Investigadores del IAC demuestran el origen explosivo de un agujero negro.

El pasado miércoles, día 8, la prestigiosa revista Nature publicó un artículo en el que investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) demostraron que los agujeros negros se originan tras explosiones de estrellas masivas, en forma de super o hipernovas. El estudio se realizó con el telescopio más grande del mundo, el Keck I de Hawai.

Los agujeros negros.

Los agujeros negros han sido durante muchos años uno de los objetos celestes más enigmáticos y son casi tan populares como el Big Bang. ¿Qué son realmente estos sumideros interestelares? Todos los asteroides, planetas y estrellas poseen un campo gravitatorio a su alrededor. O lo que es lo mismo, atraen a otros objetos. Imaginemos que lanzamos una pelota de tenis a 100 km/h en dirección al cielo ¿logrará escapar de la gravedad terrestre? No. Para escapar de la Tierra necesitaríamos que la pelota alcanzara una velocidad de 39 600 km/h. A esto se le denomina velocidad de escape.

Por ejemplo, la velocidad de escape en Júpiter es de 219 600 km/h. Sabemos que la velocidad máxima que puede alcanzar cualquier partícula conocida es de 300 000 km/s (1080 millones de km/h), esto es la velocidad de la luz. Podríamos preguntarnos ¿existe algún objeto tan denso cuya velocidad de escape sea superior a la velocidad de la luz? Estos son los agujeros negros. La idea de los agujeros negros fue propuesta ya en 1783 por el inglés John Mitchell, quien calculó que la luz no escaparía a un cuerpo con 500 veces el diámetro del Sol y de igual densidad.

La existencia de los agujeros negros no fue demostrada hasta hace pocos años. Ya que por sí mismos no emiten luz -es evidente, no la dejan escapar-, se buscaron en sistemas binarios. Gracias a las leyes de la gravitación o con ayuda de las leyes del movimiento planetario de Kepler, es posible conocer la masa cada una de las estrellas dobles en base a su periodo de traslación. En los sistemas dobles en los que existen agujeros negros y estrellas normales, normalmente el monstruo de las estrellas engulle las partes exteriores de su compañera. Se crean discos de materia alrededor del agujero negro que va cayendo en forma de espiral al interior del agujero. La materia al girar se forma cada vez más rápida se calienta a altas temperaturas y llega a emitir en rayos X.

Los astrofísicos encontraron algunos de estos sistemas binarios fuentes de rayos X. Calculando las masas de sus componentes, llegaron a desmostrar la existencia de varios agujeros negros. Este fue el caso del sistema binario V404 Cygnii, descubierto por el investigador del IAC Jorge Casares, que también forma parte del equipo que estudió la Nova Scorpii 1994.

Ahora bien ¿cómo llegó a formarse el agujero negro? Esto es lo que han venido a responder los investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) en colaboración con un grupo de la Universidad de California en Berkeley mediante observaciones realizadas con el Telescopio Keck I de 10 metros en Hawai. El objeto de estudio es la Nova Scorpii 1994, también matriculada como GRO J1644-44 al detectarse una emisión de este sistema en rayos gamma. Estudiando la descomposición de luz de la estrella normal de este sistema se encontraron en su atmósfera trazas abundantes de elementos pesados como el oxígeno, magnesio, silicio y azufre, en una cantidad 10 veces mayor de la que podemos observar en el Sol. Estos elementos tan pesados son extraños de encontrar en las estrellas de tipo solar, formadas casi en su totalidad por hidrógeno y helio.

De estrella a supernova.

Según la teoría de la Gran Explosión, en el comienzo el Universo sólo se creó hidrógeno y helio en abundancia, el resto de elementos originales se encuentran en cantidades meramente presenciales. El carbono, hierro, silicio e incluso oro y plata que existen en la Tierra fueron creados en las estrellas, pero no en todas las estrellas.

En realidad, las estrellas son fábricas de átomos. Gracias a la gran densidad y temperatura que existe en su interior, consumen elementos ligeros y los convierten en un elementos más pesados. Cuando se acaba el ligero comienzan a consumir el pesado que generaron y convertirlo en otro aún más pesado. Como subproducto de la conversión se emite energía. Esto es lo que se llama fusión nuclear. El ritmo de consumo lo determina la masa de la estrella: cuanto más masiva, más glotona. La energía obtenida durante el proceso sirve como pilar para que el "edificio estelar" no se desplome por su propio peso.

En las estrellas parecidas al Sol, sólo se puede llegar a fusionar el hidrógeno en helio, y el helio en carbono. Su vida es de varios miles de millones de años y mueren como estrellas gigantes rojas, frías, expulsando sus capas exteriores al espacio en forma de nebulosas planetarias y dejando el núcleo al descubierto: una enana blanca.

Las estrellas que son más masivas que el Sol mueren por glotonería muy rápidamente, del orden de varios millones de años. Las fases por las que pasan son:

hidrógeno -> helio
helio -> carbono
carbono -> neón
neón -> oxígeno y magnesio
oxígeno -> silicio y azufre
silicio -> hierro

Cuando una estrella de este tipo intenta fusionar el hierro en algo más masivo, se da cuenta de que este proceso no emite energía, sino que la necesita. Sin su pilar -la energía de fusión- el "edificio estelar" se desploma instantáneamente.

El proceso no está del todo claro, pero parece que en el desplome se produce una onda de choque de inmensas proporciones que se desplaza al exterior. En su encuentro con la materia de la estrella, la onda de choque aumenta la temperatura local de forma drástica y por unos instantes se fusionan átomos. La explosión hace añicos la mayor parte de la estrella. La explosión, rivaliza en brillo durante semanas con el resto de miles de millones de estrellas de su propia galaxia. Este evento se conoce como supernova de tipo II.

Novas, supernovas, hipernovas y agujeros negros.

No toda la estrella sale expulsada al espacio exterior. Buena parte del núcleo implosiona y genera un nuevo cuerpo, que depende de la masa que haya quedado. Los púlsares son faros estelares que emiten pulsos de energía por sus polos magnéticos. Los púlsares son estrellas de neutrones, con sus polos magnéticos dirigidos hacia la Tierra -por eso los vemos pulsar-. Una estrella de neutrones es un cuerpo celeste realmetne complejo, porque la densidad y presión ha sido tal que los protones y electrones originales de la estrella se han combinado para formar neutrones. Hasta ahora se había demostrado efectivamente que algunas supernovas generan estrellas de neutrones.

Pero el núcleo de otras supernovas es más masivo y logra convertirse directamente en agujero negro: un cuerpo que podría ser infinitamente pequeño y en el que las leyes que rigen en su interior se nos escapan -quizás solo por ahora-.

El descubrimiento.

Por fín, los investigadores del IAC y de Univeridad de California han demostrado que las estrellas de unas 30 masas la del Sol generan un agujero negro estudiando la Nova Scorpii 1994.

Esta nova de rayos X fue descubierta en 1994 con el instrumento BATSE a bordo del Observatorio Compton de Rayos Gamma. Este tipo de novas se originan al caer parte del material de la estrella compañera en el agujero negro y aumentar su brillo varias miles de veces. Al ser observada en el rango de los rayos gamma fue catalogada como GRO J1655-44 (GRO son las iniciales de Objeto de Rayos Gamma).

Jorge Casares es un investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias especializado en la búsqueda de candidatos a agujeros negros en sistemas binarios. En 1992 publicó sus trabajos sobre el sistema V404 Cygnii, donde se encuentra uno de los mejores candidatos. Este astrofísico, en colaboración con otros colegas, realizó un estudio en 1998 de la masa de los componentes de la Nova Scorpii 1994.

El agujero negro tendría entre 6 y 8 masas solares (Mo), mientras que la estrella pesaría entre 2 y 3 Mo. En este trabajo, además, se registró en el espectro un elemento poco común en las estrellas, el litio, ya que a temperaturas de unos pocos millones de grados se destruye (¡y en cualquier estrella hace mucho calor!). Aunque existían algunas teorías para explicar la presencia de litio en el sistema, todas eran insatisfactorias para la Nova Scorpii 1994.

La inexistencia de litio en las atmósferas estelares -o más bien, su presencia en los objetos más fríos y menos masivos- es una de las especialidades de Rafael Rebolo, también investigador del IAC y profesor del Consejo Superior de Investigaciones Científicas. En 1994 propuso, junto a Eduardo Martín (IAC) y otros astrofísicos, el llamado test de litio para los objetos subestelares, según el cual, si se encuentra en abundancia en algún objeto es casi seguro que se trate de una enana marrón -estrella abortada- o un planeta. En la actualidad, Eduardo Martín se halla en la Universidad de California (Berkeley).

Volviendo a la Nova Scorpii 1994, se usó el Telescopio Keck I, situado en Hawai, para registrar el espectro del sistema y así conocer la evolución de su composición. El grupo se encontró con que la atmósfera de la estrella "normal" presentaba abundancia mucho mayor de lo esperado de elementos pesados tales como el oxígeno, magnesio, silicio y azufre. Como hemos visto, estos elementos no se encuentran en las atmósferas de las estrellas de tipo solar. ¿Cómo llegaron a la atmósfera de la estrella?

[Composición comparativa de GRO J1655-44]

Según han explicado en Nature, una estrella de entre 25 y 40 veces la masa del Sol habría explotado como hipernova. Parte de la estrella colapsó generando el agujero negro y el resto del material de la estrella, en su mayor parte en forma de oxígeno, salió expulsado a gran velocidad. Este material habría llegado a la estrella compañera.

Garik Israelian, miembro del equipo de investigación y astrónomo del Instituto de Astrofísica de Canarias, explica que "esta estrella actuó como testigo del fenómeno y afortunadamente quedó ligada gravitatoriamente al agujero negro a una distancia que hoy es de unos 17 millones de kilómetros, permitiendo no sólo establecer con gran precisión las propiedades dinámicas que apoyan la existencia de un agujero negro en el sistema, sino también desvelar con este nuevo trabajo cuál pudo ser su origen".

El equipo de astrofísicos ha puesto de manifiesto que la abundancia relativa de estos elementos en la atmósfera de la estrella coinciden con los que generaría una hipernova. Las hipernovas son supernovas con una explosión mucho más violenta que se propusieron el pasado año para explicar la emisión de rayos gamma por una supernova, como el GRB 980425 en la galaxia ESO 184-G82 (la otra explicación era el choque de dos estrellas de neutrones). Otras comprobaciones adicionales incluyen la de la masa del agujero negro resultante, que también coincide con las predicciones.

Esta investigación coincide con las realizadas de forma independiente por un equipo de la Univerisad de Tokyo, liderados por el profesor Ken Moto. Los cálculos realizados tanto por japoneses y españoles concluyen que el 90% de la materia expulsada por la hipernova sería en forma de oxígeno, un 4% de magnesio y silicio y un 1% de azufre. Se infiere además que de haberse tratado de una supernova la mayor parte del material hubiera caído al agujero negro sin ser expulsado al exterior. Moto afirma que "sólo una explosión hiperenergética, es decir, la de una hipernova, puede explicar la expulsión observada de azufre y silicio materiales pesados no se hubieran expulsado al exterior".

Últimas palabras.

El equipo de astrofísicos ha estado compuesto por Rafael Rebolo (IAC), Garik Israelian (IAC), Jorge Casares (IAC), Eduardo Martín (Berkeley) y Gibor Basri (Berkeley). Este trabajo, que ha obtenido buena repercusión en los medios de comunicación supone una pequeña recompensa a años de investigación. La ciencia, generalmente, es un campo donde parte de los resultados vienen después de muchísimo tiempo de investigación, y donde la mayor parte de las veces sus frutos no aparecen reflejados en ninguna sección de sociedad de los periódicos. Otras veces, la casualidad llama a la puerta del científico, como ha sucedido en esta ocasión, pero sólo si se poseen los conocimientos y tenacidad necesarios es posible poner la suerte de su parte.

Casi sin darnos cuenta, la astrofísica española se ha ido posicionando en puestos de gran relevancia a nivel mundial. Por eso es imprescindible que contemos con recursos propios para seguir formando una cantera de investigadores de talla mundial, como son los que han firmado este trabajo. En este sentido, el Gran Telescopio Canarias rivalizará con el Keck de Hawai, con la ventaja de que dispondremos de casi la totalidad de las noches. Si con el poco tiempo de observación al que acceden los españoles se realizan descubrimientos como este ¿qué maravillas nos depara el GTC cuando se inaugure dentro de pocos años?

La comprensión de la formación de los agujeros negros, supernovas e hipernovas son de vital importancia para la vida en nuestro planeta -bueno, cualquier rama de la ciencia suele calificarse como vital- y suponen los últimos eslabones de una teoría de la evolución estelar comprendida bastante bien a grandes rasgos.

En realidad, existen estudios que relacionan las extinciones masivas con la ocurrencia de supernovas cercanas al Sistema Solar, que podrían volatilizar las capas altas de la atmósfera y rociar a la vida sobre la Tierra de partículas cósmicas. De hecho, los astronómos están muy atentos a la evolución de eta Carinae, en el Hemisferio Sur, una superestrella de nada menos que 100 veces la masa solar y a sólo 7500 años luz de nosotros. eta Carinae es una candidata a hipernova con todos los boletos comprados, la cuestión es ¿cuando se celebrará el sorteo?

Referencias.