La explosión de una estrella supermasiva

En el centro de casi todas las galaxias se encuentran agujeros negros supermasivos, con masas millones o miles de millones de veces la del Sol. Y esos agujeros negros alimentan quásares lejanos y brillantes que ya existían cuando el universo sólo tenía mil millones de años. Sin embargo, comprender cómo se pudieron formar tales agujeros negros supermasivos tan pronto en la historia del universo es un reto.

Algunos modelos teóricos sugieren que se pudieron originar como estrellas supermasivas (de unas 10 000 masas solares o más) que colapsan en agujeros negros y después aumentan mediante acrecimiento y fusiones de galaxias hasta alcanzar los tamaños observados ahora.

A través de nuevas simulaciones con superordenadores, Ke-Jung Chen (de la Universidad de California en Santa Cruz) y sus compañeros han revelado que algunas estrellas primordiales de unas 55 000 masas solares podrían acabar no como agujeros negros (como predicen los modelos), sino que morirían como supernovas sumamente energéticas. Debido a que estas estrellas masivas queman helio en su núcleo, los efectos de la relatividad general pueden hacer que sean dinámicamente inestables, dando lugar a un rápido colapso del núcleo de la estrella y alimentando un fuego termonuclear explosivo. Entonces, la estrella explota de forma tan violenta y completa que no quedan restos masivos.

En la imagen se puede ver una simulación en dos dimensiones del interior de una estrella supermasiva de 55 500 masas solares un día después del comienzo de la explosión. La circunferencia exterior es ligeramente mayor que la órbita de la Tierra. En el núcleo interior de helio se producen reacciones nucleares que convierten el helio en oxígeno y dan lugar a violentas inestabilidades del fluido que aceleran la reacción. En unas pocas horas, la explosión habrá liberado suficiente energía como para dispersar por completo la estrella. Se espera que este resultado siga valiendo para tres dimensiones.

Imagen de Ken Chen, Universidad de California en Santa Cruz (UCSC).

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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/1/10.1063/PT.3.2666

Las mejores noticias de física del 2014 (II/III)

(Este artículo es continuación de Las mejores noticias de física del 2014 (I/III). Te recomiendo que lo leas primero).

La física en las películas
El 2014 ha sido un gran año para la ciencia en las películas. En marzo, se estrenó la esperada continuación de la serie de televisión de Carl Sagan, Cosmos; y el público quedó encantado con este viaje al universo. También fue en marzo cuando se estrenó el documental Locos por las partículas, que ofrecía una mirada íntima a las vidas de los investigadores del CERN que buscaban el bosón de Higgs.

La vida de Stephen Hawking apareció en la película tan aclamada por la crítica La teoría del todo, así como la del matemático Alan Turning en la película The Imitation Game (Descifrando Enigma). Finalmente, tras años de desarrollo, la película Interstellar llegó a la gran pantalla. Está inspirada en las teorías de gravitación y relatividad del físico Kip Thorne y dejó al público con la boca abierta con su impresionante representación visual de los agujeros negros y la dilatación temporal.

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El elemento 117
El ununseptio (nombre temporal del elemento 117) se pudo ver por un instante en Alemania en mayo. En el Centro para la Investigación de Iones Pesados GSI Helmholtz en Darmstadt, los científicos bombardearon un blanco de berkelio con átomos de calcio acelerados para crear este elemento artificial, de vida media muy corta. Esto supone una continuación de un experimento realizado en Rusia en el 2010, en el que se creó por primera vez el elemento, confirmando así su existencia y probablemente preparando el terreno para su inclusión oficial en la tabla periódica de los elementos.

Además, uno de los isótopos del lawrencio descubierto en el proceso tenía una vida media de casi once horas, lo que da cierta esperanza a los físicos de que los experimentos podrían estar acercándose a las orillas de la "Isla de Estabilidad" para elementos superpesados, cuya existencia se trata de una hipótesis aún no comprobada.

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Agujero negro galáctico
En el 2012, los astrónomos descubrieron un misterioso objeto masivo que caía hacia el agujero negro gigante que se encuentra en el centro de la Vía Láctea. Predijeron que la órbita elíptica que describía le llevaría a su punto más cercano al agujero negro hacia la mitad del verano del 2014 y se prepararon para observar los "fuegos artificiales" que se producirían a medida que el objeto iba siendo destrozado. Pero más bien fue un chisporroteo.

Originalmente se pensó que era una nube de gas gigante, pero el objeto podría albergar en realidad una estrella grande en su centro, lo que habría mantenido la nube unida ante las enormes fuerzas gravitacionales. Basándose en su trayectoria, existe una posibilidad de que en unas pocas décadas la estrella hipotética pase a través del polvo y el gas que rodea el agujero negro; quizá entonces los científicos puedan contemplar el espectáculo que habían esperado.


Simulación de una nube de gas que pasa cerca del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia. [By ESO/S. Gillessen/MPE/Marc Schartmann/L. Calçada (ESO) [CC BY 4.0], via Wikimedia Commons]
Y no acaba aquí este resumen de noticias del 2014. Aún nos queda la tercera y última parte de este artículo. 
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201501/stories.cfm

Colosales nubes de radiación

Foto: X-ray: NASA/CXC/Tokyo Institute of Technology/J.Kataoka et al, Radio: NRAO/VLA.

Los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de las galaxias expulsan chorros de radiación que pueden transportar enormes cantidades de energía a grandes distancias.

En la imagen podemos ver columnas inmensas de radiación que constituyen la amplia fuente bilobular 3C353, donde la galaxia es el punto diminuto y brillante del centro de la fotografía.

Las nubes gigantes de radiación se pueden ver en el rango de los rayos X desde el observatorio Chandra de la NASA (en color púrpura) y en las longitudes de onda de radio desde el radiotelescopio Very Large Array (en color naranja).
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Fuente:
http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/multimedia/3C353-giant-radiation-plumes.html

Viaje a través de un agujero negro (y II)

(Este artículo es continuación de Viaje a través de un agujero negro (I). Te recomiendo que lo leas primero).

Para entrar en un agujero negro, hace falta alcanzar su horizonte de sucesos¹, el límite más allá del cual nada puede escapar. Cuanto más masivo es el agujero negro, mayor es el radio de este horizonte. Los agujeros negros más comunes, que pesan una media de diez veces más que el Sol, tienen fronteras que se extienden más de 60 km. Pero la mayoría de las galaxias tienen agujeros negros supermasivos en sus centros, que pesan millones de veces lo que el Sol y tienen fronteras que se prolongan millones de kilómetros.

Según nos aproximamos al horizonte, no notaríamos nada especial, pero un observador desde el exterior nos vería ir cada vez más lento y le parecería que nunca llegamos a atravesar el horizonte de sucesos. Además, nos vería con un aspecto cada vez más tenue, porque la luz que emitiríamos en el horizonte necesita mucho tiempo para llegar al observador, desplazándose hacia el rojo¹.

Muchos piensan que nos veríamos envueltos en oscuridad una vez atravesado el horizonte, pero no es cierto. Veríamos el universo exterior de forma distorsionada, pero no desaparecería. Es entonces cuando empezaríamos a caer más rápido que la velocidad de la luz hacia el centro del agujero negro². Los efectos de la enorme gravedad darían lugar a lo que algunos llaman "espaguetización": la gravedad en los pies es mayor que en la cabeza (si caemos con los pies por delante), con lo que nos alargaríamos verticalmente, a la vez que nos espachurraríamos horizontalmente.

La misma fuerza que nos estaría destrozando concentraría la visión del universo en una banda delgada alrededor de la cintura. Haría que la escena por encima y por debajo de nosotros se desplazara hacia el rojo (más tenue) y la luz alrededor de nuestra cintura se vería desplazada hacia el azul (más brillante). 

Además, para poder distinguir las distancias dentro de un agujero negro, necesitaríamos tres ojos, ya que el espacio-tiempo estaría altamente curvado y nuestra visión binocular se confundiría. Incluso un tercer ojo no sería suficiente para ver el centro del agujero negro, debido a que toda la luz se dirige hacia la singularidad y nada hacia fuera de él; esto haría que el espacio y el tiempo tal como los conocemos dejasen de existir.

De todos modos, nos recuerda Jeff McClintock³ que un viaje así sólo es posible de forma teórica. El agujero negro más cercano que conocen los astrónomos está a unos 3000 años luz, lo cual es una distancia muy segura, por si alguien se preocupa de que la Tierra pudiera ser tragada por un agujero negro. E incluso si el Sol (a unos 8 minutos luz de la Tierra) fuera reemplazado por un agujero negro de la misma masa, los planetas seguirían girando igual; lo único que cambiaría es que no habría ni luz ni calor. El agujero negro no trataría de tragarnos más de lo que lo hace el Sol. Sólo pasan todas estas cosas extrañas cuando nos acercamos muchísimo.

(Para ver un vídeo donde se aprecia el resultado de la simulación, haz clic aquí.)
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Fuente (del artículo y del vídeo):
http://edition.cnn.com/2009/TECH/space/04/27/falling.into.black.hole/index.html#

1. V. diccionario.
2. Dicho centro se conoce como una singularidad, donde la curvatura del espacio-tiempo tiende a infinito, así como las fuerzas de marea debidas a la gravedad.
3. Astrofísico del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (Cambridge, Massachusetts).

Viaje a través de un agujero negro (I)

Como dice el astrofísico Andrew Hamilton¹ en su página web, "Si caes en un agujero negro, morirás. No atravesarás un agujero de gusano hacia otro tiempo y espacio". Pero, ¿y si sí? Aunque eso es materia para otro artículo. Hoy nos centraremos en qué pasaría si cayéramos en un agujero negro del tipo más simple: un agujero negro de Schwarzschild.

En realidad, los seres humanos sólo se han acercado a un agujero negro en los libros y películas de ciencia ficción. Los astrónomos ni siquiera los han visto directamente, aunque hay una gran evidencia de que existen millones sólo en nuestra galaxia.

No obstante, los científicos pueden intentar simular un viaje hacia el interior de uno de ellos con la ayuda de las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein, que hace predicciones sobre el comportamiento de los agujeros negros. Andrew Hamilton dice que, a pesar de lo complicado de las matemáticas que los describen, los agujeros negros son de lo más simple.

Los agujeros negros se forman cuando estrellas enormes se quedan sin combustible nuclear e implosionan, lo que da lugar a tal compresión y densidad que ni siquiera la luz puede escapar de su gravedad. A Hamilton le gusta describirlos como lugares donde el espacio cae más rápido que la luz. Serían como cascadas, pero en lugar de agua, lo que caería sería el espacio. Incluso la luz, intentando salir fuera del agujero negro, se vería arrastrada hacia el interior, como haciendo el moonwalk de Michael Jackson.

Hamilton y Gavin Polhemus, un profesor de física de Fort Collins (Colorado), decidieron tratar de visualizar lo que se vería si nos adentráramos en el agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la Vía Láctea. Y, con ayuda de un complicado programa de ordenador que ellos crearon, hicieron un vídeo bastante ilustrativo.

No te pierdas la descripción del viaje en el próximo artículo.
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Fuente:
http://edition.cnn.com/2009/TECH/space/04/27/falling.into.black.hole/index.html#

1. De la Universidad de Colorado en Boulder.

Un agujero negro destruyendo una estrella (y II)

(Este artículo es continuación de Un agujero negro destruyendo una estrella (I). Te recomiendo que lo leas primero).

Los astrónomos suponen que estrellas similares a la protagonista de este suceso dan vueltas alrededor del agujero negro que está en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Sin embargo, este tipo de eventos es raro, ocurriendo aproximadamente cada 100 000 años. Para encontrar el que estamos comentando, hubo que monitorizar cientos de miles de galaxias en la zona del ultravioleta con el GALEX y en la zona del visible con el Pan-STARRS, un telescopio que examina el cielo nocturno completo buscando todo tipo de fenómenos transitorios, incluyendo supernovas.

El equipo que lo descubrió estaba buscando destellos brillantes en el ultravioleta que provinieran del núcleo de una galaxia con un agujero negro previamente inactivo. Ambos telescopios detectaron uno en junio del 2010 y los astrónomos observaron su evolución: tardó un mes en alcanzar su brillo máximo y durante los doce meses siguientes se fue apagando lentamente. El destello es similar al producido por una supernova, pero el ascenso hasta el máximo de brillo se produce de forma mucho más lenta, tardando casi un mes y medio.

Midiendo este aumento en luminosidad, los astrónomos calcularon que la masa del agujero negro era de varios millones de veces la del Sol, comparable con el tamaño del agujero negro de la Vía Láctea. Por otra parte, observaciones espectroscópicas* mostraron que el agujero negro estaba absorbiendo grandes cantidades de helio. Para acabar, el destello podría haber sido debido a un núcleo activo en la galaxia, pero el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA demostró que las propiedades del gas no coincidían con las de un núcleo galáctico activo.
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Fuente:
http://www.nasa.gov/mission_pages/galex/galex20120502.html

* La espectroscopia divide la luz en sus colores del arcoíris, dando lugar a las propiedades características de un objeto, como su temperatura o su composición gaseosa.

Un agujero negro destruyendo una estrella (I)

Los astrónomos han podido recoger evidencias de un agujero negro masivo destruyendo una estrella que pasaba demasiado cerca, gracias al Explorador de la Evolución Galáctica (GALEX, por sus siglas en inglés), un observatorio espacial de la NASA, y al telescopio Pan-STARRS, situado en la cumbre del Haleakala (Hawái), que ayudaron en la identificación de los restos estelares.

Agujeros negros supermasivos (con masas de entre millones y miles de millones veces la del Sol) suelen encontrarse en los centros de las galaxias; sus enormes efectos gravitacionales sólo parecen evidentes cuando alguna víctima se acerca demasiado. Los astrónomos ya han observado procesos parecidos antes, pero esta es la primera vez que han podido identificar a la víctima: una estrella rica en helio de una galaxia a 2700 millones de años luz de distancia.

Cuando la estrella es destrozada por las fuerzas gravitacionales del agujero negro, parte de los restos de la estrella caen en el agujero negro mientras el resto es despedido a grandes velocidades (ver vídeo). La firma espectral del gas expulsado es mayoritariamente helio. Dado que hay muy poco hidrógeno y mucho helio, puede deducirse que no es la primera vez que esta estrella ha pasado cerca del agujero negro.


La posible historia de la estrella es que, después de consumir la mayoría de su combustible de hidrógeno, empezó a crecer hasta convertirse en una gigante roja que giraba en torno al agujero negro en una órbita altamente elíptica, similar a la órbita de un cometa alrededor del Sol. En una de las ocasiones en que pasó más cerca, la gravedad del agujero negro arrancó la atmósfera hinchada de la estrella, mientras los restos, ricos en helio, siguieron girando alrededor del centro; hasta que en una de las vueltas se acercó más todavía y se enfrentó a su final.

Si quieres conocer más detalles de cómo fue posible el descubrimiento de este fenómeno singular, tendrás que leer el próximo artículo.
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Fuente:
http://www.nasa.gov/mission_pages/galex/galex20120502.html
Créditos del vídeo: NASA, S. Gezari (Universidad Johns Hopkins) y J. Guillochon (Universidad de  California, Santa Cruz)