¿Qué efecto tienen los agujeros negros súpermasivos sobre las galaxias?

En una de las últimas entradas que publiqué comentaba que casi todas las galaxias tienen un agujero negro súpermasivo en su núcleo, así que he pensado que hoy sería buena idea hablar el efecto que tienen estos monstruos gravitatorios sobre las galaxias que habitan.

Pero, para variar, vas a andarte por las ramas y empezar explicando cómo llegaron al centro de las galaxias esos agujeros negros.

Nada me haría más feliz, voz cursiva, pero, por desgracia, aún no se sabe con seguridad cómo se forman los agujeros negros súpermasivos del centro de las galaxias. Aunque eso no quita que existan varias hipótesis al respecto, claro.

Por un lado, se sabe que las estrellas muy masivas producen agujeros negros cuando su combustible se agota y estallan en forma de supernovas. Estos agujeros negros estelares son “pequeños”, con una masa hasta algo más de una decena de veces superior a la del sol, pero podrían se haber convertido en agujeros negros súpermasivos si consiguieron absorber suficiente material de su entorno mientras su galaxia tomaba forma, llegando a convertirse en las bestias que tienen una masa millones de veces superior a la del sol y que observamos hoy en día.

Otra hipótesis más exótica sugiere que, en vez de ser producidos por  las estrellas, estas “semillas” de los agujeros negros súpermasivos podrían haber sido los restos del colapso de gigantescas nubes de gas tan masivas que ni siquiera habrían pasado por la fase de estrellas. En este caso, unas bolas de gas tremendamente masivas llamadas quasi-estrellas habrían sucumbido a su propia gravedad, saltándose todos los pasos de la evolución estelar y formando directamente agujeros negros sin siquiera reventar primero en forma de supernovas.

De momento, las quasi-estrellas son cuerpos celestes hipotéticos pero, para hacernos una idea del tamaño colosal que hubieran tenido, en la siguiente imagen podéis ver uno de estos objetos comparado con UY Scuti, la estrella más grande conocida, que tiene un diámetro mil veces superior al del sol.

(Fuente)

Pero esta idea de que los agujeros negros de masa estelar pueden crecer hasta convertirse en agujeros negros súpermasivos tiene algunos problemas.

Como he comentado otras veces, el campo gravitatorio de un agujero negro no tiene nada de especial, en el sentido de que se comporta de la misma manera que el de cualquier objeto ordinario: sólo te arrastrará hasta el punto de no retorno si te acercas demasiado a él (y te mueves demasiado despacio).

Por tanto, para que un agujero negro devore la materia necesaria para alcanzar una masa millones de veces superior a la del sol, esa  misma cantidad de material tendrá que estar concentrada muy cerca de él durante su formación… Y eso no es tan fácil como parece por culpa de la inmensidad del espacio. Además, el agujero negro necesitará absorber la mayor cantidad de masa posible en un espacio muy corto de tiempo porque, de lo contrario, el sistema alcanzará el equilibrio gravitatorio antes de que pueda convertirse en un agujero negro súpermasivo.

Para rematar el asunto y como comenté en la entrada que mencionaba al principio, si una gran cantidad de materia cae en un agujero negro, la energía que se libera durante el proceso puede empujar y alejar el resto del material que lo rodea, dejando al monstruo sin alimento con el que seguir creciendo.

Aun así, aunque las astrónomos aún no saben el mecanismo exacto que da lugar a estos agujeros negros tan masivos, sí que sabemos que existen desde hace mucho tiempo.

En los años 50 se empezaron a descubrir unos objetos que más tarde terminarían llamándose cuásares, que son galaxias extremadamente lejanas que brillan con una intensidad tremenda. Estas galaxias están tan lejos de nosotros que hoy en día nos llega la luz que emitieron unos 1.000 millones de años después de que tuviera lugar el Big Bang y, como resultado, las vemos tal y como eran cuando aún se estaban formando.

Se cree que el brillo extremo de estas galaxias tan jóvenes viene de sus agujeros negros súpermasivos centrales: el material que cae en su interior alcanza velocidades cercanas a las de la luz mientras se precipita hacia el punto de no retorno, rozando y calentándose hasta temperaturas de cientos de millones de grados y, por supuesto, emitiendo una gran cantidad de radiación durante el proceso.

Una foto del cuásar PG 0052+251 y una ilustración de lo que probablemente está pasando en el centro de la galaxia. (Fuente)

O sea que, aunque no se conozca el origen exacto de estos agujeros negros tan masivos, al menos sabemos que ya existían cuando el universo era muy joven.

Pf, menuda ayuda. En cualquier caso, ¿qué pasa con esas pocas galaxias que no tienen un agujero negro central? ¿Sus estrellas se disipan por el espacio porque no hay un objeto súpermasivo que las mantenga unidas con su campo gravitatorio?

Para nada, voz cursiva. Aunque la masa de los agujeros negros súpermasivos sea impresionante, la influencia de su gravedad sobre el resto de la galaxia es mucho menor de lo que podría parecer.

Hay que tener en cuenta que, por mucha masa que posean, los agujeros negros súpermasivos representan una fracción muy pequeña de la masa total de la región central de las galaxias (alrededor del 0,1%, para ser más e xactos). Por tanto, aunque estos agujeros negros sean la fuente de gravedad dominante en un radio de unos pocos años luz a su alrededor, su gravedad no tiene un efecto significativo a grandes distancias.

Por ejemplo, aunque el agujero negro central de la Vía Láctea (Sgr A*) tenga una masa de equivalente a la de 4 millones de soles, el bulbo galáctico que lo rodea contiene alrededor de 10.000 millones de masas solares en forma de estrellas individuales. Por tanto, el efecto de la gravedad de los agujeros negros súpermasivos sobre las estrellas del resto de la galaxia es muy pequeño en comparación con la gravedad combinada de los miles de millones de estrellas que contiene la galaxia en sí.

Imagen de la zona central de la Vía Láctea, con la región que rodea Sgr* A brillando en rayos X (el borrón azul de la derecha). (Fuente)

Así que no, voz cursiva, un agujero negro central no es necesario para mantener la cohesión de una galaxia. Ahora bien, los agujeros negros súpermasivos pueden modificar la estructura de sus galaxias sin la ayuda de la gravedad.

Por ejemplo, la radiación emitida por la materia mientras cae hacia el agujero negro súpermasivo puede limitar la formación de estrellas de una galaxia. Esto ocurre porque las estrellas se forman a partir del colapso gravitatorio de grandes nubes de gas de frío pero, si el agujero negro central está especialmente activo (que, a juzgar por los cuásares, suele ser el caso cuando las galaxias son muy jóvenes), la radiación emitida puede calentar esas nubes de gas, impidiendo que se condensen y formen estrellas. Una prueba de esta influencia es que la fase de formación de estrellas dura más tiempo en las galaxias que tienen agujeros negros menos masivos en su centro.

Siguiendo la misma línea, la región extremadamente caliente que rodea un agujero negro activo produce un “viento” que se esparce por toda la galaxia, una corriente constante de partículas que se extiende en todas las direcciones y que es capaz de dispersar las nubes de gas interestelar, impidiendo que se condensen más estrellas en su interior.

El agujero negro de este cuásar (abajo, en rojo) está produciendo un viento (en azul) que se extiende por la galaxia. (Fuente)

Un ejemplo más extremo de este efecto es el agujero negro central de la galaxia M106, que emite dos intensos chorros de energía que atraviesan la galaxia, calentando el material con el que entran en contacto y produciendo dos “brazos” de gas muy caliente visible en las imágenes de rayos X. Este fenómeno está empujando el gas del centro de la galaxia hacia la periferia y, como resultado, los astrónomos estiman que en la región central de M106 se están formando estrellas a un ritmo 10 veces menor que en la de la Vía Láctea.

La galaxia M106, vista en varias longitudes de onda. (Fuente)

Otra correlación interesante que se ha encontrado es el hecho de que las galaxias que contienen agujeros negros más pequeños en su centro también tienen bulbos centrales (la región central de la galaxia donde las estrellas están más apiñadas) menos extensos. De hecho, las galaxias que no tienen un agujero negro súpermasivo en su centro, como parece ser el caso de la galaxia del Triángulo, no tienen bulbo central en absoluto.

La galaxia M81 (arriba), con un agujero negro súpermasivo de 70 millones de masas solares y la galaxia del Triángulo (abajo), sin agujero negro central. (Fuentes: 1, 2)

¿Y qué efecto tiene sobre una galaxia eso de no tener bulbo central, además de que no están tan bonitas sin él?

Pues que los bulbos centrales de las galaxias contienen una gran cantidad de estrellas viejas que expelen material al espacio con frecuencia, enriqueciendo el medio interestelar con elementos pesados, como los que terminan dando lugar a los planetas rocosos. Además, las estrellas del bulbo central tienen una mayor dispersión de velocidades en las galaxias con agujeros negros más masivos, lo que significa que, cuanto mayor es el agujero negro, más dispares son las velocidades de las estrellas individuales respecto a la media.

En cualquier caso, aunque se han observado correlaciones entre el tamaño de los agujeros negros súpermasivos y algunas propiedades de las galaxias, lo cierto es que aún no se conocen las causas de algunas de ellas. Por ejemplo, no se sabe con seguridad si el agujero negro central determina el tamaño del bulbo central de la galaxia o si, por el contrario, es el mecanismo de formación de un bulbo grande el que permite que exista un agujero negro más masivo en su centro. O si los dos parámetros son el resultado de un tercer mecanismo distinto, vaya.

En definitiva, el estudio de la relación entre las galaxias y los agujeros negros súpermasivos es una tarea especialmente complicada porque requiere estudiar galaxias tan lejanas que la luz que llega a nuestros telescopios fue emitida cuando aún se estaban formando, un momento en el que sería más fácil observar esas relaciones. El problema es que esa luz es muy débil cuando por fin alcanza la Tierra y sus longitudes de onda han sido alteradas por la expansión del espacio, así que es difícil estudiarla.

Por tanto, de momento no nos queda más remedio que vivir con el castigo de no saber cómo se forman exactamente los agujeros negros súpermasivos ni hasta qué punto influyen en la estructura de las galaxias.

Vaya, no sé si podré dormir esta noche…

Lo sé, voz cursiva, lo sé. Pero, si te consuela, aquí dejo algunas sugerencias con las que podrás distraerte para no pensar en ello (guiño, guiño).

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“. En él hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

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6 pensamientos en “¿Qué efecto tienen los agujeros negros súpermasivos sobre las galaxias?”

  1. Muy buen artículo como siempre Jordi.
    Debajo de la imagen en la que hablas de los bulbos se te ha olvidado el cambio de párrafo entre voz cursiva y tú.

  2. ¡Hala! Tengo un cariño especial por los agujeros negros porque, gracias a ellos, me introduje en las lecturas de divulgació´n científica; gracias a Stephen Hawking, que llegó a mi vida en un momento de colapso emocional por medio de la película “La teoría del todo”. Él nos pedía que tratásemos de entender el universo a partir de bases científicas y… ¡Trato de hacerle caso! Hasta hace año y medio, no tenía ni idea de astrofísica; ahora, a escala de principiante, por lo menos sé de qué se habla. En mi blog homenajeo a Hawking, Sagan, Asimov, Sacks y otros divulgadores de una forma algo loca: por medio de largas cartas. 🙂
    Un abrazo.

  3. Es curioso yo me integre a la ciencia desde los 7 años gracias a que me causaban gran curiosidad lo agujeros negros y aun asi me siguen facinando y sorprendiendo la gran fuerza que poseen esas masas infinitamente densas. actualmente tengo 14 y sigo facinado con los agujeros negros y el cosmos. Ya que me causa intriga que lo mas bello al nuestro alredeeor puede que sea lo mas complejo que alguna ves existira

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