Una de las interrogantes más intrigantes en Cosmología es cómo se forman y evolucionan las galaxias en el universo. Increíblemente, parece ser que los objetos más extraños y cercanos a la ciencia ficción, los agujeros negros, juegan un papel importante en la evolución de las galaxias más grandes.
Los agujeros negros son tan extraordinarios que no se creía que existieran hasta hace unas décadas. La primera vez que apareció la idea de un agujero negro fue en 1783 y fue postulada por el geólogo inglés John Michell. Tiempo después, en 1916, el astrofísico alemán Karl Schwarzchild encontró que estos extravagantes objetos aparecían naturalmente en la Teoría General de la Relatividad de Einstein. En esta teoría, los agujeros negros son objetos muy compactos y masivos, que producen una fuerza de gravitación tan fuerte que nada cercano a ellos puede escapar, ni siquiera la luz. La esfera imaginaria en torno al agujero negro, dentro de la cual esto sucede, se llama horizonte de eventos. Para entender esto con más detalle, considera la idea de velocidad de escape. Imagina que arrojas una pelota hacia el cielo. Entre más rápido arrojes la pelota, más lejos llegará antes de parar y regresar otra vez. Esto se debe a que la fuerza de atracción de la Tierra es más débil entre más lejana la pelota esté de nuestro planeta. Por ende, al aumentar la velocidad habrá un punto en donde la pelota escape. La velocidad a la cual la pelota no regresa se llama velocidad de escape y aumenta con la masa del objeto, pero disminuye al incrementar la distancia inicial a éste. Sobre la superficie de la Tierra, la velocidad de escape es aproximadamente 11 kilómetros por segundo. En el caso del horizonte de eventos de un agujero negro, la velocidad de escape es la velocidad de la luz, velocidad límite en la naturaleza que ningún objeto con masa puede alcanzar.
Cuando hablamos de agujeros negros supermasivos nos referimos a objetos compactos con masas millones de veces más grandes que la masa del Sol y que producen fuerzas gravitacionales muy intensas. Gracias a observaciones que se han hecho en los últimos 40 años ya no se duda de la existencia de los agujeros negros supermasivos. Algunos de estos estudios han sugerido la presencia de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias. Se cree que los objetos más luminosos del universo, llamados cuásares, son alimentados por agujeros negros supermasivos que capturan descomunales cantidades de gas a tasas muy grandes, produciendo una enorme liberación de energía mucho más eficiente que la que procede de mecanismos termonucleares como los que acontecen en el interior de las estrellas o la explosión de una supernova que es la muerte de una estrella masiva.
Con el acceso a nuevos telescopios, como el telescopio espacial Hubble (HST, siglas en inglés) y con el desarrollo de nuevas tecnologías, los astrónomos han buscado agujeros negros supermasivos en las galaxias cercanas. Cazar agujeros negros no es una tarea fácil, puesto que nada escapa del interior de los agujeros negros, ni siquiera la luz, literalmente son negros. Entonces, ¿Cómo proceden los astrónomos? Lo que en realidad buscan los científicos son los efectos de su fuerza de gravedad sobre el movimiento de los cuerpos celestes que orbitan a su alrededor: En la proximidad de un agujero negro supermasivo, los objetos sufrirán grandes aceleraciones y sus trayectorias se curvarán notablemente. Los astrónomos se enfocan, así, en objetos celestes cercanos a donde se sospecha está el agujero negro supermasivo y miden cuidadosamente las posiciones y velocidades de los primeros. Con esta estrategia se han encontrado pruebas sólidas de que los agujeros negros supermasivos existen y que son algo común en el universo: en cada galaxia masiva cercana que se ha observado, se ha encontrado un agujero negro supermasivo en su centro, incluyendo en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.
Un grupo de astrónomos encabezados por la astrónoma Andrea Guez midieron los movimientos de una población de estrellas cercanas al centro galáctico que se reconoce por la presencia de una fuente de ondas de radio llamada Sagitario A. El grupo observó los movimientos de estas estrellas durante un período de nueve años con el telescopio M.W. Keck, y con sus estudios determinó que en el centro de nuestra galaxia hay un agujero negro supermassivo de 4 millones de masas como la del sol y de tamaño similar a la órbita de Mercurio.
Para entender qué vínculo hay entre los agujeros negros masivos y las galaxias en las que residen, hablemos un poco de las galaxias. Las galaxias son los objetos más majestuosos en una noche estrellada y una parte fundamental en el universo. Son del tamaño de miles de años luz y contienen miles de millones de estrellas. La Vía Láctea es una entre billones de galaxias similares en el Universo. Las galaxias se encuentran en diversas formas y tamaños. A pesar de su diversidad, se pueden clasificar robustamente en dos tipos: galaxias con disco y galaxias elípticas.
Las galaxias con disco son planas y tienen un disco donde se concentran la mayoría de las estrellas, gas, materia y polvo. Sus discos usualmente desarrollan un patrón espiral y en ellos nuevas estrellas se están formando continuamente dentro de nubes moleculares. Las galaxias con disco no contienen muchas estrellas masivas y tienen un bulbo, que puede ser pequeño o comparable al disco, donde las estrellas son viejas. Un típico ejemplo de galaxia con disco es la Vía Láctea. En contraste, las galaxias elípticas tienden a tener masas mayores que las galaxias con disco y tienden a tener una forma esférica, la velocidad de rotación de las estrellas es mayor y no hay formación de estrellas en su interior.
Una de las actuales incógnitas en Cosmología es entender por qué las galaxias elípticas están en cierta forma muertas, ya que no producen estrellas, mientras que sus contrapartes, las galaxias con disco, tienen significante actividad de formación de estrellas y diferente morfología también. Parte de la respuesta parece estar conectada con el crecimiento de los agujeros negros supermasivos en estas galaxias.
Un descubrimiento sorprendente ha sido encontrar que las masas de los agujeros negros supermasivos están íntimamente relacionadas con las propiedades -la masa o la distribución de velocidades de las estrellas- del bulbo de las galaxias, e incluso de la galaxia total en las que los agujeros negros supermasivos viven. Esta relación es ciertamente inesperada ya que, aunque los agujeros negros supermasivos producen una fuerza de atracción enorme, esta misma decae rápidamente con la distancia a grado tal que el tamaño de la región en la que el agujero negro puede influir sobre el movimiento de la materia alrededor resulta ser mucho más pequeña que el del bulbo de la galaxia. Por ejemplo, la región donde la fuerza de atracción del agujero negro de nuestra galaxia puede afectar a la materia es del orden del tamaño del sistema solar, pero el bulbo es aproximadamente 10,000 veces mayor que el sistema solar. ¿Cómo pueden entonces estar relacionados los movimientos de las estrellas o el gas en el bulbo con la masa del agujero negro? Esta relación sugiere un vínculo fundamental entre el crecimiento de los agujeros supermasivos y la evolución de las galaxias.
Para encontrar la naturaleza de este vínculo, debemos primero explorar el panorama general de cómo las galaxias se forman y crecen en el universo hasta llegar a ser las estructuras que vemos hoy. Hay un modelo estándar de la Cosmología que ha surgido en los últimos años, en el cual, gran parte del contenido del universo está hecho de materia oscura y, por resultado, la fuerza que domina a escala galáctica es la gravedad. Este modelo ha sido estudiado usando enormes simulaciones en supercomputadoras que muestran cómo se forma la estructura en el universo se forma en épocas tempranas, regiones más densas que la densidad promedio del universo colapsan por la gravitación y llegan a formar halos de materia oscura. Estos halos evolucionan y llegan a ser masivos, formando una estructura filamentaria conocida como la red cósmica.
En estos halos de materia oscura, las galaxias se forman y crecen, materia normal se enfría y cae hacia el centro del halo debido al tirón gravitacional provocado por los halos de materia oscura. Eventualmente, este gas se enfría y forma nubes que colapsan y fragmentan, dando lugar a la formación de estrellas. Se cree que en las primeras estructuras, las galaxias jóvenes forman un disco que continúa creciendo cuando gas de la red cósmica cae al disco. También estas galaxias pueden crecer mediante colisiones con otras galaxias, formando galaxias más grandes. Durante el encuentro, las órbitas de las estrellas llegan a ser perturbadas y orientadas de forma aleatoria dando lugar a la formación del bulbo.
En años recientes, modelos teóricos han sido desarrollados que incluyen este crecimiento de las galaxias, la formación de las estrellas y colisiones de galaxias en estos halos de materia oscura. En un panorama general, este modelo logra reproducir la distribución filamentaria de galaxias observada en grandes regiones del Universo.
A pesar de este logro, aún hay algunos cabos sueltos en el modelo. Uno de estos problemas es que conjetura que las galaxias elípticas, al ser más masivas, atrapan gas continuamente desde los grandes filamentos formando eventualmente estrellas. Como resultado, las galaxias elípticas deberían producir muchas estrellas. En contraste con las observaciones, las galaxias elípticas se muestran casi muertas ya que no hay formación estelar. Al respecto, no se conoce ningún proceso físico en las estrellas o en el gas que pudiera detener el enfriamiento del gas y su colapso a partir del cual se forman las estrellas, siendo éste un dilema en el modelo estándar de la Cosmología.
Sin embargo, en los últimos siete años, la respuesta más viable está relacionada con los agujeros negros supermasivos. En cada una de las galaxias masivas se encuentra un agujero negro supermasivo que captura gas de sus alrededores y crece. En este proceso se libera mucha energía en forma de materia y radiación, creando objetos como los cuásares y los “jets” galácticos que son chorros de material moviéndose a velocidades cercanas a la de la luz.
Simulaciones han mostrado que el crecimiento de agujeros negros supermasivos puede calentar a la materia o expulsarla fuera del halo de materia oscura, evitando la formación de estrellas en las galaxias masivas. Este mecanismo es crucial ya que sin él, es imposible reproducir la abundancia de galaxias masivas que existe hoy en día. Algunas de estas simulaciones también reproducen las relaciones que existen entre la masa de los agujeros negros y las propiedades de las galaxias en las que viven y las interpretan como una consecuencia del proceso de crecimiento de los agujeros negros supermasivos. Ahora está bien establecido que la energía producida por los agujeros negros supermasivos en las galaxias masivas puede detener la formación estelar.
Sin embargo, hay algunas preguntas aún sin resolver. Por ejemplo, no se han detectado agujeros negros supermasivos en acción, es decir, con vientos del tamaño del bulbo o de la galaxia como se esperarían en los modelos. El proceso físico de cómo se relacionan los agujeros negros supermasivos y la galaxias no está bien entendido. No sabemos qué se formó primero, la galaxia o el agujero negro supermasivo, ni cuál es el mecanismo de formación. Sin embargo, junto con las más sofisticadas simulaciones por computadora y observaciones con nuevos telescopios será posible entender este inesperado vínculo entre los agujeros negros supermasivos y sus galaxias. La aventura de los agujeros negros supermasivos apenas comienza.
Yetli Mariana Rosas Guevara, estudiante de doctorado en la Universidad de Durham, Reino Unido. Estudia los efectos del crecimiento de los agujeros negros en las galaxias por medio de simulaciones.
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