Los agujeros negros y todo lo que conllevan se encuentran entre los temas más candentes de la actualidad astronómica, por lo que siempre acaban siendo protagonistas de gran parte de las preguntas que me hacen en las actividades de divulgación que llevo a cabo en muchos sitios, a pesar de que no siempre estén centradas en ellos. Sobre todo las personas más jóvenes parecen fascinadas por lo que estos objetos, a sus ojos medio reales medio míticos, significan y cuál es su verdadera naturaleza. Todo el mundo parece preocuparse por la posibilidad de que uno de estos entes misteriosos pueda acabar afectando a nuestro planeta, ocasionando un gran cataclismo que acabe con nuestra civilización o con toda la vida, o acaso, imaginarse un viaje espacial a uno de ellos, para explorarlo o, si es un agujero de gusano, usarlo como puerta de salida de nuestro Universo o como atajo para llegar a otros confines del nuestro.
La mayoría de las veces no puedo contestar a muchas de esas preguntas que me hacen, a veces por un desconocimiento casi absoluto por parte de la ciencia actual sobre cómo son las leyes de la física que rigen lo que pasa dentro de un agujero negro. A pesar de ello, sí que me siento más cómodo explicando, en esas mismas actividades, que ha habido un avance enorme en la comprensión de los agujeros negros gracias al progreso de las técnicas de observación y análisis de los mismos y de su entorno en distintos rangos del espectro de la luz. Este paso adelante dado en las últimas décadas es el que ha permitido avanzar desde la pura especulación sobre su existencia, en la cual no creía ni siquiera Albert Einstein, a tener una multitud de evidencias directas de que son reales. Estas incluyen desde fotografías de su sombra, gracias a imágenes con una resolución espacial sin precedentes tomadas por la red de antenas de radio del Telescopio del Horizonte de Eventos, hasta la detección del efecto que tiene sobre el espacio-tiempo circundante la fusión de dos de estos monstruos, suceso cazado por vez primera en 2015 por el observatorio LIGO de ondas gravitacionales. Estos avances son los que mantienen nuestra atención puesta en estos gigantes que nos dejan llenos de admiración y de temor a partes iguales, porque nos recuerdan que son reales y no sólo producto de nuestra imaginación.
La veracidad de la existencia de los agujeros negros está también bien cimentada por la teoría de la evolución estelar, que describe un mecanismo perfectamente natural para formarlos. Según esta teoría, una estrella con una masa típicamente de más de 20 a 25 veces la masa del Sol podría generar en su núcleo un agujero negro, dominado totalmente por la fuerza de la gravedad, una vez que las reacciones de fusión nuclear que producen energía capaz de sostener el peso de toda la estrella mientras esta brilla, finalizan y esta colapsa tras explotar como supernova. Este hecho desmiente por sí solo una de las preguntas que más me hacen sobre si nuestro Sol, demasiado pequeño para ello, acabará convirtiéndose en un agujero negro. Hay incluso otros mecanismos que pueden conducir a la formación de agujeros negros, como la fusión de estrellas de neutrones, otro proceso que ha sido detectado a través de su emisión de ondas gravitacionales. La teoría incluso predice que si una nube de gas lo bastante grande se contrae lo bastante rápido en un proceso denominado enfriamiento catastrófico, quizá se podría formar un agujero negro de dimensiones mucho más grandes.
Centrémonos ahora en aquellos agujeros negros demasiado grandes para haber sido formados sólo a partir del colapso de una sola estrella. Entre ellos, todos aquellos catalogados en el centro de algunas galaxias, con masas desproporcionadamente grandes, se denominan agujeros negros supermasivos y su estudio es muy relevante. Esto es así no sólo por la manera en que han podido llegar a formarse y crecer, sino que su existencia misma puede llegar a condicionar la naturaleza y la evolución de las galaxias en que se encuentran, incluso de grupos de galaxias y de cúmulos enteros, a escalas enormes. Tal es la capacidad inimaginable de estos objetos monstruosos para transformar su atracción gravitatoria en la emisión de energía tanto luminosa, en rangos muy energéticos como los rayos X, como mecánica, produciendo la emisión de vientos de partículas capaces de moverse casi a la velocidad de la luz y de llegar a distancias superiores a las que separan unas galaxias de otras.
Nuestra galaxia, la Vía Láctea, posee en su centro uno de estos agujeros negros supermasivos, con una masa de alrededor de cuatro millones de veces la del Sol, pero no produce esta clase de mecanismos muy energéticos capaces de alterar la galaxia entera y su entorno. Aunque su masa sea muy superior a la de las estrellas individuales, su capacidad para liberar energía está muy lejos de otros agujeros negros supermasivos en los centros de cúmulos de galaxias más alejados. Esta es una circunstancia que probablemente ha contribuido a hacer de la posición del Sol en el disco de la galaxia, un lugar estable y apacible donde ha podido desarrollarse la vida.
En la línea de investigación que he ido desarrollando en los últimos años, estos objetos han tenido un papel protagonista, en tanto que los he estudiado como un mecanismo muy eficiente de ionización y calentamiento del gas en las galaxias, lo que me ha servido para, entre otras cosas, analizar su contenido químico. En esta compilación de artículos hay algunos basados en artículos científicos en los que he colaborado, como el que describe la nebulosa "Taza de té", enriquecida químicamente gracias a los supervientos provenientes del núcleo activo de la galaxia que rodea. También hay uno dedicado a las galaxias ultraluminosas en el infrarrojo, que describe cómo las galaxias se pueden fusionar, propiciando que se creen más estrellas, pero seguramente causando también que los agujeros negros centrales se fusionen, haciendo que se creen otros cada vez más grandes. También hemos trabajado con la emisión en el infrarrojo de núcleos activos de galaxias, llegando a la conclusión de que la actividad del núcleo parece que tiene dos modos: uno en el que el disco de materia que rota alrededor del agujero negro antes de caer lo hace más fluidamente, y otro en que parece más atascado, lo que hace que sea menos luminoso, pero también con un espectro más duro y en el que los electrones crean flujos de un campo magnético muy intenso que da lugar a chorros relativistas. No obstante, no hemos analizado qué consecuencias puede tener todo esto a escalas mucho mayores de las que abarca el entorno próximo al agujero negro supermasivo.
Por tanto, fijemos nuestra atención en algunos de estos gigantes capaces de alterar la naturaleza de cúmulos enteros de galaxias, como es el caso de Perseo A. El nombre resulta engañoso, pues podría parecer una simple estrella de la constelación de Perseo, que en la mitología iba montado a lomos del caballo alado Pegaso, agarrando la cabeza de Medusa, a punto de rescatar a la princesa Andrómeda. En realidad, las constelaciones no son sino porciones en que dividimos el cielo para poder encontrar objetos de la más diversa índole y distancia en una dirección concreta. En esta constelación precisa, esto incluye, por ejemplo, la famosa lluvia de estrellas fugaces que se produce a mediados de agosto, las perseidas o lágrimas de San Lorenzo, pero también a Perseo A, así llamado por ser la fuente de ondas de radio más brillante de toda la constelación. Al fin y al cabo, las constelaciones no son sino meras ventanas a través de las cuales podemos ver cosas muy diferentes a distancias muy variadas, independientemente del asterismo y la mitología que presentan, pero influyendo en los nombres que damos a los objetos que vemos a través de ellas.
Por si fuera poco para aumentar la confusión, Perseo A se sitúa en el centro de un cúmulo de galaxias, llamado, ¿cómo no?, cúmulo de Perseo, una vez más solo motivado el nombre por su situación relativa en el cielo, teniendo poco o nada que ver con nuestro héroe mítico. Sin embargo, por evitar equívocos mayores, el cúmulo de Perseo también recibe otro nombre de catálogo, que es Abell 426, en este caso, el objeto número 426 del catálogo de cúmulos de galaxias del astrónomo George Abell.
Este cúmulo de galaxias es uno de los más masivos y mejor estudiados del universo cercano. Está a unos 240 millones de años luz y contiene miles de galaxias, aunque las galaxias no son lo único importante. Lo que domina la física del cúmulo es el gas caliente intracumular, un gas que separa unas galaxias de otras dentro del cúmulo y que se encuentra a temperaturas de decenas de millones de grados, emitiendo por tanto intensamente en rayos X. Como decíamos, en el centro de este cúmulo se encuentra la galaxia Perseo A, también conocida como NGC 1275. Y en su núcleo reside un agujero negro supermasivo, con una masa de miles de millones de veces la masa del Sol, lo que hace palidecer, nunca mejor dicho, al que gobierna el centro de nuestra propia galaxia y que, a diferencia de este, es cualquier cosa menos pasivo.
La potente emisión en forma de ondas de radio del agujero negro de Perseo A le ha llevado también a ser catalogado como 3C 84, es decir, la fuente número 84 del tercer catálogo de radiofuentes de Cambridge. Esta emisión está causada por los chorros de partículas relativistas que lanza desde su centro y que son acelerados por intensos campos magnéticos generados alrededor del agujero negro, por lo que los chorros o jets se producen a pares, en sentido contrario entre sí y perpendiculares a su plano de rotación. Los chorros transportan energía a distancias enormes, colisionando con el gas caliente que rodea la galaxia, lo que origina ondas de presión y cavidades en el gas. Es decir, el agujero negro actúa como un termostato cósmico porque impide que el gas se enfríe y forme nuevas estrellas, en un equilibrio algo delicado y dinámico, aunque esta acción se produce sobre todo por los chorros relativistas, más que por el poder gravitacional del agujero negro. El agujero es como una especie de "Estrella de la Muerte", lanzando energía de gran poder que afecta a todo su entorno.
Sin embargo, este sistema guarda una sorpresa que es una muestra de ese equilibrio tan delicado de fuerzas. Alrededor de esta galaxia se ha podido comprobar que también hay filamentos de gas muy frío, a temperaturas solo 10 grados por encima del cero absoluto, en coexistencia con el gas intracumular muy caliente a millones de grados. Estos filamentos de gas frío tienen estructuras muy complejas que se extienden hasta distancias muy alejadas de la galaxia, sostenidos posiblemente por campos magnéticos que tienen su origen también en el agujero negro. Es curioso cómo el mismo objeto puede producir dos fases tan distintas, una de gas muy frío y otra de gas extremadamente caliente, alrededor de la misma galaxia, sin que se tenga muy claro todavía qué mecanismos físicos permiten que esto suceda.
Pero todo esto está lejos de suceder en todos los cúmulos de galaxias y a causa de todo tipo de agujeros negros supermasivos que condicionan todo su entorno. Si Perseo es un sistema dinámico y energético, el cúmulo de Centaurus (Abell 3526) representa un caso distinto. Está más cerca, a unos 150 millones de años luz, y su galaxia central es NGC 4696. Esta galaxia posee también un núcleo activo a causa de la presencia de un agujero negro supermasivo. Este núcleo también origina cavidades en el gas intracumular por la emisión de chorros relativistas, aunque no origina estructuras y filamentos tan complejos como en el caso del cúmulo de Perseo.
Como consecuencia de este impacto menor, el cúmulo de galaxias ha sido mucho más eficiente formando estrellas a partir del gas algo más frío y eso se nota en la presencia de muchos elementos químicos pesados que han sido probablemente creados en el interior de las estrellas y posteriormente lanzados al medio interestelar e intergaláctico una vez que las estrellas más masivas explotan como supernovas. Esto convierte al cúmulo en una especie de “archivo fósil” de la historia de formación estelar y enriquecimiento químico de su galaxia central. Comparado con Perseo, donde la dinámica mezcla más el gas, Centaurus ofrece una visión más “estratificada” del medio intracumular. Y la diferencia radical la supone la actividad del agujero negro. Aunque en el cúmulo de Centaurus también haya uno, su potencia es claramente menor y la liberación de energía al medio circundante, aunque de nuevo mucho mayor que en el caso de nuestra propia galaxia, no ha cortado de raíz la formación estelar de las galaxias de su entorno.
Y es que la menor emisión en forma de ondas de radio de este cúmulo se aprecia en otro detalle. Seguro que los lectores más avispados, si han llegado hasta aquí, habrán notado que otra diferencia entre los cúmulos de galaxias de Perseo y Centaurus es la denominación de su correspondiente fuente central de radiación. Si en Perseo, al agujero negro central se le denomina como Perseo A, es decir, la fuente de ondas de radio más brillante de la constelación de Perseo, este no es el caso de la galaxia central del cúmulo de Centaurus, en la constelación del mismo nombre. Y es que Centaurus A no pertenece al cúmulo de Centaurus. De hecho, este nombre le corresponde por derecho propio a otra fuente de ondas de radio más brillante en esta constelación y que viene de un objeto distinto que está mucho más cerca de nosotros, a unos 12 millones de años luz.
Centaurus A forma parte en realidad de un grupo de galaxias, mucho menos masivo que un cúmulo, dinámicamente más simple y sin gas caliente intracumular. La fuente de radio forma parte del núcleo de la galaxia central de este grupo. Esta galaxia tiene una estructura elíptica, con una banda de polvo, probablemente consecuencia de una fusión previa entre otras dos galaxias más pequeñas. A pesar de su tamaño más modesto, la emisión en forma de ondas de radio tiene el mismo origen físico que en el caso de Perseo A: un agujero negro central con una masa de unos 50 millones de masas solares que está activo, produciendo chorros de partículas relativistas que se extienden a escalas enormes que emiten ondas de radio muy brillantes. No obstante, en este caso, lo que hace que esta galaxia sea más brillante para nosotros que la galaxia central del cúmulo de Centaurus es su mayor cercanía a nosotros, y no que el agujero negro que produce esta emisión sea más grande o activo.
De todas formas, es interesante ver también el efecto que tienen los chorros relativistas de Centaurus A sobre su entorno, porque aquí es completamente distinto, afectando solo a la galaxia, pero no al grupo entero.
Esto es importante: la escala cambia la física. Si comparamos los tres sistemas, veremos que en Perseo el agujero negro regula un cúmulo de galaxias entero; en Centaurus lo hace también sobre otras galaxias, pero de forma más suave y localizada; y, finalmente, en Centaurus A actúa solo a escala galáctica. Esto nos permite entender cómo el mismo fenómeno —la actividad de un agujero negro— se adapta al entorno y esto depende básicamente de dos factores: el primero la propia naturaleza del entorno, que está lleno de gas muy caliente intracumular en el caso de los cúmulos de galaxias más masivos y, en segundo lugar, la propia actividad del agujero negro, algo que depende de su propia masa, la del disco de materia que rota a su alrededor y crea el flujo de radiación y del campo magnético, así como de las fases de actividad que ponen en marcha el chorro y regulan su intensidad. El tamaño del agujero negro es algo que en realidad también está condicionado por el entorno, ya que los más grandes se encuentran en cúmulos de galaxias más grandes, donde la sucesiva fusión entre galaxias y canibalismo, así como la constante acreción de gas, es lo que hace que el agujero negro no pare de crecer. En cambio, en grupos más modestos, como aquel en que se encuentra Centaurus A, el agujero negro no ha tenido ocasión de aumentar tanto su tamaño. En el caso de nuestra galaxia, su tamaño es aún menor, ya que los procesos de fusiones que han hecho crecer nuestra galaxia son mucho menos intensos y frecuentes.
Por tanto, en nuestro pequeño y apartado Sistema Solar podemos estar tranquilos por ahora ante la potencial amenaza de ser pulverizados por un rayo de la muerte lanzado desde cientos de miles de años luz de distancia gracias a la increíble energía desarrollada por un agujero negro supermasivo. Al mismo tiempo, podemos reflexionar sobre las inmejorables condiciones de estabilidad que han hecho de nuestro pequeño rincón del Universo un lugar apropiado para que se desarrolle la vida y nosotros estemos aquí presentes para darnos cuenta de ello. A pesar de lo tremendamente extenso del Universo, los lugares más poblados de galaxias y estrellas son muchas veces los lugares menos apropiados para que eso se hubiera podido dar ahí. En cualquier caso, sigue siendo tan impresionantemente grande que tampoco faltarán esos otros rincones como el nuestro donde todo es posible.
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Escucha la sección de radio “Explorando el Universo a ciegas”, del programa Buena Gente de Radio Diversiones sobre agujeros negros.