Por tercera vez en la historia, hemos descubierto directamente la firma innegable de los agujeros negros: ondas gravitacionales de su fusión. Combinado con lo que ya sabemos sobre las órbitas estelares cercanas al centro galáctico, las observaciones de rayos X y radio de otras galaxias, las mediciones de la velocidad del movimiento del gas, es imposible negar la existencia de agujeros negros. Pero, ¿tendremos suficiente información, de estas y otras fuentes, para decirnos cuántos agujeros negros hay en el universo y cómo se distribuyen?
De hecho, ¿cuántos agujeros negros hay en el Universo en comparación con las estrellas visibles?
Lo primero que le gustaría hacer es pasar a la observación directa. Y este es un gran comienzo.
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Mapa de exposición de 7 millones de segundos de Chandra Deep Field-South. Hay cientos de agujeros negros supermasivos en esta región.
Nuestro mejor telescopio de rayos X hasta la fecha es el Observatorio de rayos X Chandra. Desde su posición en la órbita de la Tierra, puede identificar incluso fotones individuales de fuentes de rayos X distantes. Al crear imágenes profundas de porciones significativas del cielo, puede identificar literalmente cientos de fuentes de rayos X, cada una de las cuales corresponde a una galaxia distante más allá de la nuestra. Según el espectro de energía de los fotones recibidos, podemos ver agujeros negros supermasivos en el centro de cada galaxia.
Pero por increíble que sea este descubrimiento, hay muchos más agujeros negros en el mundo que uno por galaxia. Por supuesto, en cada galaxia, en promedio, hay al menos millones o miles de millones de masas solares, pero no vemos todo.
Las masas de sistemas binarios de agujeros negros conocidos, incluidas tres fusiones verificadas y un candidato a fusión de LIGO
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LIGO anunció recientemente su tercera detección directa de una poderosa señal gravitacional de una fusión de agujeros negros binarios, lo que confirma la prevalencia de tales sistemas en todo el universo. Todavía no tenemos suficientes estadísticas para obtener una estimación numérica porque el umbral de error es demasiado alto. Pero si tomamos como base el umbral actual de LIGO y el hecho de que encuentra una señal cada dos meses (en promedio), podemos decir con seguridad que en cada galaxia del tamaño de la Vía Láctea que podemos sondear, hay al menos una docena de tales sistemas.
Gama LIGO avanzada y su capacidad para detectar la fusión de agujeros negros
Además, nuestros datos de rayos X muestran que hay muchos agujeros negros binarios con menor masa; quizás considerablemente más que los masivos que LIGO puede encontrar. Y esto ni siquiera teniendo en cuenta los datos que indican la existencia de agujeros negros, que no están incluidos en los sistemas binarios rígidos, y debe haber una mayoría de ellos. Si nuestra galaxia tiene docenas de agujeros negros de masa media y alta (10-100 masas solares), debería haber cientos (3-15 masas solares) de agujeros negros binarios y miles de agujeros negros aislados (no binarios) de masa estelar.
El énfasis aquí está en "al menos".
Porque los agujeros negros son muy difíciles de encontrar. Hasta ahora, solo podemos ver los más activos, los más masivos y los más destacados. Los agujeros negros que forman espirales y se fusionan son geniales, pero tales configuraciones deberían ser cosmológicamente raras. Los que Chandra ha visto son los más masivos, activos y todo, pero la mayoría de los agujeros negros no son monstruos en millones, miles de millones de masas solares, y la mayoría de los grandes agujeros negros están actualmente inactivos. Observamos solo una pequeña fracción de agujeros negros, y esto vale la pena comprenderlo, a pesar de toda la magnificencia de lo observado.
Lo que percibimos como un estallido de radiación gamma puede ocurrir por la fusión de estrellas de neutrones, que expulsan materia al universo y crean los elementos más pesados conocidos, pero también crean un agujero negro al final.
Y, sin embargo, tenemos una forma de obtener una estimación cualitativa del número y la distribución de los agujeros negros: sabemos cómo se forman. Sabemos cómo hacerlos a partir de estrellas jóvenes y masivas que se convierten en supernovas, de estrellas de neutrones que se fusionan y en proceso de colapso directo. Y aunque las firmas ópticas de la creación de un agujero negro son extremadamente ambiguas, hemos visto suficientes estrellas, sus muertes, eventos catastróficos y formación estelar en toda la historia del Universo para poder encontrar exactamente los números que estamos buscando.
Los restos de una supernova nacida de una estrella masiva dejan un objeto que colapsa: un agujero negro o una estrella de neutrones, a partir del cual se puede formar posteriormente un agujero negro bajo ciertas condiciones.
Estas tres formas de crear agujeros negros tienen sus raíces, si las sigue, a regiones masivas de formación estelar. Para obtener:
- Supernova, necesitas una estrella que tenga entre 8 y 10 veces la masa del Sol. Las estrellas de más de 20 a 40 masas solares le darán un agujero negro; estrellas más pequeñas: una estrella de neutrones.
- Una estrella de neutrones que se fusiona en un agujero negro necesita dos estrellas de neutrones que bailan en espirales o chocan, o una estrella de neutrones que succiona la masa de la estrella compañera hasta cierto límite (alrededor de 2,5-3 masas solares) para convertirse en un agujero negro.
- Colapso directo de un agujero negro, se necesita suficiente material en un solo lugar para formar una estrella 25 veces más masiva que el Sol, y ciertas condiciones para obtener con precisión un agujero negro (no una supernova).
Las fotografías del Hubble muestran una estrella masiva 25 veces más masiva que el Sol, que simplemente desapareció sin supernova u otra explicación. El colapso directo será la única explicación posible
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En nuestra vecindad, podemos medir, de todas las estrellas que se están formando, cuántas de ellas tienen la masa correcta para convertirse potencialmente en un agujero negro. Encontramos que solo el 0.1-0.2% de todas las estrellas cercanas tienen suficiente masa para convertirse en supernova, y la gran mayoría forma estrellas de neutrones. Aproximadamente la mitad de los sistemas que forman sistemas binarios (binarios), sin embargo, incluyen estrellas de masas comparables. En otras palabras, la mayoría de los 400 mil millones de estrellas que se han formado en nuestra galaxia nunca se convertirán en agujeros negros.
Un moderno sistema de clasificación espectral para sistemas Morgan-Keenan con el rango de temperatura de cada clase de estrella en Kelvin. La gran mayoría (75%) de las estrellas de hoy son estrellas de clase M, de las cuales solo 1 de cada 800 son lo suficientemente masivas para convertirse en supernovas.
Pero está bien, porque algunos de ellos lo harán. Más importante aún, muchos ya se han convertido, aunque en un pasado distante. Cuando se forman las estrellas, obtienes una distribución de masa: obtienes algunas estrellas masivas, ligeramente más grandes que las promedio, y muchas de poca masa. Tantas que las estrellas de clase M de baja masa (enanas rojas) con una masa de solo el 8-40% de la masa solar constituyen las tres cuartas partes de las estrellas en nuestra vecindad. Los nuevos cúmulos de estrellas no tendrán muchas estrellas masivas que puedan convertirse en supernovas. Pero en el pasado, las regiones de formación de estrellas eran mucho más grandes y ricas en masa que la Vía Láctea en la actualidad.
El vivero estelar más grande del grupo local, 30 Doradus en la Nebulosa Tarántula, contiene las estrellas más masivas conocidas por el hombre. Cientos de ellos (en los próximos millones de años) se convertirán en agujeros negros.
Por encima de 30 Doradus, la región de formación de estrellas más grande del grupo local, con una masa de 400.000 soles. Hay miles de estrellas calientes y muy azules en esta región, de las cuales cientos se convertirán en supernovas. El 10-30% de ellos se convertirán en agujeros negros y el resto se convertirán en estrellas de neutrones. Asumiendo que:
- hubo muchas regiones de este tipo en nuestra galaxia en el pasado;
- las regiones de formación de estrellas más grandes se concentran a lo largo de los brazos espirales y hacia el centro galáctico;
- donde vemos púlsares (los restos de estrellas de neutrones) y fuentes de rayos gamma hoy, habrá agujeros negros, - podemos hacer un mapa y mostrar en él dónde estarán los agujeros negros.
El satélite Fermi de la NASA ha mapeado las altas energías del universo en alta resolución. Es probable que los agujeros negros en una galaxia en un mapa sigan pequeñas eyecciones dispersas y sean resueltos por millones de fuentes separadas.
Este es el mapa de fuentes de rayos gamma en el cielo de Fermi. Es similar al mapa estelar de nuestra galaxia, excepto que resalta fuertemente el disco galáctico. Las fuentes más antiguas se han agotado en rayos gamma, por lo que son fuentes puntuales relativamente nuevas.
Comparado con este mapa, el mapa de agujeros negros será:
- más concentrado en el centro galáctico;
- un poco más borroso en ancho;
- incluye abultamiento galáctico;
- consta de 100 millones de objetos, más o menos el error.
Si crea un híbrido del mapa de Fermi (arriba) y el mapa de galaxias COBE (abajo), puede obtener una imagen cuantitativa de la ubicación de los agujeros negros en la galaxia.
Galaxia visible en infrarrojos desde COBE. Aunque este mapa muestra estrellas, los agujeros negros seguirán una distribución similar, aunque más comprimidos en el plano galáctico y más centralizados hacia el abultamiento.
Los agujeros negros son reales, comunes y la gran mayoría de ellos son extremadamente difíciles de detectar en la actualidad. El universo ha existido durante mucho tiempo, y aunque vemos una gran cantidad de estrellas, la mayoría de las estrellas más masivas (95% o más) han muerto hace mucho tiempo. ¿En qué se han convertido? Aproximadamente una cuarta parte de ellos se han convertido en agujeros negros, millones todavía se esconden.
Un agujero negro miles de millones de veces más masivo que el Sol alimenta un chorro de rayos X en el centro de M87, pero debe haber miles de millones de otros agujeros negros en esta galaxia. Su densidad se concentrará en el centro galáctico.
Las galaxias elípticas hacen girar los agujeros negros en un enjambre elíptico que gira alrededor del centro galáctico, al igual que las estrellas que vemos. Muchos agujeros negros eventualmente migran al pozo de gravedad en el centro de la galaxia, razón por la cual los agujeros negros supermasivos se vuelven supermasivos. Pero todavía no vemos el panorama completo. Y no veremos hasta que aprendamos a visualizar cualitativamente los agujeros negros.
En ausencia de visualización directa, la ciencia solo nos da esto y nos dice algo notable: por cada mil estrellas que vemos hoy, hay aproximadamente un agujero negro. No son malas estadísticas para objetos completamente invisibles, debes estar de acuerdo.
ILYA KHEL
