados a enormes distancias (prácticamente al borde del Universo observable, como su corrimiento al rojo sugiere), son observables desde la Tierra gracias a la formidable cantidad de radiación electromagnética que emiten, equivalente a cientos de galaxias juntas. El único mecanismo que por el momento se considera como viable para producir semejante catarata energética es la acreción de materia en un agujero negro supermasivo (millones de masas solares), similar al que se cree se haya en el núcleo de las galaxias. En la actualidad se conocen unos 100,000 quásares, la mayor parte de ellos solitarios. De hecho, sólo se conocen unas pocas docenas de parejas de quásares. Esto hace aún más sorprendente el hallazgo realizado por S.G. Djorgovski y colaboradores del Instituto de Tecnología de California, la Escuela Politécnica Federal de Lausana, y la Universidad de Arizona. Concretamente, estos investigadores informan del descubrimiento de un quásar triple, en un trabajo titulado

• Discovery of a Probable Physical Triple Quasar

enviado a la revista Astrophysical Journal Letters. En este artículo se excluye la posibilidad de que un quásar doble ya conocido (QQ 1429-008) sea el producto de una lente gravitatoria, y se anuncia la identificación de un tercer quasar anejo al sistema (contenido en un radio de 100,000 a 150,000 años luz, como se indica en el comunicado de prensa de la ESA), identificado gracias a la combinación de imágenes de dos de los mayores telescopios terrestres el Very Large Telescope de Cerro Paranal, en Chile, y el telescopio del W. M. Keck Observatory de Mauna Kea, en Hawaii (EE.UU.).

La probabilidad de que un sistema de estas características se forme por casualidad es de 1 entre 20,000 billones, según los autores. Esto lo hace sumamente interesante, pues engarza además con los modelos teóricos del Cosmos primitivo, en los que las interacciones triples de agujeros negros supermasivos surgen con frecuencia. De hecho, según un trabajo de Loren Hoffman y colaboradores, del Harvard Smithsonian Center for Astrophysics y de la Northwestern University, titulado:

• Cosmological History of Massive Black Hole Interactions in Triples

y que ha sido recién presentado en la reunión de la American Astronomical Society. De acuerdo con la teoría actual de la materia oscura fría, la estructura cósmica surge por la agregación jerárquica de materia, dando lugar a cuerpos cada vez más masivos. En particular, los agujeros negros supermasivos que se hallan en el núcleo de las galaxias se originaron por la unión de otros agujeros negros menos masivos. Según las simulaciones realizadas, la escala de tiempo en la que dos agujeros negros coalescen es lo suficientemente grande como para permitir que se produzca un encuentro con un tercer agujero negro durante la misma. Es bien conocido que la dinámica de un sistema de tres cuerpos puede ser caótica, lo que da lugar a una gran riqueza de comportamientos, como puede verse en las simulaciones siguientes (realizadas por John Fregeau, de la Northwestern University):

Típica interacción con expulsión de un agujero negro

Interacción que muestra una larga excursión de uno de los agujeros negros

Interacción con un tercer agujero negro más masivo que el sistema binario

Interacción con un tercer agujero negro mucho más ligero que el sistema binario

Entre los diferentes escenarios que se pueden dar en una de estas interacciones triples está la expulsión de uno de los agujeros negros a gran velocidad. La detección de sistemas dobles en espacio abierto podría entonces proporcionar mucha información sobre cómo tenían lugar estos encuentros triples.

    

Astronaves y agujeros negros en el registro de patentes de los EE.UU.

Hace unos días Google lanzaba una versión beta de un buscador en la United States Patent and Trademark Office, el registro de patentes de los EE.UU. Esto no sólo es útil para aquél que quiera ver si su última invención está ya patentada, sino que también abre la posibilidad de que cualquiera con curiosidad indague qué ocurrencias han brotado de las mentes invento-pensantes. Hay curiosidades de todo tipo (gafas de sol, guitarras elécticas, sacacorchos, …), y como cada cual tiene sus filias favoritas, yo me he fijado en cosas relativas a la ciencia-ficción: astronaves, vehículos espaciales, etc.

Si uno consulta las pantentes que de algún modo tienen que ver con vehículos espaciales, sale la nada despreciable cifra de 535 registros. Algunos únicamente hacen referencia a algún sistema de control de uno de estos vehículos, como puede ser un giroscopio, pero hay bastantes que son simple y llanamente la descripción de una posible nave espacial. Algunas como la de la figura adjunta datan de los años 50 y 60, y tienen ese delicioso aire retro de las películas de ciencia-ficción de la época. Las hay que usan combustibles químicos, y las hay que están propulsadas por un reactor nuclear. Incluso las hay más modernas, que emplean arcanos mecanismos para extraer energía del vacío inflacionario (la famosa energía de punto cero).

Otro aspecto muy interesante resulta de buscar astronaves: aparecen muchas patentes relativas a juegos de mesa o video-juegos con temática espacial. Si se refina la búsqueda a juegos de tablero, aparecen 8 patentes, incluyendo una que describe un juego en el que un alienígena del espacio exterior persigue a los tripulantes de una nave espacial. ¿Suena familiar? Esto no acaba con las posibilidades. Podemos buscar juegos de tablero en los que aparezcan agujeros negros (tengo debilidad por las singularidades, que le vamos a hacer), y encontramos 9 registros. Alguno no tiene mucho que ver con la ciencia-ficción, sino que es más bien financiero-existencial; también hay algunos que son variantes del ajedrez; finalmente, tenemos los que van directos al tema, e incluyen agujeros negros y otras anomalías topológicas del espacio-tiempo. Hay uno que me parece curioso: tiene un tablero radial, en el que más o menos se intuye la distorsión espacial, agujeros de gusano para desplazarse instantáneamente por él, su componente de azar, y una reglas que no parecen complicadas.

En fin, todo un acierto de Google este buscador. El número de pantentes registradas crece de manera acelerada, así que esta herramienta promete darnos entretenimiento para rato.

Los Chicos de Stonehenge (Children of the Stones)

Quien hoy en día ande por los «taytantos» posiblemente recuerde una serie de televisión británica de finales de los setenta y principios de los ochenta (se produjo en 1977, pero en España se debió emitir sobre el 1980), titulada Children of the Stones, y que en España se tradujo como «Los chicos de Stonehenge». Guardaba un vago pero grato recuerdo de esta serie, y recientemente lo he podido refrescar gracias a la magia de las re-ediciones en DVD. Se trata de una serie que cabalgaba entre la ciencia ficción y lo fantástico (personalmente, me inclino más por englobarla dentro de lo primero), y que sin tener efectos especiales brillantes (no es que los efectos fueran malos -los pocos que había eran aceptables, máxime teniendo en cuenta la época- sino que simplemente no se necesitaban), conseguía enganchar al espectador por el atractivo de la trama. De hecho, siendo como era una serie esencialmente destinada al público juvenil, el argumento no sólo no caía en simplismos y acción fácil, sino que tejía una trama bastante compleja que realmente requería pararse a veces a pensar en cómo encajaban todas las piezas.

Todo empieza cuando el astrofísico Adam Blake y su jovencísimo hijo Matthew llegan a un pueblecito en medio de la campiña inglesa. Dicho pueblecito es realmente pequeño, con su única tienda de ultramarinos, su único pub/restaurante, su colegio con apenas una docena de niños, etc. y tiene un detalle ciertamente interesante: está rodeado de menhires, al estilo de Stonehenge (o quizás más complejo, porque además del círculo que rodea al pueblo, hay una avenida, y un santuario). De hecho, el propósito con el que este astrofísico llega al pueblo es estudiar dichas piedras y su magnetismo (curiosa labor para un astrofísico, pero bueno, su sapiencia se revelará como necesaria más adelante).

Nada más llegar, resulta evidente tanto para los protagonistas como para los espectadores que en el pueblo pasa algo raro. Los habitantes nativos se comportan de manera extraña: son sumamente amables, se saludan con un «Feliz Día», a veces pronuncian frases un tanto enigmáticas, de vez en cuando se reúnen de noche en círculo en torno a la iglesia (en desuso) del pueblo, y parecen tener una especie de relación de subordinación con el Sr. Hendrick, un rico gentleman que tiene diversas propiedades en el pueblo, un porte distinguido y enigmático, y que parece controlar los tiempos de cuanto sucede en el pueblo. El mencionado Sr. Hendrick es a la sazón el casero de nuestros protagonistas, y rápidamente se revela como una persona muy culta, con profundos conocimientos de -entre otras cosas- astronomía y astrofísica.

Hay también otros personajes que también juegan un papel importante en la trama. Están por ejemplo la directora del museo local, Margaret, y su hija Sandra, que enseguida establecerán una estrecha relación con el Prof. Blake y su hijo respectivamente (la primera como contrapartida pseudocientífica al racionalismo del astrofísico, y la segunda como compañera de fatigas en el colegio). Ambas son también recién llegadas al pueblo, y no parecen participar en el extraño comportamiento de los locales. Otro personaje importante en la trama (fundamentalmente a la hora de unir algunos cabos sueltos, o dar pistas importantes a los protagonistas) es Dai, una especie de vagabundo que vive en el santuario de piedras, y que afirma que ahí está protegido de lo que le sucede al resto del pueblo.

Margaret instruirá al Prof. Blake en la estructura megalítica, en la historia local, y en la existencia de una serie de «líneas de fuerza» que parecen confluir en el círculo de piedras. Esta supuesta fuerza se irá revelando como real, ya que puede medirse el magnetismo residual de las piedras (impagable una escena en la que la Sr. Crabtree, un ama de llaves mayor y muy del pueblo observa extrañada uno de los aparatos que el astrofísico trajo consigo: «Es un magnetómetro» le aclara el Prof. Blake; «Sin duda» responde ella con esa flema británica). Más aún, cuando el Prof. Blake toca una de las piedras por petición de Margaret, sufre una especie de descarga eléctrica (o psíquica). No acaban ahí los misterios de las piedras, pues no parecen estar alineadas como los típicos observatorios megalíticos, sino que parecen apuntar de alguna manera a un punto del cielo en el que aparentemente no hay nada. Pronto sabremos que en dicho punto hubo una supernova hace miles de años, durante la época megalítica, y que en la actualidad hay un agujero negro. Para rematar los misterios, las líneas de fuerza que confluyen en el círculo de piedras no lo hacen de manera tangencial ni radial, sino que parecen señalar a otro pequeño círculo dentro del pueblo en el que está… la casa del Sr. Hendrick.

No diré nada más sobre el argumento por si alguien decide ver la serie. Únicamente señalaré que a medida que avanza la trama se va haciendo patente la noción de burbuja espacio-temporal (y si esto más que aclarar intriga, pues una razón más para ver la serie). Sí debe destacarse la gran interpretación de los actores. El papel de Adam Blake lo representa Gareth Thomas, al que los de mi generación posiblemente recordarán como Roj Blake en «Los 7 de Blake» (Blakes’s 7), la serie de ciencia ficción británica. Iain Cuthbertson también está espléndido como el Sr. Hendrick, combinando esa apostura flemática tan británica con un punto de científico megalómano. Muy bien también el resto de los actores, con ese estilo más cercano al teatro que al cine, propio de las producciones británicas de la época. En resumen, una serie muy bien desarrollada, con una ambientación muy buena (fantástica la música de entrada), relativamente corta (son siete capítulos de alrededor de 1 media hora, divididos cada uno en dos partes), y que tiene un desenlace interesante.