Colapso de cúmulos estelares: la evidencia sobre el origen de los agujeros negros supermasivos descubierta por un astrónomo chileno

Por Valentina Benito.

El astrónomo de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, Andrés Escala publicó la investigación que postula la primera evidencia que sostiene la hipótesis de que el origen de los agujeros negros supermasivos se produjo a partir del colapso de cúmulos de estrellas.

La investigación titulada Observational Support for Massive Black Hole Formation Driven by Runaway Stellar Collisions in Galactic Nuclei fue publicada en The Astrophysical Journal.

En declaraciones a El Ciudadano, el investigador del Centro de Excelencia en Astrofísica (CATA) ofreció los detalles sobre su importante descubrimientoque revoluciona el mundo científico.

¿Qué son los agujeros negros?

Andrés Escala explicó que se trata de objetos «extremadamente simples» del universo, los cuales quedan completamente definidos con su masa, carga y spin (rotación).

«La característica de ellos es que son tan densos que hay un radio característico llamado horizonte de eventos, donde ya ni siquiera la luz puede escapar de ahí. Según esta misma teoría de Einstein de la relatividad general, la luz es lo que se mueve más rápido en el universo. Entonces, si no puede escapar ni siquiera la luz, no puede escapar nada básicamente«, indicó.

En cuanto a los agujeros negros supermasivos, estos cumplen con la característica de que su masa llega a ser entre 1 millon y 1000 millones de veces la del sol. De ellos, existe uno por galaxia y en su centro.

«Pueden tener tanta masa como las galaxias pequeñas, como la Nube Pequeña de Magallanes, por ejemplo», señaló.

Se trata de objetos con estudios de larga data, y de los que recientemente se han tenido certezas.

«Los supermasivos aparecieron en la década de los sesenta, y se fue acumulando evidencia hasta que se llegó a la certeza hace un par de años, cuando hablaron de la imagen de un agujero negro. Entre tener evidencia y certeza en términos científicos, pueden pasar 60 años», puntualizó el científico.

El origen de los supermasivos

Así como han transcurrido décadas para tener la certeza de la existencia de estos objetos, también durante años han surgido diferentes posibilidades sobre el origen de los supermasivos, previas a ésta que postula el colapso de un cúmulo estelar.

«Desde hace unos 40 años, un famoso astrofísico inglés llamado Martin Rees, vio todas las posibilidades. La gente se quejaba un poco de que eran sin cálculos matemáticos muy sólidos, pero sí planteaba todas las cosas que podían pasar, y se le llama el diagrama de Rees, que llegar a tener diez posibilidades distintas», explicó Escala.

Algunas de estas posibilidades son, por ejemplo, la del agujero negro que crece hasta llegar a ser un supermasivo, que de acuerdo con el investigador del CATA fue bastante popular en un tiempo.

No obstante, después se estudio la hipótesis que afirmaba que los agujeros negros que están hacia el comienzo del universo, son de los más grandes, por lo que no hay tiempo suficiente para que uno pequeño derive en uno supermasivo.

Asimismo, se plantearon los choques entre agujeros negros, en lo cual también trabajó Escala, quien explicó que finalmente estos no pueden llegar a crecer mucho a partir de ello, ya que parte de su masa se va en ondas gravitacionales.

Por otro lado, está la posibilidad que postula que las protogalaxias no forman estrellas, sino que la nube colapsa en un agujero negro. Al respecto, el astrónomo señaló que «hay condiciones físicas» para que ocurra, pero que no ha quedado claro que eso llegue a pasar realmente en el universo.

Otra consiste en los choques de cúmulos, la cual tenía el problema de que no había mucha evidencia, y que las simulaciones sustentaron la formación agujeros pequeños en el centro de estos.

A raíz de esto último, Escala planteó «empujar» estas condiciones a un escenario en el que todo el cúmulo se vuelve inestable.

La idea para esta investigación la tuvo hace casi cinco años, en 2016, y el contexto de la pandemia le dio el tiempo para concretarla finalmente, puesto que había tenido otras actividades, como la dirección del Observatorio Nacional Cerro Calán e investigaciones en otras áreas, como la biología y ecología.

La investigación postula que estos agujeros se forman a partir de cúmulos estelares fallidos en los centros galácticos.

Respecto a ello, Escala indicó que los cúmulos son «agrupaciones de estrellas que van girando una en torno a la otra«, pero que de compactificarse mucho, llega un momento en que éstas tienen que chocar.

«Es un efecto muy inestable, porque lo que soporta este cúmulo contra su gravedad es el movimiento de las estrellas, y éstas al chocar cancelan su movimiento. Es como cuando chocan dos autos, queda en cero, queda en reposo», explicó el astrofísico.

En un sistema gravitacional, al perder este soporte que implica el movimiento, las estrellas «caen hacia el centro por la gravedad«.

Escala destacó que se sabe desde hace mucho que los cúmulos son inestables en su centro y que podrían formar un agujero pequeño en comparación a un supermasivo.

Por ello, la investigación evidencia que los choques entre estrellas se darían en todo el cúmulo, haciéndolo colapsar en su totalidad, dando origen a lo que conocemos como agujeros negros supermasivos.

«Entonces lo que se demuestra en este trabajo es que los cúmulos estelares que están en los centros de las galaxias, están como al borde del precipicio, están muy cerca de caer en este régimen donde los choques entre estrellas son muy eficientes y colapsan«, subrayó.

Los próximos pasos a seguir

Escala informó a El Ciudadano que el próximo paso para continuar respaldando esta evidencia consiste en hacer cálculos detallados a partir de ondas gravitacionales, las cuales emiten los cúmulos cuando sus estrellas chocan y colapsan.

«Yo tuve que citar simulaciones de hace 30 años. Muy poca gente trabaja en este caso más extremo. Para ya encontrar repuestas definitivas, eso ya sería detectar ondas gravitacionales. Eso se podría detectar en 10 años más«, señaló.

Se estima que lo anterior podría llevarse a cabo en 2030, cuando se lance el Observatorio LISA (Laser Interferometer Space Antenna), proyecto de la Agencia Nacional Europea (ESA) y la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA), el cual consiste en tres satélites conectados por rayos láser, y cuyo tamaño en conjunto supera al de la tierra, siendo el primer instrumento de invención humana con dichas dimensiones

Escala destacó que la importancia de estudiar los agujeros negros y sus orígenes, radica en que estos son una de las «grandes preguntas abiertas de la astronomía y del universo«, y la formación de supermasivos corresponde «sin duda» al problema más abierto.

«No sabemos todo, pero tenemos una idea más o menos, de cómo se forman las estrellas. Tenemos una idea más menos de cómo se forman las galaxias, ahí hay un par de certezas más. También tenemos una idea de cómo se forman los planetas. En agujeros negros esto es un pasito para ya tener una idea más concreta de cómo se forman«, puntualizó el científico chileno.