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Aumentan las Evidencias de que los Agujeros Negros Forman Galaxias

Imagen de ESA, European Space Agency.

Por Dr. Inés Urdaneta / Físico de Resonance Science Foundation

En sólo una semana, dos estudios muy importantes han arrojado luz sobre el hecho, ya irrevocable, de que los agujeros negros en el centro de las galaxias desempeñan un papel predominante en la formación de las mismas, hecho que explicaría que los astrónomos y astrofísicos hayan encontrado un agujero negro en el centro de prácticamente todas las galaxias.

En un anterior artículo de RSF titulado "Agujeros negros supermasivos que dan a luz estrellas a un ritmo vertiginoso” habíamos abordado el caso en el que los astrónomos han observado agujeros negros supermasivos creando regiones de formación estelar. Desde 2017 un equipo de astrofísicos ha estado observando agujeros negros supermasivos, y la posibilidad de que estas entidades puedan estar pariendo estrellas, encontrando evidencias del nacimiento de nuevas estrellas a partir del material que es expulsado del agujero negro, llamado flujo de salida. Un flujo de gas podría ser responsable de la creación de nuevas estrellas al girar alrededor del centro del agujero negro, en algo llamado disco de acreción. La posibilidad de que la formación de estrellas se produzca en el disco de acreción del agujero negro fue respaldada por las observaciones.

La astrofísica actual considera las principales características de un agujero negro, incluido su disco de acreción, como se representa a continuación:

Las evidencias del rol de los agujeros negros en la formación de las galaxias siguen aumentando.

Abordemos en primer lugar el descubrimiento realizado por Zachary Schutte, de la Universidad Estatal de Montana, y sus colegas, al observar el agujero negro de una galaxia enana llamada Henize 2-10 que arrojaba una cresta de gas ionizado de unos 500 años luz de longitud, que se extendía desde el centro galáctico hasta una nube de gas en el borde de la galaxia donde se estaban formando estrellas, como se muestra en la imagen siguiente.

Imagen óptica del HST de la galaxia enana con estallido de estrellas Henize 2-10. Tomada del artículo original.

Las galaxias enanas son interesantes temas de estudio porque presumiblemente son muy similares a las galaxias formadas en el universo primitivo, conteniendo mil millones de estrellas o menos, y teniendo en su centro un agujero negro o una supernova. La mayoría de las veces es difícil distinguir entre una u otra, porque su señal es demasiado tenue. Utilizando el telescopio espacial Hubble para observar y realizar espectroscopia en esta galaxia enana (que se encuentra a unos 34 millones de años luz de la Tierra, en la constelación de Pyxis), Schutte y su equipo desarrollaron una metodología de resolución mucho mayor para Hen 2-10, que les permitió confirmar que se trata de un agujero negro.  Los autores de este estudio concluyen que este flujo de salida del agujero negro desencadenó la formación estelar de la galaxia, y sus hallazgos se publicaron en Nature.

Como explican los autores de este estudio, la mayoría de los flujos de salida impulsados por agujeros negros en galaxias enanas se han encontrado en galaxias con núcleos bien definidos y Núcleos Galácticos Activos (AGN) seleccionados ópticamente con tasas de acreción relativamente altas, lo que sugiere que los AGN desempeñan un papel en el calentamiento y la expulsión de gas en las galaxias y en el impedimento de la formación estelar, fenómeno denominado retroalimentación negativa.

"Esto contrasta fuertemente con Henize 2-10, que tiene una morfología central irregular, está formando estrellas intensamente y experimenta una retroalimentación positiva de un agujero negro de débil acreción que es luminoso en longitudes de onda de radio, más que ópticas". Artículo original

El misterio sobre por qué existen las galaxias -que son un conjunto de estrellas aglomeradas en forma de espiral, elíptica u otras geometrías encontradas en el cosmos- y cómo se forman, tuvo una segunda elucidación. Dado que la mayoría de las galaxias han demostrado contener agujeros negros masivos en sus centros, la idea de que los agujeros negros actúan como semillas para que las galaxias se formen alrededor, está ganando cada vez más impulso. El principal obstáculo para esta hipótesis, era la falta de pruebas que demostraran que algo debía impedir que las estrellas cayeran en los agujeros negros mientras se formaban.

Stephen Adler, de la Universidad de Princeton (Nueva Jersey), ha desarrollado una nueva teoría basada en una interacción entre los agujeros negros y la energía oscura que proporciona un mecanismo que podría explicar cómo un agujero negro central puede catalizar la formación de estrellas. Esta interacción con la energía oscura haría que los agujeros negros filtraran materia creando un viento de partículas que se aleja. 

“Cuando este viento colisiona con la materia en inflexión, el impulso se anula dejando los productos de la colisión a cierta distancia del agujero negro. Esta materia es la que forma las estrellas.” - Stephen Adler

Como señala Adler, el escenario en el que un agujero negro con fugas catalizaría la formación de galaxias, es el siguiente: primero, una acreción de partículas de polvo conduce a la formación de un agujero negro que sigue creciendo a medida que se acrecienta más polvo y material estelar. A continuación, las colisiones de las partículas de viento relativistas procedentes del agujero negro con las partículas de polvo que caen, nuclean la formación de estrellas; a medida que el agujero negro crece en tamaño, una galaxia de estrellas crece junto con él.

Dado que Adler se ha centrado en el caso esféricamente simétrico (es decir, agujeros negros que no giran), en el caso de agujeros negros que giran, entonces se esperaría que la relación entre el momento angular y la masa del agujero influyera en la geometría de la galaxia que se crea, lo que exige el uso de una métrica más complicada, la métrica de Kerr. 

Una ilustración muestra una galaxia lejana con un cuásar activo en su centro. Un equipo del Observatorio Steward de la Universidad de Arizona ha descubierto recientemente el cuásar más antiguo y distante conocido por la ciencia. Cortesía de la NASA, la ESA y J. Olmsted (STScI).

Adler explica en su preimpresión (enviada para su publicación en diciembre de 2021), que hay que realizar varios cálculos detallados para corroborar su mecanismo propuesto, como:

  • Resolver la estructura interior del agujero negro tipo Schwarzschild, para comprobar la hipótesis de que la velocidad de los vientos emergentes es muy cercana a la de la luz cuando se incluye la materia que compone su masa en las ecuaciones gravitacionales modificadas.
  • Estudiar la dinámica de los flujos estelares opuestos en presencia de un gradiente gravitatorio, para ver si el mecanismo propuesto "sortea el problema del momento angular excesivo en las imágenes convencionales de la formación estelar", y
  • Estudiar las estadísticas al combinar los movimientos transversales de las partículas que colapsan para formar una sola estrella, para ver si las estrellas formadas tienen suficiente momento angular para orbitar el agujero negro central.

Además, y como se explica en este artículo de divulgación de The Physics arXiv Blog, si los agujeros negros emiten un "viento" de la forma que propone Adler, los astrónomos podrían ver pruebas de ello, quizás en nuestra propia galaxia que tiene un agujero negro supermasivo en su centro, Sagitario A*. Además, el proceso de formación estelar cerca de los agujeros negros también debería ser visible, sobre todo en las primeras generaciones de estrellas del universo primitivo.

Afortunadamente, esta época temprana es ahora visible para los astrónomos que utilizan el telescopio espacial James Webb, que fue lanzado con éxito a principios de mayo y acaba de llegar hoy a su destino final, para comenzar las observaciones en los próximos meses. 

Para leer más sobre la relevancia del telescopio James Webb, recomendamos estos artículos de Natalie Wolchover, para quanta Magazine, y de Ethan Siegel, para BigThink.

La comprensión de cómo estas galaxias enanas forman estrellas, y el papel de su agujero negro central en este proceso, puede guiarnos en la evolución de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.   

RSF en Perspectiva:

La teoría de Adler se centra en los agujeros negros no giratorios, que son más sencillos de resolver teóricamente. Curiosamente, necesitó emplear un flujo de partículas entrantes para encontrar la solución que propone para los agujeros negros estacionarios. 

La teoría de Nassim Haramein ha predicho que la producción de materia y la formación de estrellas son el resultado de la dinámica de espín en la estructura del vacío cerca de los horizontes de los agujeros negros. La dinámica de espín es el resultado de la inclusión de las fuerzas de torsión y de Coriolis en las ecuaciones de campo de Einstein y de la solución de Kerr-Newman -denominada solución de Haramein-Rauscher, que describe las estructuras dinámicas de rotación de galaxias, novas, supernovas y otras estructuras astrofísicas como impulsadas por un par de torsión del espaciotiempo, que también es responsable de la formación observada de las galaxias espirales. El modelo es coherente con las estructuras galácticas que tienen un agujero negro supermasivo en sus centros, así como con los chorros polares, los discos de acreción, los brazos espirales y las formaciones del halo galáctico. Por lo tanto, todo en el universo está girando, y no existen los agujeros negros estacionarios. Además, la importancia de distinguir entre un agujero negro y una supernova no sería un problema, porque una supernova tendría un agujero negro en su núcleo, así que en ambos casos estaríamos hablando de un agujero negro; un agujero negro en rotación.

Un agujero negro en rotación puede producir este tipo de "viento" a través del mecanismo de la solución de Haramein-Rauscher, que aborda la cuestión también planteada por el momento angular que deben adquirir las estrellas para acabar en órbita alrededor de un agujero negro. Se presentará un estudio más completo con el próximo artículo de Haramein "Scale invariant unification of forces, fields and particles in a quantum vacuum plasma" (Invarianza bajo escalas en la unificación de fuerzas, campos y partículas en el plasma del vacío cuántico) que se publicará próximamente.

Se puede encontrar una explicación muy completa sobre este tema en el siguiente artículo de RSF de la Dra. Amira Val Baker y William Brown: La Astrofisica se pone de Cabeza, los Agujeros Negros vienen Primero, que aborda la comparación entre el modelo cosmológico convencional de formación de galaxias, estrellas y agujeros negros, y el modelo desarrollado por Haramein. El modelo convencional afirma que los agujeros negros se forman a partir del colapso del núcleo de estrellas masivas de más de 20 masas solares; una vez que una estrella masiva ha alcanzado su límite de fusión termonuclear continuada -que incluso para las estrellas más masivas se detiene en el elemento hierro- entonces ya no hay suficiente energía que irradie hacia el exterior para contrarrestar la fuerza gravitatoria interior de la estrella, por lo que ésta sufre un colapso gravitatorio formando un remanente estelar en forma de enana blanca, estrella de neutrones o agujero negro, como se representa a continuación.

Fuente de la imagen: Astrophysics Gets Turned On Its Head, Black Holes Come First.

Quizá el problema más inquietante de esta perspectiva sea la reciente observación de agujeros negros supermasivos que residen en el borde del universo visible y, por tanto, son algunas de las estructuras más antiguas del universo.

 

Si los agujeros negros se forman a partir del colapso estelar, ¿cómo es posible que los agujeros negros supermasivos estén presentes cuando las primeras estrellas estaban empezando a formarse?

 

El modelo de Haramein da una respuesta sencilla: los agujeros negros se forman primero, durante las primeras épocas del universo, cuando las densidades de energía eran extremadamente grandes, y luego actúan como centros nucleadores que guían la formación de estrellas y galaxias, como se ve en la imagen de abajo.

imagen: Astrophysics Gets Turned On Its Head, Black Holes Come First.

Como explican Val Baker y Brown, inmediatamente después del llamado Big Bang, las densidades de energía son tan grandes que cabe esperar que se produzcan agujeros negros en grandes cantidades. Y los cálculos muestran que el tamaño del agujero negro está determinado por la evolución temporal que sigue al Big Bang, es decir, que en las primeras etapas podrían haberse formado agujeros negros más pequeños que una masa estelar, conocidos como agujeros negros primordiales (PBH). Por lo tanto, en un tiempo Planck después del Big Bang (que es ~10-43 s), se formarían agujeros negros de masa Planck (~10-5g) (véase Bernard Carr, Quantum Black holes as the Link Between Microphysics and Macrophysics, 2017).

"Haramein ha utilizado estos agujeros negros del tamaño de Planck, denominados osciladores esféricos de Planck en su artículo Quantum Gravity and the Holographic Mass (La Gravedd cuántica y la Masa Holográfica), para calcular la masa exacta de los objetos, desde las partículas elementales hasta las estrellas y los agujeros negros astronómicos, utilizando los cuantos del espaciotiempo y descubriendo una solución gravitacional cuántica invariable a escala." -Val Baker & Brown.   

De todo lo anterior se desprende que las estrellas que se forman en el horizonte de un agujero negro son también agujeros negros, ya que es la dinámica de una singularidad situada en esa región del espacio donde convergen las corrientes de partículas; convergen en esa región precisamente porque hay una singularidad en ese lugar, que empieza a irradiar cuando se ha acumulado suficiente masa-energía.  En el marco de Haramein, esto se llama agujero blanco. Por lo tanto, los agujeros blancos son la parte de la dinámica de giro del espacio que irradia energía, mientras que al otro lado del horizonte de sucesos se encuentra un agujero negro.

Los nuevos descubrimientos presentados en este artículo apoyan el mecanismo propuesto por la teoría holográfica de Haramein. ¡El conocimiento principal sobre los agujeros negros está evolucionando y acercándose a la perspectiva de Nassim Haramein!

Más información en:

https://www.discovermagazine.com/the-sciences/black-hole-theory-finally-explains-how-galaxies-form

https://www.nytimes.com/2022/01/24/science/james-webb-telescope-arrival.html?smtyp=cur&smid=fb-nytimes

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