Nota del editor, 23 de septiembre de 2008: la revista Smithsonian describió a la astrofísica Andrea Ghez en abril de 2008. Hoy, Ghez fue uno de los 28 beneficiarios de una prestigiosa beca MacArthur, reconociendo sus contribuciones al estudio de los agujeros negros en la evolución de las galaxias.
De esta historia
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Los investigadores dirigidos por Andrea Ghez, astrofísica de la UCLA, utilizaron imágenes de telescopio tomadas de 1995 a 2006 para crear esta animación que muestra el movimiento de estrellas seleccionadas en el centro de la Vía Láctea. Las órbitas de estas estrellas, y los cálculos realizados utilizando las leyes de Keplers del movimiento planetario, proporcionan la mejor evidencia hasta ahora de la existencia de un agujero negro en el centro de la Vía Láctea. De particular interés son la estrella S0-2, que orbita el agujero negro una vez cada 15.56 años, y la estrella S0-16, que se encuentra dentro de 90 unidades astronómicas (la distancia de la tierra al sol) del agujero negro.
Video: Movimientos de la Vía Láctea
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En unos cuatro mil millones de años a partir de ahora, las galaxias de la Vía Láctea y Andrómeda se estrellarán juntas Visualización: NASA, ESA y F. Summers, crédito de simulación STScI: NASA, ESA, G. Besla, Universidad de Columbia, y R. van der Marel, STScI
Video: ¿Qué sucede cuando las galaxias colisionan?
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- Agujeros negros interiores
Desde la cumbre de Mauna Kea, a casi 14, 000 pies sobre el Océano Pacífico, la Vía Láctea se inclina luminosamente a través del cielo nocturno, una vista de borde de nuestra galaxia. Partes del gran disco están oscurecidas por el polvo, y más allá de una de esas manchas de polvo, cerca de la tetera de la constelación de Sagitario, se encuentra el centro de la Vía Láctea. Oculto hay una estructura profundamente misteriosa alrededor de la cual giran más de 200 mil millones de estrellas.
Detrás de mí, sobre las escarpadas rocas de este volcán inactivo en la isla de Hawai, se encuentran las cúpulas gemelas del Observatorio WM Keck. Cada domo alberga un telescopio con un espejo gigante de casi 33 pies de ancho y, como un ojo de mosca, hecho de segmentos entrelazados. Los espejos se encuentran entre los más grandes del mundo para recoger la luz de las estrellas, y uno de los telescopios ha sido equipado con una nueva herramienta deslumbrante que aumenta enormemente su potencia. Miro el elegante brazo espiral de la Vía Láctea más cercano mientras espero que los técnicos apaguen el interruptor.
Luego, de repente y con el leve clic de un obturador que se abre, un rayo láser de color naranja dorado se dispara hacia el cielo desde la cúpula abierta. El rayo de luz, de 18 pulgadas de ancho, parece terminar dentro de uno de los puntos más negros de la Vía Láctea. En realidad, termina a 55 millas sobre la superficie de la Tierra. La señal que hace allí permite que el telescopio compense el desenfoque de la atmósfera terrestre. En lugar de imágenes nerviosas manchadas por los ríos de aire en constante movimiento sobre nuestras cabezas, el telescopio produce imágenes tan claras como las obtenidas por los satélites en el espacio. Keck fue uno de los primeros observatorios en estar equipado con una guía láser; ahora media docena de otros están comenzando a usarlos. La tecnología proporciona a los astrónomos una vista nítida del núcleo de la galaxia, donde las estrellas están tan apretadas como un enjambre de mosquitos de verano y giran alrededor del lugar más oscuro de todos: un agujero negro gigante.
El agujero negro de la Vía Láctea es, sin duda, lo más extraño de nuestra galaxia: una cavidad tridimensional en el espacio diez veces el tamaño físico de nuestro sol y cuatro millones de veces la masa, un pozo virtual sin fondo del que nada escapa. Se cree que todas las galaxias principales tienen un agujero negro en su núcleo. Y por primera vez, los científicos podrán estudiar los estragos que causan estas alucinantes entidades. A lo largo de esta década, los astrónomos de Keck rastrearán miles de estrellas atrapadas en la gravedad del agujero negro de la Vía Láctea. Intentarán descubrir cómo nacen las estrellas en su proximidad y cómo distorsiona el tejido del espacio mismo. "Me parece sorprendente que podamos ver estrellas girando alrededor del agujero negro de nuestra galaxia", dice Taft Armandroff, director del Observatorio Keck. "Si me hubieras dicho como estudiante graduado que vería eso durante mi carrera, habría dicho que era ciencia ficción".
Sin duda, la evidencia de los agujeros negros es completamente indirecta; Los astrónomos nunca han visto uno realmente. La teoría general de la relatividad de Albert Einstein predijo que la gravedad de un cuerpo extremadamente denso podría doblar un rayo de luz tan severamente que no podría escapar. Por ejemplo, si algo con la masa de nuestro sol se redujera a una bola de una milla y media de diámetro, sería lo suficientemente denso como para atrapar la luz. (Para que la Tierra se convierta en un agujero negro, su masa tendría que comprimirse al tamaño de un guisante).
En 1939, J. Robert Oppenheimer, el hombre acreditado con el desarrollo de la bomba atómica, calculó que una compresión tan drástica podría sucederle a las estrellas más grandes después de que se quedaran sin hidrógeno y otro combustible. Una vez que las estrellas explotaran, Oppenheimer y un colega postularon, el gas restante colapsaría debido a su propia gravedad en un punto infinitamente denso. Las observaciones del telescopio en las décadas de 1960 y 1970 respaldaron la teoría. Unos pocos investigadores sugirieron que la única fuente de energía posible para algo tan luminoso como los cuásares (balizas extremadamente brillantes a miles de millones de años luz de distancia) sería una concentración de millones de soles unidos por lo que los científicos luego denominaron un agujero negro supermasivo. Luego, los astrónomos encontraron estrellas que parecían girar alrededor de entidades invisibles en nuestra Vía Láctea, y concluyeron que solo la atracción de la gravedad de los pequeños agujeros negros, que contienen varias veces la masa de nuestro sol y conocidos como agujeros de masa estelar, podrían mantener las estrellas. en tan estrechas órbitas.
El telescopio espacial Hubble se sumó a la evidencia de agujeros negros en la década de 1990 al medir la rapidez con la que giran las partes más internas de otras galaxias, hasta 1.1 millones de millas por hora en grandes galaxias. Las sorprendentes velocidades apuntaban a núcleos que contenían hasta mil millones de veces la masa del Sol. El descubrimiento de que los agujeros negros supermasivos son el núcleo de la mayoría de las galaxias, si no todas, fue uno de los mayores logros del Hubble. "Al comienzo de la encuesta de Hubble, habría dicho que los agujeros negros son raros, tal vez una galaxia en 10 o 100, y que algo salió mal en la historia de esa galaxia", dice el científico de Hubble Douglas Richstone de la Universidad de Michigan. "Ahora hemos demostrado que son equipos estándar. Es lo más notable".
Sin embargo, incluso desde el Hubble, el núcleo de la Vía Láctea seguía siendo esquivo. Si nuestra galaxia albergaba un agujero negro supermasivo, era silencioso, carente de los eructos de energía vistos por los demás. Hubble, que recibió servicio y se actualizó por última vez en 2009, puede rastrear grupos de estrellas cerca de los centros de galaxias distantes, pero debido a su ángulo de visión estrecho y las gruesas nubes de polvo de nuestra galaxia, no puede tomar el mismo tipo de fotos en nuestra galaxia. Otro enfoque sería rastrear estrellas individuales en las cercanías del agujero negro utilizando luz infrarroja, que viaja a través del polvo, pero las estrellas eran demasiado débiles y demasiado pobladas para que la mayoría de los telescopios terrestres las resolvieran. Aún así, algunos astrónomos en la década de 1990 se aventuraron a hacer posibles las observaciones del núcleo de la Vía Láctea. Se podrían abordar varias preguntas tentadoras: ¿cómo viven y mueren las estrellas en ese entorno salvaje? ¿Qué consume un agujero negro? ¿Y podemos presenciar, en el corazón de la Vía Láctea, el espacio y el tiempo deformados predichos por Einstein hace casi un siglo?
La sala de control Keck está a 20 millas del telescopio, en la ciudad ganadera de Waimea. Para los investigadores allí, el espectacular láser es visible solo como un haz de luz en un monitor de computadora. Los astrónomos revisan sus cuadernos y miran pantallas llenas de datos del telescopio, lecturas del clima y la última imagen de las estrellas a las que apuntan. Utilizan un enlace de video para hablar con el operador del telescopio, que pasará toda la noche en la cumbre. Las cosas van tan bien que no hay mucho que hacer. El telescopio permanecerá bloqueado en el mismo lugar en el cielo durante cuatro horas; el láser funciona bien, y una cámara conectada al telescopio toma una exposición de 15 minutos después de otra en una secuencia automatizada. "Este es el tipo de observación más aburrido que existe", me dice en tono de disculpa el astrónomo Mark Morris de la Universidad de California en Los Ángeles.
Aun así, hay tensión en la habitación. Este equipo de astrónomos, dirigido por Andrea Ghez de UCLA, está en una competencia continua con astrónomos en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania. Desde principios de la década de 1990, el astrofísico de Garching Reinhard Genzel y sus colegas han estudiado el agujero negro en el centro de la Vía Láctea utilizando el Telescopio de Nueva Tecnología y el conjunto de Telescopios Muy Grandes en Chile. Ghez, de 45 años, empuja a sus alumnos a aprovechar al máximo cada sesión de observación en Keck. Hace seis años fue elegida para la Academia Nacional de Ciencias, un gran honor para alguien que todavía tiene 30 años. "Es fácil estar a la vanguardia de la astronomía si tienes acceso a los mejores telescopios del mundo", dice.
Hace casi una década, los equipos estadounidenses y alemanes dedujeron independientemente que solo un agujero negro gigante podía explicar el comportamiento de las estrellas en el núcleo de la Vía Láctea. Las estrellas que rodean una masa considerable, ya sea un agujero negro o alguna estrella grande, viajan a través del espacio mucho más rápido que las que rodean una masa más pequeña. En términos visuales, la masa más grande crea un embudo más profundo en la estructura del espacio alrededor del cual giran las estrellas; como hojas dando vueltas en un remolino, cuanto más profundo es el remolino, más rápido giran las hojas. Otros astrónomos habían visto estrellas de rápido movimiento y nubes de gas cerca del centro de la Vía Láctea, por lo que tanto Ghez como Genzel sospechaban que un grupo denso de materia estaba oculto a la vista.
Al compilar minuciosamente fotografías infrarrojas tomadas con meses y años de diferencia, los dos equipos rastrearon las estrellas más internas, aquellas dentro de un mes luz del centro de la galaxia. Combinadas, las imágenes son como películas de lapso de tiempo de los movimientos de las estrellas. "Al principio, estaba claro que había algunas estrellas que simplemente estaban arrastrando", recuerda Ghez. "Claramente, estaban extremadamente cerca del centro". Algo los estaba atrapando en un remolino profundo. Un agujero negro tenía más sentido.
El factor decisivo se produjo en 2002, cuando ambos equipos agudizaron sus imágenes con una óptica adaptativa, tecnología que compensa el desenfoque de la atmósfera. Los científicos siguieron a las estrellas que orbitan peligrosamente cerca del centro de la galaxia y descubrieron que la velocidad máxima de la estrella más rápida era el 3 por ciento de la velocidad de la luz, aproximadamente 20 millones de millas por hora. Esa es una velocidad sorprendente para un globo de gas mucho más grande que nuestro sol, y convenció incluso a los escépticos de que un agujero negro supermasivo era el responsable de ello.
El desenfoque de la atmósfera terrestre ha afectado a los usuarios de telescopios desde los primeros estudios de Galileo sobre Júpiter y Saturno hace 400 años. Mirar una estrella a través del aire es como mirar un centavo en el fondo de una piscina. Las corrientes de aire hacen que la luz de las estrellas fluctúe de un lado a otro.
El agujero negro de nuestra galaxia emite rayos X (hechos visibles aquí en una imagen del telescopio satelital Chandra) a medida que la materia gira hacia él. (Centro de vuelo espacial Marshall / NASA) En la década de 1990, los ingenieros aprendieron a borrar las distorsiones con una tecnología llamada óptica adaptativa; Las computadoras analizan el patrón de fluctuación de la luz estelar entrante milisegundos por milisegundo y utilizan esos cálculos para conducir un conjunto de pistones en la parte posterior de un espejo delgado y flexible. Los pistones flexionan el espejo cientos de veces por segundo, ajustando la superficie para contrarrestar las distorsiones y formar un punto central afilado.
La tecnología tenía una limitación importante. Las computadoras necesitaban una luz guía clara como una especie de punto de referencia. El sistema funcionaba solo si el telescopio apuntaba cerca de una estrella o planeta brillante, lo que limitaba a los astrónomos a solo el 1 por ciento del cielo.
Al crear una estrella guía artificial donde sea necesaria, el láser del Observatorio Keck elimina esa limitación. El rayo láser se sintoniza a una frecuencia que ilumina los átomos de sodio, que quedan al desintegrarse meteoritos en una capa de la atmósfera. Las computadoras de Keck analizan la distorsión en la columna de aire entre el espejo del telescopio y la estrella creada por láser.
Dentro del domo del telescopio de 101 pies de altura, el sistema láser se encuentra dentro de un recinto del tamaño de un autobús. El láser comienza con una sacudida de 50, 000 vatios de potencia, amplificando el haz de luz dentro de una solución de tinte hecha de etanol a prueba de 190. Pero cuando la luz se ajusta a su color correcto y su energía se canaliza a lo largo de un solo camino, su potencia disminuye a unos 15 vatios, aún lo suficientemente brillante como para que la Administración Federal de Aviación requiera que el observatorio apague el láser si un avión está apagado. espera volar cerca de su camino. Desde varios cientos de pies de distancia, el láser parece un rayo de lápiz ámbar oscuro. Desde un poco más lejos no es visible en absoluto. En lo que respecta al resto de la isla, no hay espectáculo de láser en Mauna Kea.
Identificar un agujero negro es una cosa; describirlo es otro. "Es difícil pintar una imagen que se relacione con el mundo tal como lo entendemos, sin utilizar la complejidad matemática", dice Ghez una tarde en el centro de control de Keck. Al día siguiente, le pregunta a su hijo de 6 años si sabe qué es un agujero negro. Su respuesta rápida: "No sé, mami. ¿No deberías?"
Mark Morris piensa que el "sumidero" es una metáfora adecuada para un agujero negro. Si estuvieras en el espacio cerca del agujero negro ", dice, " verías desaparecer cosas de todas las direcciones ".
A Ghez y Morris les gusta imaginarse mirando desde un agujero negro. "Este es el próspero centro de la ciudad de la galaxia, en comparación con los suburbios donde estamos", dice Ghez. "Las estrellas se mueven a velocidades tremendas. Verías que las cosas cambian en una escala de tiempo de decenas de minutos". Morris retoma este tema. "Si miras el cielo nocturno desde la cima de una montaña hermosa, te quita el aliento cuántas estrellas hay", dice. "Ahora, multiplique eso por un millón. Así es como se vería el cielo en el centro galáctico. Sería como un cielo lleno de Júpiter y unas pocas estrellas tan brillantes como la Luna llena".
En un entorno tan magnífico, las leyes de la física están maravillosamente torcidas. Ghez y Morris esperan reunir la primera evidencia de que las estrellas realmente viajan a lo largo de los extraños caminos orbitales predichos por la teoría de la relatividad de Einstein. Si es así, cada estrella trazaría algo así como un patrón de un juguete de dibujo Spirograph: una serie de bucles que gradualmente cambian de posición con respecto al agujero negro. Ghez cree que ella y sus colegas están a varios años de detectar ese cambio.
Con cada nuevo hallazgo, el núcleo de la Vía Láctea se vuelve más desconcertante y fascinante. Los equipos de Ghez y Genzel se sorprendieron al descubrir muchas estrellas jóvenes masivas en el vecindario del agujero negro. Hay decenas de ellos, todos de cinco a diez millones de años, bebés, en términos cósmicos, y son aproximadamente diez veces más masivos que nuestro sol. Nadie está completamente seguro de cómo se acercaron tanto al agujero negro o cómo llegaron a ser. En otras partes de la galaxia, las estrellas gestantes requieren un útero frío y tranquilo dentro de una gran nube de polvo y gas. El núcleo galáctico es cualquier cosa menos tranquilo: la radiación intensa inunda el área, y la gravedad del agujero negro debería destruir los viveros gaseosos antes de que algo se incube allí. Como lo expresó Reinhard Genzel en una conferencia hace varios años, esas jóvenes estrellas "no tienen el maldito derecho de estar allí". Es posible que algunos de ellos nacieran más lejos y migraran hacia adentro, pero la mayoría de los teóricos piensan que son demasiado jóvenes para ese escenario. Morris cree que la intensa gravedad comprime el gas en espiral en un disco alrededor del agujero negro, creando los nuevos soles en un tipo de nacimiento estelar que no se ve en ningún otro entorno galáctico.
Estas estrellas jóvenes se autodestruirán en unos pocos millones de años a partir de ahora. Y cuando lo hagan, los más masivos dejarán pequeños agujeros negros. Morris teoriza que cientos de miles de estos agujeros negros de masa estelar, acumulados de generaciones pasadas de estrellas, pululan alrededor del agujero negro supermasivo central. Los agujeros negros de masa estelar tienen solo unas 20 millas de ancho, por lo que las colisiones entre ellos serían raras. En cambio, Morris dice: "Tendrás agujeros negros balanceándose uno al lado del otro en la noche, y las estrellas se moverán a través de este derby de destrucción. Una falla cercana entre uno de los agujeros negros y una estrella podría dispersar la estrella en el agujero negro supermasivo o fuera del centro galáctico por completo ". Los teóricos piensan que el agujero negro supermasivo puede engullir una estrella una vez cada decenas de miles de años, un evento que inundaría el centro de la galaxia con radiación. "Sería un evento espectacular", dice Morris.
Los astrónomos ven signos de tal engullimiento cuando examinan el interior de la Vía Láctea con rayos X y radiotelescopios, que detectan las ondas de choque de explosiones pasadas. Los agujeros negros gigantes en otras galaxias están demasiado lejos para que los astrónomos los estudien a tal profundidad, dice Avi Loeb, director del Instituto de Teoría y Computación del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica en Cambridge, Massachusetts. Es por eso que cuelga de cada anuncio de los equipos de Ghez y Genzel. "Los avances realizados por los observadores en tan poco tiempo han sido realmente notables", dice. "Los teóricos somos todos porristas para ellos".
Loeb y otros están pintando una nueva imagen de cómo evolucionó el universo y sus 100 mil millones de galaxias desde el Big Bang hace 13.7 mil millones de años. Creen que todas las galaxias comenzaron con agujeros negros de "semilla" aún inexplicables, decenas a miles de veces la masa de nuestro sol, que crecieron exponencialmente durante los violentos ciclos de alimentación cuando las galaxias colisionaron, lo que hicieron con mayor frecuencia cuando el universo era más joven. y las galaxias estaban más juntas. En una colisión, algunas estrellas se catapultan al espacio profundo y otras estrellas y gases caen en picado en el agujero negro recientemente combinado en el centro de las galaxias. A medida que crece el agujero negro, dice Loeb, se convierte en un furioso cuásar con gas calentado a miles de millones de grados. El cuásar luego expulsa el resto del gas de la galaxia por completo. Después de que el gas se agota, Loeb dice que "el agujero negro supermasivo se encuentra en el centro de la galaxia, inactivo y hambriento".
Parece que nuestra Vía Láctea, con su agujero negro de tamaño modesto, ha absorbido solo unas pocas galaxias más pequeñas y nunca ha alimentado un quásar. Sin embargo, se avecina una terrible colisión. La galaxia grande más cercana, llamada Andrómeda, está en curso de colisión con la Vía Láctea. Los dos comenzarán a fusionarse dentro de dos mil millones de años a partir de ahora, formando gradualmente una galaxia masiva que Loeb y su antiguo colega Harvard-Smithsonian TJ Cox llaman "Milkomeda". Los agujeros negros centrales supermasivos de las galaxias colisionarán, devorando torrentes de gas e incendiando un nuevo cuásar por un corto tiempo en esta tranquila parte del universo. "Estamos tardíos en eso", señala Loeb. "Le sucedió a la mayoría de las otras galaxias desde el principio". (La Tierra no será expulsada de la órbita del Sol por la colisión y no debería ser golpeada por nada durante la fusión. Pero habrá muchas más estrellas en el cielo).
Dejando a un lado el inquietante futuro de nuestra galaxia, Loeb espera que pronto, quizás dentro de una década, tengamos la primera imagen del agujero negro supermasivo de la Vía Láctea, gracias a una red global emergente de telescopios de "ondas milimétricas". Llamados así por la longitud de onda de las ondas de radio que detectan, los instrumentos no verán el agujero negro en sí. Más bien, en concierto, mapearán la sombra que proyecta sobre una cortina de gas caliente detrás de ella. Si todo va bien, la sombra tendrá una forma distintiva. Algunos teóricos esperan que el agujero negro esté girando. Si es así, de acuerdo con el arrastre contraintuitivo del espacio predicho por Einstein, nuestra visión de la sombra se distorsionará en algo así como una lágrima ladeada y aplastada. "Sería la imagen más notable que podríamos tener", dice Loeb.
En la cuarta y última noche de las observaciones planificadas de Ghez, el viento y la niebla en la cumbre de Mauna Kea mantienen cerradas las cúpulas del telescopio. Entonces los astrónomos revisan sus datos de noches anteriores. Las imágenes de las dos primeras noches variaron de buenas a excelentes, dice Ghez; la tercera noche fue "respetable". Ella dice que está contenta: sus estudiantes tienen suficiente para mantenerlos ocupados, y Tuan Do de la Universidad de California en Irvine identificó algunas estrellas grandes y jóvenes para agregar al análisis del equipo. "Me siento increíblemente privilegiado de trabajar en algo en lo que me divierto tanto", dice Ghez. "Es difícil creer que los agujeros negros realmente existan, porque es un estado tan exótico del universo. Hemos sido capaces de demostrarlo, y lo encuentro realmente profundo".
Ella pasa la mayor parte de su tiempo supervisando el centro de comando en Waimea, pero ha estado en la cima de Mauna Kea para ver el láser en acción. Mientras hablamos de la fascinante vista, está claro que Ghez aprecia una ironía: los astrónomos aman la oscuridad y a menudo se quejan de cualquier fuente de luz que pueda interferir con sus observaciones. Sin embargo, aquí están, lanzando un faro de luz al cielo para ayudar a iluminar lo más negro que la humanidad pueda esperar ver.
Esta historia de Robert Irion ganó el Premio David N. Schramm 2010 de la Sociedad Astronómica Americana por el Periodismo Científico.
