¿Escapa energía de un agujero negro en rotación?

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En el corazón de MCG-6-30-15, una galaxia a 130 millones de años luz de distancia, hay un agujero. Es tan grande como la órbita de Marte. A este agujero las estrellas, gas y polvo están siempre cayendo -mucho material, equivalente a cien millones de soles. De este agujero nada escapa, incluso la luz. Es perfectamente negro, como la boca de un largo túnel. Es un agujero negro, en rotación. Desde hace algunos años, se especula que podría liberar energía. Un repaso del debate, basado en un articulo de Discover.


Desde nuestro planeta, MCG-6-30-15 no dice mucho. Es una galaxia lenticular, sin los fotogénicos brazos que hacen notar a galaxias espirales como la Vía Láctea. "Es muy indistinguible", dice Andrew Fabian, astrónomo de Cambridge, quien lo estuvo estudiando por más de una década.

En 2002, un equipo liderado por Jörn Wilms de la Universidad Tübingen en Alemania, publicó el mejor espectro hasta la fecha de la galaxia. No parecía mucho, sólo una curva de puntos con un pequeño pico en el centro. Era la Figura 1 de su reporte científico.

"No podíamos creer lo que era", dice Wilms. El gráfico, según indican él y sus colegas, representa un gigante agujero negro rotando casi a la velocidad de la luz, el espacio-tiempo a su alrededor está retorcido como un remolino y los átomos fluorescentes de hierro que rastrean ese fantástico movimiento se funden como hojas en un remolino de agua.



El fulgor de rayos-X de esos átomos de hierro es tan intenso que el calentamiento gravitacional sólo no puede explicarlo. Lo que ese pequeño gráfico podría representar es la detección de una nueva fuente de energía cósmica, una predicha un cuarto de siglo atrás pero nunca observada. Algunos teóricos creen que una gran parte de toda la luz en el universo, incluyendo sus estallidos más espectaculares, podrían generarse de esta forma. Su principio básico es familiar, Michael Faraday lo descubrió en 1831. Pero este escenario es exótico, por lo menos. Si Wilms y colegas tienen razón, no hay sólo un agujero, sino un generador electromagnético en el corazón de MCG-6-30-15, uno que toma la energía rotacional del espacio-tiempo y la convierte en luz, casi como un alternador de un automóvil genera electricidad.

Hubo un tiempo, antes de Faraday, cuando los generadores hubieran sido más exóticos que los agujeros negros, ya que éstos últimos se concibieron primero. El reverendo John Mitchell de Yorkshire, Inglaterra, un geólogo y astrónomo, además de clérigo, predijo su existencia en 1784, usando la física de Newton. Para Newton, la luz estaba hecha de partículas con masa, y la gravedad era una fuerza ejercida por los objetos masivos entre sí. Cuando más masivo y compacto era un objeto, mayor la velocidad requerida para escapar de su gravedad. Michell calculó que una estrella 500 veces más grande y masiva que nuestro Sol tendría una velocidad de escape de la velocidad de la luz. Las partículas de luz caerían entonces a la superficie de la estrella, como las flechas o las balas de cañón lo hacen la Tierra. Como la luz no podría salir de la estrella, aparecería totalmente negra.

Pero esta es una idea un tanto equivocada que aún permanece en muchos de nosotros, que un agujero negro es una estrella tan masiva que ni la luz puede escapar de allí.

La realidad es un poco más perturbadora, porque los agujeros negros obedecen a la leyes de Einstein, contenidas en su Teoría general de la relatividad. Para Newton, la gravedad era una fuerza misteriosa que de alguna manera emanaba de la masa y actuaba instantáneamente a lo largo de grandes distancias. Para Einstein, un objeto masivo curva el espacio-tiempo a su alrededor. Así, curva el camino de lo que viaje a través del espacio-tiempo, incluyendo la luz, cuyas partículas -fotones- no tienen masa, contrario a la que Newton pensaba.

La brecha entre Einstein y Newton se incrementa al hacerse más fuerte la gravedad y la curvatura del espacio, siendo los agujeros negros el caso más extremo.
El propio Einstein se negaba a creer que estos objetos pudieran existir. Actualmente sería difícil encontrar científicos que descrean de su existencia. Es que cuando suficiente masa se concentra en un espacio, por ejemplo, una gran estrella que ha consumido su combustible nuclear, ninguna fuerza puede resistir a la implosiva gravedad.

Eso es un agujero negro: una implosión de nunca acabar. No es sólo una estrella oscura, es un agujero infinitamente profundo en el espacio-tiempo. Se forma cuando un masivo objeto implosiona y se concentra en una circunferencia crítica llamada horizonte de sucesos, y así continúa hasta que toda la masa es concentrada en una singularidad.

"Piensa en un agujero negro no simplemente como un lugar donde la gravedad es extremadamente fuerte sino como un lugar donde el espacio-tiempo está siendo continuamente empujado al agujero", señala el astrofísico Mitchell Begelman de la Universidad de Colorado, uno de los autores del paper de Wilms. "El espacio no está fuera del agujero en forma estacionaria. Está siendo estirado y empujado al agujero".

El tiempo también es estirado. Si pudiésemos mirar desde la distancia un reloj cayendo a un agujero negro, lo veríamos enlentecerse, y en el horizonte de sucesos se detendría. Si el reloj estuviera en la muñeca de una persona que llevara una linterna y la encendiera hacia nosotros, veríamos que las ondas de luz también serían estiradas. A eso se llama corrimiento al rojo gravitacional. Una luz que comenzara siendo azul sería corrida hacia el rojo, el infrarrojo, las ondas de radio y en el horizonte de sucesos sería infinitamente larga y desaparecería.

Nuestro amigo no vería lo mismo. En su marco de referencia, su reloj y su luz azul se comportarían normalmente (eso es relatividad). Claro que su destino está echado. Una vez que penetre el horizonte de sucesos no podrá salir y será estirado al aproximarse a la singularidad.

Eso es un agujero negro: un lugar donde el futuro lleva sólo hacia dentro con resultados desagradables. Ahora imaginésmolo rotando muy rápidamente.

La mayoría de los agujeros negros deben rotar, al menos un poco. Las estrellas también lo hacen y cuando una grande colapsa, el agujero negro resultante debe rotar más rápido dado que la misma cantidad de momento angular se concentrará en una cantidad menor de espacio. Habría millones de agujeros negros estelares alrededor de nuestra galaxia, cada uno de entre 5 y 10 veces la masa de nuestro Sol.

Además de los agujeros negros estelares hay agujeros negros supermasivos. La última estimación de MCG-6-30-15 es de unos 2,6 millones de soles. Nadie está seguro de cómo se forman estos monstruos. Quizás por la colisión de agujeros negros estelares en el abarrotado núcleo galáctico. En cualquier caso, un agujero negro gigante habría nacido rotando y al seguir incrementándose de material, se añade momento angular y aumenta su velocidad. Se supone que finalmente, su horizonte de sucesos podría moverse a la velocidad de la luz como límite superior. Un agujero negro con una masa 100 millones de veces la del Sol, como MCG-6-30-15, tendría una circunferencia de más de 100 millones de millas y rotar una vez cada una hora y tres cuartos.

El 11 de junio de 2000, los fotones de rayos-X que dejaron MCG-6-30-15 durante el Cretáceo, hace 130 millones de años, llegaron al Observatorio espacial XMM-Newton. Los datos de millones de fotones fue lo que Wilms estudió.
MCG-6-30-15 no es más que un punto en el cielo. De observaciones previas de su espectro, combinada con muchos cálculos teóricos, los astrónomos se formaron una imagen de intensa actividad en su núcleo. El agujero negro central, creen los científicos, está rodeado de un disco de gas que rota en espiral. La mayoría de este disco de acreción es relativamente frío, "lo que significa que su temperatura está en los millones de grados", señala Wilms. A esa temperatura brilla principalmente en azul y ultravioleta.


Los rayos-X deben provenir de una fuente más caliente. La teoría dice que deben venir de una tenue nube o plasma de electrones y protones, llamada corona. Para estar a miles de millones de grados, la corona debe estar tan cerca del agujero negro que el gas que cae ya convirtió la mayoría de su energía gravitacional en calor. Y como la corona es pequeña, las emisiones de rayos-X de MCG-6-30-15 pueden cambiar rápidamente. "Hemos visto su brillo duplicarse en 100 segundos", indica Fabian.

Más de una década atrás, Fabian y sus colegas descubrieron una forma de ver en esta resplandeciente nube casi en el borde del agujero negro. Fue esta extraña y sutil característica del espectro de rayos-X que el grupo de Wilms estaba buscando. Algunos de los rayos-X de la corona, notaron los investigadores de Cambridge, excitarían a los átomos de hierro en el disco de acreción. Así, algunos átomos de hierro fluorescerían, emitiendo rayos-X propios en una precisa línea en el espectro de energía:6.4 kilo-electrón voltios (keV), que es la energía que pierde un electrón cuando cae un nivel en un átomo de hierro a otro inferior.

Como los átomos de hierro en la galaxia se mueven, los astrónomos no ven la línea en los 6,4 keV. En cambio, posee un corrimiento, al azul cuando el disco se mueve hacia la Tierra y al rojo cuando se aleja. Cuando los astrónomos graban un espectro de toda la galaxia, la línea de hierro en ambas direcciones. Al mismo tiempo, también tiene un corrimiento al rojo gravitacional porque algunos átomos de hierro están muy cerca del agujero negro, donde el mismo tiempo y las ondas de luz son estirados.

El resultado es que la línea de emisión es una amplia y asimétrica curva, y cuanto más amplia, más rápido el hierro debe estar moviéndose y más cerca debe estar del agujero negro. Fabian predijo todo esto en 1989. En 1994, trabajando con investigadores japoneses y el satélite ASCA encontró evidencia para una amplia línea de hierro en MCG-6-30-15. Wilms y sus colegas esperaban resultados más concluyentes con el más sensitivo XMM-Newton.

"Y lo que vimos desde el principio fue que la línea de hierro estaba mal. Era más amplia de lo que esperábamos." La excitación inicial fue seguida de preocupación acerca de su entendían su propio telescopio. "Casi mensualmente teníamos estos ataques de pánico sobre algún posible problema de calibración", recuerda Chris Reynolds de la Universidad de Maryland, quien trabajó con Fabian en el estudio previo y con Wilms en este otro. "Debimos hacer todo el análisis de nuevo".
El análisis consistió en construir un modelo teórico de MCG-6-30-15 que pudiera explicar los datos de la galaxia observada.
Los investigadores comenzaron con un modelo que incluía sólo rayos-X continuos de la corona. Encontraron que producía demasiados rayos-X a bajas energías y no suficiente en altas energías. Le añadieron una nube de cálida niebla a unos pocos años luz del agujero negro para absorber algunos rayos-X de baja energía. La niebla realmente parece existir. Luego añadieron un línea de hierro fluorescente, increíblemente brillante y corrido al rojo tan fuertemente que debía provenir de átomos de hierro disparados del horizonte de sucesos a la velocidad de la luz. Como un anillo brillante alrededor del agujero negro.
Para que los átomos sean tan brillantes tan cerca del agujero negro en la galaxia, el agujero debe estar rotando rápidamente. Al arrastrar el espacio-tiempo a su alrededor, un agujero en rotación permite que el gas orbite cerca del horizonte sin caer en él. Y si los átomos de hierro fluorescen tan brillantemente, algo está mal en el modelo estándar de los discos de acreción de agujeros negros. Esa visión indica que el disco sólo se enciende por energía gravitacional, que es convertida a calor y luz por fricción. Pero es difícil generar un anillo brillante de esa forma.
"No hay forma de producir más energía, por ejemplo, tirando el material al agujero negro más rápido. Se necesita otro mecanismo", señala Reynolds.

El nuevo mecanismo para obtener energía de un agujero negro no es en realidad nuevo. Roger Blandford y Roman Znajek de Cambridge lo propusieron en 1977.
Los campos magnéticos pueden convertir energía rotacional en electricidad. El disco de acreción está formado por partículas cargadas y al moverse, generan un campo magnético. A partir de allí, las líneas de campo y el gas tienden a permanecer y moverse juntos. Cuando el gas cae al agujero negro, sigue las líneas del campo magnético. En la teoría de estos dos científicos, estas líneas sobresalen del horizonte de eventos como las espinas de un puercoespín.
"Faraday dijo que cambiar el flujo magnético genera una fuerza electromotiva, un voltaje, si quieres", dice Blandford. "Es la base de los generadores simples. Aquí es lo mismo. Tenemos un agujero negro rotando, moviendo los campos magnéticos y creando voltajes. Esta vez, sin embargo, los voltajes pueden ser prodigiosamente grandes".




Se puede pensar en las líneas de campo magnético como los cables de un circuito eléctrico gigante, con el agujero negro como generador o como bandas elásticas que aventuran las partículas cargadas eléctricamente al espacio distante.
Al caer materia al agujero negro incrementa su rotación y almacena energía. Libera energía y se enlentece un poco mientras las líneas del campo magnético acelera las partículas cargadas.

La teoría de Blandford y Znajek encaja con los jets cósmicos. Se trata de corrientes de gas que surgen de los núcleos de las galaxias, viajando a casi la velocidad de la luz.
Pero MCG-6-30-15 no tiene jets. Para ser una galaxia activa parece estar relativamente tranquila. Pero sí parece tener un brillante anillo alrededor del agujero negro y, hasta ahora, según Wilms y sus colegas, la fuente más plausible de esa luz es algún tipo de generador electromagnético generado por la rotación del agujero.

La ansiedad por saber realmente lo que ocurre es continuar las investigaciones. Fabian observó otra vez MCG-6-30-15 con XMM-Newton,con un tiempo de observación tres veces mayor al de Wilms, durante el cual duplicó su brillo. También encontraron una amplia línea de hierro. Y Fabian junto con Jon Miller de la Universidad de Michigan grabaron un espectro increíblemente similar de un agujero negro estelar en nuestra galaxia.

Los equipos de Europa y Estados Unidos proponen un super telescopio de rayos-X de nueva generación para continuar con sus observaciones, de forma más detallada.

Mientras tanto, sólo podemos intentar imaginar un remolino devorador del espacio tiempo que, quizás, también sea un fenomenal generador cósmico de energía.



Fuentes y links relacionados

• Discover: A Lenticular Galaxy Reveals Spinning Black Holes, por Robert Kunzig


• Ciencia@NASA:Energía Escapa de un Agujero Negro


• Black hole monster in a spin releases energy!


• XMM-EPIC observation of MCG–6-30-15: direct evidence for the
  extraction of energy from a spinning black hole?
  Joern Wilms, Christopher S. Reynolds, Mitchell C. Begelman, James Reeves, Silvano Molendi, Ruediger Stuabert, Eckhard Kendziorra
  arXiv:astro-ph/0110520v1

Sobre las imágenes
Ilustración de un agujero negro. Crédito:NASA, Dana Berry

Diagrama. Ilustración de MoaR
Crédito: ESA 2001.
El diagrama ilustra el posible origen de la línea de hierro en el espectro de MCG-6-30-15.

El espectro de rayos-X de MCG-6-30-15
Crédito: ESA/XMM-Newton
Dos líneas están presentes a 6.4 keV: la línea azul corresponde a rayos-X del hierro que está lejos del agujero negro, hacia las partes exteriores del disco de acreción. La amplia línea amarilla es el nuevo misterio revelado por XMM-Newton.

Foto de Andrew Fabian
ScienceWatch


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