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¿El agujero negro supermasivo de la Vía Láctea es peligroso para los planetas de la galaxia?

Nuestra galaxia tiene Sagitario A* en su centro, un agujero negro que tiene 4,2 millones de veces la masa de nuestro Sol. Afortunadamente, no absorbe mucha materia y por eso no es una fuente de radiación y partículas de alta energía. Pero la mayoría de las galaxias pasan por etapas activas. La radiación emitida puede extenderse de 3.000 a 5.000 años luz a su alrededor. Lo que queremos saber es, ¿Cuando eso sucede, qué pasa con los planetas que albergan vida en una galaxia.

Los astrónomos han sabido desde la década de 1990 que los planetas existen alrededor de los púlsares. Es una hipótesis razonable que los planetas también puedan existir alrededor de los agujeros negros, que tienen un impacto más débil en su entorno local que las estrellas de neutrones en rotación. En 2019, el astrofísico de Harvard Avi Loeb y Jeremy Schnittman de la NASA propusieron que podrían existir planetas habitados alrededor de los agujeros negros albergados en el centro de la mayoría de las galaxias. Dichos planetas son similares al planeta ficticio del mundo acuático Miller, el planeta más cercano en el sistema estelar que orbita el agujero negro supermasivo, llamado Gargantúa en la película Interestelar.


Interpretación de un artista de Sagitario A*,
el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia

Partículas de alta energía y vientos al 10 % de la velocidad de la luz

Un nuevo artículo del astrobiólogo Manasvi Lingam y el astrofísico Eric Perlman del Instituto de Tecnología de Florida, junto con investigadores de la Universidad de Roma, la Universidad de Maryland y el Centro de Vuelo Espacial Goddard, examina la radiación y los vientos que emanan de la actividad de los agujeros negros y cómo pueden ejercer efectos en los planetas cercanos. El estudio se centra en dos mecanismos clave: cómo los vientos de los agujeros negros pueden calentar las atmósferas e impulsar el escape atmosférico, y cómo pueden estimular la formación de óxidos de nitrógeno y, por lo tanto, provocar el agotamiento del ozono.

“La mayoría de las galaxias tienen agujeros negros en sus núcleos”, escribió Perlman. “Nuestra galaxia tiene Sagitario A*, que tiene 4,2 millones de veces la masa de nuestro Sol. Afortunadamente, absorbe muy poca materia y no es una fuente de radiación y partículas de alta energía”, explicó. “Pero la mayoría de las galaxias pasan por etapas activas. Lo que queríamos saber era, ¿qué pasó con los planetas que albergan vida en una galaxia cuando eso sucede?”

Para estudiar cómo los agujeros negros pueden afectar la atmósfera de un planeta, el equipo desarrolló modelos matemáticos para estimar la distancia máxima hasta la cual estos efectos se vuelven significativos para los planetas similares a la Tierra en la Vía Láctea. Esto demostró que este impacto puede extenderse aproximadamente más de 3.000 años luz. En el caso de los cuásares que albergan agujeros negros supermasivos más grandes, la investigación encontró que tales efectos podrían influir en la galaxia anfitriona del agujero negro en su conjunto.

«Resulta que cuando tienes un agujero negro supermasivo que está activo, no solo produce radiación, sino que también produce muchas partículas de alta energía que son alimentadas por el agujero negro», dijo el astrobiólogo del Instituto de Tecnología de Florida, Mansavi Lingam. “Es fácil visualizarlo como un viento rápido, como un huracán extremadamente amplificado. Tienes este viento de partículas de alta energía que emana de la vecindad del agujero negro al 10% de la velocidad de la luz, más de mil veces más rápido que cualquier nave espacial actual”.

No amigable con la biología – Agujero Negro “indigesto”

La radiación que emiten los agujeros negros es esencialmente partículas de luz conocidas como fotones. Pero si los agujeros negros son conocidos principalmente porque nada escapa de ellos, ¿por qué se emite esta luz al igual que las partículas de alta energía en el viento? Lo que sucede es que hay mucho gas que rodea al agujero negro durante su fase activa. El agujero negro comienza a consumir parte de ese gas. Pero no se lo come de una manera totalmente eficiente: a medida que el agujero negro consume más y más gas, el gas cae hacia el agujero negro.

Mientras cae hacia el interior del agujero negro, se calienta. Al igual que cuando te frotas las manos y la fricción genera calor, la fricción experimentada por el gas que se mueve en espiral hacia el interior del agujero negro hace que se caliente y finalmente libere energía en forma de fotones.

“Piense en ello como una forma de indigestión interestelar”, dijo Lingam.

Zona de impacto: 3.000, quizás 5.000 años luz

“Esta radiación puede bombardear las atmósferas”, dijo. “Puede llevar a que esas atmósferas se erosionen. Puede suministrar mucha radiación UV, puede ser perjudicial para la biología, etc. Algunas de las mismas ramificaciones se aplican también a los vientos de alta velocidad del agujero negro. Estos fueron algunos de los muchos efectos que analizamos”.

Todavía queda mucho por investigar sobre el viento en los agujeros negros. Lingam señaló que el modelo considera la expansión uniforme del viento en todo el espacio, mientras que el trabajo futuro necesitaría examinar la emisión de radiación y vientos en forma de chorros, que espera investigar con Perlman y sus colegas italianos.

La Tierra está a 26.000 años luz del centro de la Vía Láctea

Para aquellos que están preocupados por la radiación y los vientos del agujero negro supermasivo de la Vía Láctea que afecten a la Tierra, no hay razón para preocuparse.

“Lo bueno que aprendimos durante el curso de este trabajo es que muchos de estos efectos se extienden hasta 3.000 años luz, quizás 5.000 años luz, en algunos casos extremos”, dijo Lingam. “Pero afortunadamente la Tierra se encuentra a 26.000 años luz del centro de la Vía Láctea, por lo que está cómodamente fuera de esa zona de influencia, si podemos llamarla así, de la actividad del agujero negro. Por lo tanto, podríamos considerarnos afortunados de habitar esta región relativamente pacífica de nuestra galaxia”.

La última palabra

«Nuestra investigación indica que los planetas muy próximos a los agujeros negros supermasivos activos recibirían dosis excepcionalmente altas de radiación ultravioleta y partículas de alta energía», dijo Manasvi Lingam, «ambos plantearían muchos obstáculos para la habitabilidad, como la erosión atmosférica», agotamiento de la capa de ozono, daños biológicos y mucho más”.

«Quizás el escenario más probable para la ‘vida’ cerca de una estrella de neutrones o un agujero negro implica la colonización… por misiones robóticas de una civilización alrededor de otra estrella cercana», dijo el astrónomo James Cordes de la Universidad de Cornell en 2021. El enfoque de investigación de Cordes incluye estrellas de neutrones, púlsares y la búsqueda de inteligencia extraterrestre. “Tal misión”, señala, “sería muy costosa y podría no estar justificada dado el poder de la teledetección. Sin embargo, una civilización antigua pero avanzada podría permitirse ese lujo”.
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Maxwell Moe , astrofísico, NASA Einstein Fellow, Universidad de Arizona a través de Manasvi Lingam , Eric Perlman , Florida Institute of Technology y Monthly Notices of the Royal Astronomical Society y Daily Galaxy.

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Podría haber un antiuniverso gemelo retrocediendo en el tiempo

Un antiuniverso retrocediendo en el tiempo podría explicar la materia oscura y la inflación cósmica.

Una nueva y alocada teoría sugiere que puede haber otro «anti-universo», retrocediendo en el tiempo antes del Big Bang.

La idea asume que el universo primitivo era pequeño, caliente y denso, y tan uniforme que el tiempo parece simétrico hacia atrás y hacia adelante.

Si es cierto, la nueva teoría significa que la materia oscura no es tan misteriosa; es solo un nuevo sabor de una partícula fantasmal llamada neutrino que solo puede existir en este tipo de universo. Y la teoría implica que no habría necesidad de un período de «inflación» que expandió rápidamente el tamaño del cosmos joven poco después del Big Bang.


Si es cierto, entonces los experimentos futuros para buscar ondas gravitacionales, o para precisar la masa de los neutrinos, podrían responder de una vez por todas si existe este antiuniverso espejo.

Preservando la simetría

Los físicos han identificado un conjunto de simetrías fundamentales en la naturaleza. Las tres simetrías más importantes son: carga (si cambia las cargas de todas las partículas involucradas en una interacción a su carga opuesta, obtendrá la misma interacción); paridad (si miras la imagen especular de una interacción, obtienes el mismo resultado); y el tiempo (si ejecuta una interacción hacia atrás en el tiempo, se verá igual).

Las interacciones físicas obedecen a la mayoría de estas simetrías la mayor parte del tiempo, lo que significa que a veces hay violaciones. Pero los físicos nunca han observado una violación de una combinación de las tres simetrías al mismo tiempo. Si toma todas las interacciones observadas en la naturaleza y cambia las cargas, toma la imagen especular y la ejecuta hacia atrás en el tiempo, esas interacciones se comportan exactamente igual.

Esta simetría fundamental recibe un nombre: simetría CPT, por carga (C), paridad (P) y tiempo (T).




Creando materia oscura

Vivimos en un universo en expansión. Este universo está lleno de muchas partículas que hacen muchas cosas interesantes, y la evolución del universo avanza en el tiempo. Si extendemos el concepto de simetría CPT a todo nuestro cosmos, entonces nuestra visión del universo no puede ser la imagen completa.

En cambio, debe haber más. Para preservar la simetría CPT en todo el cosmos, debe haber un cosmos de imagen especular que equilibre el nuestro. Este cosmos tendría todas las cargas opuestas a las que tenemos nosotros, se voltearía en el espejo y retrocedería en el tiempo. Nuestro universo es sólo uno de un gemelo. En conjunto, los dos universos obedecen a la simetría CPT.

Los investigadores del estudio luego preguntaron cuáles serían las consecuencias de tal universo.

Encontraron muchas cosas maravillosas.

Por un lado, un universo que respete la CPT se expande naturalmente y se llena de partículas, sin la necesidad de un largo período teorizado de rápida expansión conocido como inflación. Si bien hay mucha evidencia de que ocurrió un evento como la inflación, la imagen teórica de ese evento es increíblemente borrosa. Es tan confuso que hay mucho espacio para propuestas de alternativas viables.

En segundo lugar, un universo que respete la CPT agregaría algunos neutrinos adicionales a la mezcla. Hay tres sabores conocidos de neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muón y el neutrino tau. Extrañamente, los tres sabores de estos neutrinos son zurdos (refiriéndose a la dirección de su giro en relación con su movimiento). Todas las demás partículas conocidas por la física tienen variedades de mano izquierda y derecha, por lo que los físicos se han preguntado durante mucho tiempo si hay neutrinos de mano derecha adicionales.

Un universo que respete la CPT exigiría la existencia de al menos una especie de neutrino diestro. Esta especie sería en gran parte invisible para los experimentos físicos, y solo influiría en el resto del universo a través de la gravedad.

Pero una partícula invisible que inunda el universo y solo interactúa a través de la gravedad se parece mucho a la materia oscura.

Los investigadores encontraron que las condiciones impuestas por obedecer la simetría CPT llenarían nuestro universo con neutrinos dextrógiros, suficientes para explicar la materia oscura.

Predicciones en el espejo

Nunca tendríamos acceso a nuestro gemelo, el universo espejo CPT, porque existe «detrás» de nuestro Big Bang, antes del comienzo de nuestro cosmos. Pero eso no significa que no podamos probar esta idea.

Los investigadores encontraron algunas consecuencias observacionales de esta idea. Por un lado, predicen que las tres especies conocidas de neutrinos zurdos deberían ser partículas de Majorana, lo que significa que son sus propias antipartículas (en contraste con las partículas normales como el electrón, que tienen contrapartes de antimateria llamadas positrones). A partir de ahora, los físicos no están seguros de si los neutrinos tienen esta propiedad o no.

Además, predicen que una de las especies de neutrinos no debería tener masa. Actualmente, los físicos solo pueden establecer límites superiores en las masas de neutrinos. Si los físicos alguna vez pueden medir de manera concluyente las masas de los neutrinos, y uno de ellos no tiene masa, eso reforzaría en gran medida la idea de un universo simétrico CPT.

Por último, en este modelo nunca ocurrió el evento de inflación. En cambio, el universo se llenó de partículas naturalmente por sí mismo. Los físicos creen que la inflación sacudió el espacio-tiempo en un grado tan tremendo que inundó el cosmos con ondas gravitacionales. Muchos experimentos están a la caza de estas ondas gravitacionales primordiales. Pero en un universo con simetría CPT, tales ondas no deberían existir. Entonces, si esas búsquedas de ondas gravitacionales primordiales resultan vacías, eso podría ser una pista de que este modelo de universo espejo CPT es correcto.

Publicado originalmente en Live Science.
Fuente: Space.com, Paul Sutter. Astrofísico en SUNY Stony Brook y el Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York. Recibió su doctorado en Física de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

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Estrella de bosones ultralivianos: ¿El universo oscuro es el origen de las ondas gravitacionales?

Los científicos que trabajan en la frontera de la física de partículas proponen la existencia teórica de un exótico bosón ultraliviano con una masa miles de millones de veces menor que la del electrón. Están buscando un origen ‘más oscuro’ de las ondas en el espacio-tiempo, al mismo tiempo que prueban la existencia de una partícula de materia oscura. Las teorías sobre el origen de la materia oscura en el universo —uno de los mayores interrogantes de la ciencia— van desde sugerir que puede ser más antigua que el Big Bang hasta la existencia de partículas del tamaño de galaxias.


Más allá del modelo estándar

La cuestión de qué partículas componen la materia oscura —“oscura” en el sentido de que no emite radiación o apenas interactúa físicamente con nada, excepto a través de su atracción gravitacional— es crucial para la física de partículas moderna. Las observaciones indican que la materia oscura existe, pero aparentemente la constituye algo diferente a las partículas del modelo estándar.

En septiembre de 2020, el LVC, organismo conjunto de LIGO Scientific Collaboration y Virgo Collaboration, anunció la detección de la señal de onda gravitacional GW190521 proveniente de la fusión de dos agujeros negros de masa estelar con una masa de 85 y 66 masas solares. El resultado final de la fusión fue un agujero negro de masa intermedia con 142 masas solares. Las 9 masas solares restantes se irradiaron como energía en forma de ondas gravitacionales.

El descubrimiento fue de suma importancia porque estos agujeros negros de masa intermedia se habían considerado durante mucho tiempo el eslabón perdido entre los agujeros negros de masa estelar que se forman a partir del colapso de las estrellas y los agujeros negros supermasivos ocultos en el centro de casi todas las galaxias.

A pesar de su importancia, la observación de GW190521 plantea un enorme desafío para la comprensión actual de la evolución estelar, porque uno de los agujeros negros fusionados tiene un tamaño «prohibido». Específicamente, los modelos estándar de evolución estelar no pueden formar agujeros negros con 85 veces la masa del sol.

La alternativa de la estrella de bosones

La explicación alternativa, dice Nicolás Sanchis-Gual, investigador postdoctoral en la Universidad de Aveiro y en el Instituto Superior Técnico (Universidad de Lisboa), abre una nueva dirección para el estudio: una superficie ‘sin retorno’, u horizonte de eventos. Cuando chocan, forman una estrella de bosones que puede volverse inestable, colapsando eventualmente en un agujero negro y produciendo una señal consistente con lo que LVC observó el año pasado. A diferencia de las estrellas regulares, que están hechas de lo que comúnmente conocemos como materia, las https://en.wikipedia.org/wiki/Exotic_star#Boson_stars estrellas bosónicas están formadas por bosones ultralivianos. Estos bosones son uno de los candidatos más atractivos para constituir la materia oscura, que forma alrededor del 27% del Universo”.

¿Materia oscura ultraligera?

Un nuevo hallazgo implica la primera observación de estrellas bosónicas, así como de su bloque de construcción, una nueva partícula conocida como bosón ultraliviano (o ultraligero) que se ha propuesto como los constituyentes de lo que conocemos como materia oscura. Si se confirma con el análisis posterior de GW190521 y otras observaciones de ondas gravitacionales, el resultado proporcionaría la primera evidencia observacional para un candidato a ser la materia oscura largamente buscada. Los candidatos de materia oscura ultraligera tienen solo una pequeña fracción de la masa de un electrón, en contraste con la materia oscura fría más popular, que incluye varios candidatos con decenas a cientos de veces la masa de un protón.

Esto elimina que deba existir un «agujero negro prohibido»

El equipo comparó la señal GW190521 con las de simulaciones por computadora de fusiones de estrellas de bosones, y descubrió que en realidad explican los datos un poco mejor que el análisis realizado por LVC, explica el codirector del equipo Juan Calderón Bustillo, miembro de Marie Curie en el Instituto Gallego de Física de Alta Energía. «Primero, ya no estaríamos hablando de colisión de agujeros negros, lo que elimina el problema de tratar con un agujero negro prohibido. En segundo lugar, debido a que las fusiones de estrellas de bosones son mucho más débiles, inferimos una distancia mucho más cercana que la estimada por LVC. Esto conduce a una masa mucho mayor para el agujero negro final, de unas 250 masas solares, por lo que el hecho de que hayamos sido testigos de la formación de un agujero negro de masa intermedia sigue siendo cierto».

Aunque el análisis tiende a favorecer adrede la hipótesis de la fusión de los agujeros negros, dice el astrofísico Toni Font , de la Universidad de Valencia y uno de los coautores, «la fusión de estrellas de bosones es, en realidad, es un poco más ajustada a los datos, aunque en un sentido manera no es concluyente. A pesar de que el marco computacional de las simulaciones de estrellas de bosones actuales sigue siendo bastante limitado y está sujeto a importantes mejoras, el equipo seguirá desarrollando un modelo más evolucionado y estudiará observaciones de ondas gravitacionales similares bajo el supuesto de una fusión de estrellas de bosones».

El hallazgo no solo implica la primera observación de estrellas bosónicas, sino también de su bloque de construcción, una nueva partícula conocida como bosón ultraliviano, dice el coautor Carlos Herdeiro de la Universidad de Aveiro. «Estos bosones ultralivianos se han propuesto como constituyentes de lo que conocemos como materia oscura. Además, el equipo puede medir la masa de esta supuesta nueva partícula de materia oscura y se descarta un valor de cero con un alto nivel de confianza».

La última palabra, J. Antonio Font

«Los estudios de inferencia sobre GW190521 llevados a cabo por la Colaboración LIGO VIRGO KAGRA (LVK) reportaron una masa de agujero negro primario de alrededor de 85 millones de soles (Msol, Msun en inglés)», escribió Antonio Font en una respuesta por correo electrónico a The Daily Galaxy que le preguntaba cómo la observación de GW190521 plantea un desafío a la comprensión actual de la evolución estelar, y si ha confirmado el análisis posterior la existencia del bosón ultraliviano.

«Esta masa está dentro del rango de masas de una supernova de inestabilidad de [producción de] pares [electrón-positrón]», explicó Font, «un tramo de masas aproximadamente entre 50 Msol y 130 Msol, donde no se espera que se formen agujeros negros a partir del colapso gravitatorio de una estrella masiva al final de su evolución. Si bien la existencia de este tramo parece ser un resultado teórico sólido, se sabe que sus límites particulares se ven afectados por factores que no se comprenden muy bien, por ejemplo, la rotación de la estrella, incertidumbres sobre las tasas de reacciones nucleares o episodios de rápida acumulación en el nacimiento del agujero negro».

«Parece, aunque improbable», prosiguió Font, «que el límite inferior del tramo pueda ascender a un valor cercano a los 85 Msol. Como resultado, ha habido una serie de explicaciones alternativas para GW190521, incluidas capturas jerárquicas, fusiones altamente no cuasi circulares, sistemas de agujeros negros toroidales de alta masa, o incluso propuestas exóticas como fusiones de agujeros negros primordiales o colisiones de hipotéticas estrellas bosónicas, siendo esta última nuestra propia propuesta».

«Actualmente estamos reevaluando nuestro análisis con algunas de las observaciones más masivas reportadas en GWTC-3 (third Gravitational-Wave Transient Catalog, o Tercer Catálogo de Transitorios de Ondas Gravitacionales de LIGO), encontrando una buena concordancia con el valor de la masa del bosón ultraliviano que inferimos de la señal GW190521. Si bien esto respalda aún más nuestra afirmación de un conflicto entre dos modelos teóricos (colisiones de agujeros negros frente a colisiones de estrellas de bosones), de ninguna manera implica (y mucho menos confirma) la existencia de bosones ultralivianos. Un fuerte apoyo para su existencia podría provenir de la detección de ondas gravitacionales continuas de nubes de bosones alrededor de agujeros negros giratorios».

Si se confirma con el análisis posterior de GW190521 y otras observaciones de ondas gravitacionales, el resultado proporcionaría la primera evidencia observacional de un origen «más oscuro» de las ondas en el espacio-tiempo y probaría la existencia de una partícula de materia oscura. El evento G2190521 se detectó cerca del borde de nuestro universo observable a una distancia de 5,3 gigaparsecs (17 mil millones de años luz). Las fusiones más cercanas de agujeros negros que abarcan el límite de masa estelar / masa intermedia pueden ayudar a confirmar la naturaleza de estos esquivos objetos.
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Fuente: Physical Review Letters / Daily Galaxy

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