Se busca: Un agujero negro de 10.000 millones de masas solares

**EMBARGO: No electronic distribution, Web posting or street sales before 2:31 a.m. ET TUESDAY, JAN. 19, 2021. No exceptions for any reasons. EMBARGO set by source.** In an image provided by NASA, a composite image of the galaxy cluster Abell 2261 made from X-ray, optical and infrared data. Scientists are probing the knots at its core for signs of a supermassive black hole. (NASA/CXC, NASA/STSCI, NAOJ/SUBARU, NSF/NRAO/VLA via The New York Times) -- NO SALES; FOR EDITORIAL USE ONLY WITH NYT STORY SCI MISSING BLACK HOLE BY DENNIS OVERBYE FOR JAN. 18, 2021. ALL OTHER USE PROHIBITED. --
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(Science Times) ; (Out There)

Los astrónomos están buscando en la sección cósmica de los objetos perdidos para encontrar uno de los agujeros negros más grandes y malignos que existen, según se piensa. Hasta ahora no han hallado nada.

En las últimas décadas, se ha vuelto parte de la sabiduría popular astronómica que en el centro de toda galaxia acecha un agujero negro gigante en el que ha desaparecido el equivalente a millones o incluso miles de millones de soles. Cuanto más grande es la galaxia, más masivo sería el agujero negro en su centro.

Así que fue una sorpresa cuando hace una década Marc Postman, del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial, usó el telescopio espacial Hubble para monitorear cúmulos de galaxias y encontró una galaxia supergigante sin ningún agujero negro aparente en el centro. Por lo general, el núcleo de la galaxia tendría luz adicional en el centro, una especie de manto brillante hecho de estrellas atraídas ahí por la gravedad de un agujero negro gigante.

En lugar de eso, justo al centro del amplio núcleo de la galaxia, donde debería haber un ligero pico de luz estelar, había una ligera depresión. Además, el núcleo entero, una nube de estrellas con unos 20.000 años luz de diámetro, ni siquiera estaba en medio de la galaxia.

“Dios mío, esto de verdad es muy inusual”, recuerda haber dicho Tod Lauer, un experto en núcleos galácticos del Observatorio Nacional de Astronomía Óptica en Tucson, Arizona, y uno de los autores del artículo, cuando Postman le mostró el hallazgo.

Eso fue en 2012. En los años transcurridos desde entonces, los dos investigadores y sus colegas han estado en busca de rayos X u ondas de radio del agujero negro perdido.

La galaxia encontrada es la más brillante en un cúmulo galáctico conocido como Abell 2261. Queda a unos 2700 millones de años luz de nosotros, en la constelación Hércules en el cielo nórdico, relativamente cerca de la prominente estrella Vega. Con base en el parámetro estándar, la masa del agujero negro que debería estar en el centro de la galaxia 2261 debería tener 10.000 millones de veces o más la masa del Sol. En comparación, el agujero negro al centro de la Vía Láctea es de solo unos 4 millones de masas solares.

¿Así que dónde ha ocultado la naturaleza el equivalente a 10.000 millones de soles?

Una posibilidad es que el agujero negro esté ahí, pero dormido, pues quizá ya no tiene más que comer por ahora. Pero otra posibilidad intrigante, según Lauer y sus colegas, es que el agujero negro haya sido expulsado de la galaxia en su totalidad.

‘Todos los duraznos tienen un hueso’

Comprobar la segunda posibilidad podría esclarecer algunos de los procesos más violentos y dinámicos en la evolución de las galaxias y el cosmos, sobre los cuales los astrónomos han teorizado pero jamás han visto: una danza de fuerzas titánicas y mundos girando en espiral que puede lanzar estrellas y planetas al vacío.

“Es un misterio estimulante, y lo estamos investigando”, dijo Postman en un correo electrónico. Agregó que el próximo telescopio espacial James Webb podría arrojar luz sobre el caso, por así decirlo.

“¿Qué sucede cuando un agujero negro supermasivo es expulsado de una galaxia?”, preguntó Lauer.

Lauer forma parte de un grupo informal que se autodenomina Nukers. El grupo se conformó originalmente bajo la batuta de Sandra Faber de la Universidad de California, campus Santa Cruz, en los primeros días del telescopio espacial Hubble. A lo largo de las últimas cuatro décadas, han buscado dilucidar la naturaleza de los núcleos galácticos, con ayuda de la visión aguda del Hubble y otras instalaciones nuevas que les permiten echar un vistazo en los corazones íntimos de galaxias lejanas.

“La historia de la A2261-BCG”, dijo refiriéndose a la galaxia por su nombre formal en la literatura científica, “es lo que ocurre con las galaxias más masivas del universo, las galaxias elípticas gigantes, en la etapa final de la evolución galáctica”.

Los agujeros negros son objetos tan densos que ni siquiera la luz puede escapar de sus garras gravitatorias. Son invisibles por definición, pero el alboroto que causa el material que cae en su órbita —rayos X y chillidos radioastronómicos— se puede ver por todo el universo. En la década de los sesenta, el descubrimiento de la presencia de cuásares en los centros de las galaxias hizo pensar por primera vez a los astrónomos que los agujeros negros supermasivos eran los responsables de esta pirotecnia.

Al cambiar de siglo, los astrónomos ya habían llegado a la conclusión de que todas las galaxias albergan en su centro un agujero negro supermasivo, de millones a miles de millones de veces más masivo que el Sol. Nadie sabe con certeza de dónde provienen, si se formaban a partir de agujeros negros más pequeños creados por el colapso de estrellas o si eran el resultado de algún otro proceso de los inicios del universo. “Todos los duraznos tienen un hueso”, comentó Lauer.

Sin embargo, ¿qué efectos producen estos entes en sus alrededores?

En 1980, tres astrónomos, Mitchell Begelman, Martin Rees y Roger Blandford, escribieron sobre cómo estos agujeros negros alteran la evolución de las galaxias que habitan. Cuando dos galaxias colisionan y se fusionan, un evento especialmente común en el principio del universo, sus agujeros negros centrales se encuentran y forman un sistema binario, dos agujeros negros que giran uno alrededor del otro.

Begelman y sus colegas argumentaron que estos dos agujeros negros masivos, en su balanceo circular, entran en contacto con el mar de estrellas en el que se sumergen. De vez en cuando, una de estas estrellas tiene un encuentro cercano con el agujero negro binario y las fuerzas gravitacionales sacan a la estrella del centro, lo cual ata a los agujeros negros con más fuerza.

Con el paso del tiempo, más estrellas son expulsadas del centro. Poco a poco, la luz estelar que alguna vez se concentró en el centro se expande hasta formar un núcleo más amplio y difuso, con un pequeño pico al centro donde el agujero negro binario realizó su danza de apareamiento. Este proceso se conoce como “scouring”, o erosión.

“Ellos estaban adelantados a su época”, dijo Lauer acerca de los tres astrónomos.

Un problema con muchos nudos

Un núcleo erosionado era el tipo de situación que Lauer y Postman creían haber encontrado en el cúmulo de galaxias Abell 2261. Pero en el centro del núcleo había una depresión en lugar de un pico, como si el agujero negro supermasivo y sus estrellas asistentes simplemente hubieran sido retiradas.

Esto planteó la posibilidad más dramática de que el escenario que imaginaron Begelman y sus colegas se hubiera hecho realidad: los dos agujeros negros se habían fusionado hasta formar un bocado gigantesco de nada. La fusión habría estado acompañada de una explosión cataclísmica de ondas gravitatorias, ondulaciones en el espacio-tiempo cuya existencia predijo Einstein en 1916 y que finalmente se observaron un siglo después, en 2016, con los instrumentos del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO, por su sigla en inglés).

Si esa explosión se hubiera desequilibrado, el agujero negro supermasivo resultante habría sido lanzado hacia el otro lado de la galaxia o incluso hacia su exterior, algo que los astrónomos jamás habían observado. Así que encontrar el agujero negro errante era de suma importancia.

Investigaciones más exhaustivas de la A2261-BCG revelaron cuatro nudos pequeños de luz dentro del núcleo difuso. ¿Acaso uno de ellos podría albergar el agujero negro?

Un equipo liderado por Sarah Burke-Spolaor de la Universidad de Virginia Occidental analizó el cielo con el Hubble y el observatorio radioastronómico Karl G. Jansky Very Large Array en Socorro, Nuevo México. Las medidas espectroscópicas del Hubble lograron captar la velocidad a la que se desplazaban las estrellas en los nudos y, por lo tanto, si se necesitaba un objeto masivo para mantenerlas unidas.

El equipo concluyó que dos de los nudos probablemente eran pequeñas galaxias con pequeños movimientos internos que estaban siendo canibalizadas por la galaxia más grande. Las medidas del tercer nudo tenían barras de error tan grandes que todavía no se podría considerar ni descartar como la ubicación del agujero negro.

El cuarto nudo, muy compacto y localizado cerca del borde inferior del núcleo, era muy poco visible para el Hubble, informó Burke-Spolaor. “Analizar este nudo habría requerido una cantidad exagerada de tiempo de observación (cientos de horas) con el telescopio espacial Hubble”, aseguró en un correo electrónico. Por lo tanto, también sigue siendo sospechoso de ser el escondite del agujero negro.

Mientras tanto, Imran Nasim, de la Universidad de Surrey, quien no fue parte del equipo de Postman, ha publicado un análisis detallado de cómo la fusión de dos agujeros negros supermasivos podría transformar una galaxia en lo que han hallado los astrónomos.

“En pocas palabras, el culatazo de la onda gravitacional ‘patea’ y saca de la galaxia al agujero negro supermasivo”, explicó Nasim en un correo electrónico. Tras perder su ancla supermasiva, la nube de estrellas que rodeaba al agujero negro binario se esparce y se vuelve más difusa. La densidad de las estrellas en esa región —la parte más densa de toda la galaxia gigante— solo es una décima parte de la densidad de las estrellas en nuestra zona en la Vía Láctea, lo cual da como resultado un cielo nocturno que parecería anémico comparado con el nuestro.

Todo esto es otro de los motivos por los que los astrónomos esperan con ansias el lanzamiento del telescopio espacial James Webb, el tan esperado sucesor del Hubble, que ahora está programado para finales de octubre. Ese telescopio será capaz de examinar los cuatro nudos al mismo tiempo y determinar si alguno de ellos es un agujero negro supermasivo.

“Este es un ejemplo de nuestro nivel de sofisticación”, dijo Lauer. “¡Oigan, tal vez está en los nudos! ¡Oigan, tal vez no! ¡Mejor busquemos en todas partes!”.