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Supernovas que "vuelan" toda una galaxia

Simulaciones en computadora nos muestran la extraña historia de las protogalaxias primitivas que no lograron encender sus estrellas, y finalmente colapsaron en agujeros negros tremendamente supermasivos… hasta ahora inexplicables para la ciencia

Todo lo que la galaxia joven había conocido era la oscuridad. Por un tiempo coexistió con una multitud ardiente, merodeando por el universo temprano y recogiendo materia oscura y gas. Entonces las cosas empezaron a cambiar. Las otras galaxias se enfriaron y se establecieron, dando origen a estrellas brillantes que impactaron la niebla y la oscuridad.

Pero aún intentando e intentando, la malhumorada galaxia no podía evitar la oscuridad en su núcleo. Tomaba temperatura con el resplandor de sus antiguas amigas, que crecían calentándose más y más… hasta que un día explotó.

Estas melancólicas protogalaxias podrían explicar cómo fueron creados los agujeros negros supermasivos en los inicios del universo, y como éstos fueron las semillas de las galaxias maduras que vemos hoy. Si esta idea es cierta, deberíamos ser capaces de ver estas inusuales explosiones con la próxima generación de telescopios.

Los agujeros negros nacen cuando las estrellas muy masivas explotan y se derrumban sobre sí en restos ultradensos. Los agujeros negros estelares pueden tener, aproximadamente, hasta 10 veces la masa del Sol. Pero también vemos agujeros negros supermasivos de millones a miles de millones de veces la masa del Sol en los núcleos de la mayoría de las galaxias maduras.

Los astrónomos creen que los agujeros negros crecen al fusionarse con otros agujeros negros. Cuando dos galaxias colisionan, sus agujeros negros centrales se zambullen en el centro, creando una nueva galaxia con un agujero negro aún más masivo en su núcleo. Sin embargo, algunas galaxias llegaron a albergar agujeros negros inusualmente masivos unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang. Eso no es suficiente tiempo para que pudiesen haber crecido por medio de fusiones, dejando a los astrónomos un supermasivo enigma.

Despojada de refrigerante

Una posibilidad es que la mayoría de la masa de algunas protogalaxias haya colapsado en monstruosos agujeros negros, que luego podrían fusionarse para dar lugar a las primeras versiones de los núcleos supermasivos de las galaxias, dice Daniel Whalen, del Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México. La mayoría de las primeras galaxias nacieron como nubes de hidrógeno atómico que eran demasiado calientes como para formar estrellas. Con el tiempo se enfriaron y comenzaron a formar el hidrógeno molecular, lo cual les ayudó a enfriarse aún más rápido. En estas galaxias, los densos paquetes de gas frío pudieron colapsar y encender las nuevas estrellas.

Sin embargo, algunas protogalaxias cercanas fueron bañadas por una intensa radiación ultravioleta generada por las estrellas recién nacidas, despojándolas de su hidrógeno molecular. Sin ningún tipo de refrigerante, estas protogalaxias no pudieron formar estrellas y en cambio empezaron a calentarse. «El gas se pone más y más caliente y de ninguna manera puede colapsar», dice Whalen. Él y sus colegas realizaron simulaciones por computadora que muestran que las protogalaxias calientes pueden llegar a tener 100 millones de veces la masa del Sol sin formar una sola estrella.

Cuando una protogalaxia alcanza esa masa, el gas que cae desde el espacio intergaláctico se calienta tanto que los átomos de hidrógeno chocan violentamente, moviendo sus electrones desde sus niveles de energía más bajos hasta los peldaños siguientes, los más altos en la escala de la energía atómica. Cuando estos electrones vuelven a su estado original, emiten un fotón que transporta la energía a la distancia. En otras palabras, el gas de la protogalaxia finalmente tiene una forma de enfriarse.

Semillas galácticas

Los modelos muestran que la protogalaxia se enfría tan rápidamente que en unos pocos millones de años su gas se comprime para formar una sola bola de gas de 100.000 a un millón de veces la masa del Sol.

En otro estudio, los investigadores del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania, sugirieron que esas enormes nubes de gas en el universo primitivo podrían colapsar directamente en obesos agujeros negros, de millones de veces la masa del Sol.

Sin embargo, las simulaciones de Whalen mostraron que la mayoría de las veces estas bolas colapsaron en agujeros negros de sólo unas pocas decenas de miles de veces la masa del Sol; algo impresionante, pero apenas supermasivo. En algunos casos, el modelo muestra que el gas forma una estrella supermasiva que pasa su corta vida al borde de la estabilidad. «Si se forman estas estrellas, pueden explotar como una supernova de enorme energía», dice Whalen. «Será la explosión más enérgética en el universo.» Los restos de este tipo de supernova regresarían entonces al dominio gravitatorio de la materia oscura de la galaxia. La mayor parte colapsaría para formar un agujero negro.

«Y voilá, tienes un agujero negro con la masa en algún lugar entre 10.000 y un millón de masas solares», dice Whalen. «Son las semillas de los agujeros negros supermasivos que vemos más tarde».

El nacimiento del agujero negro también desencadena un estallido de formación estelar en los escombros galácticos restantes; las semillas de una nueva galaxia. Las simulaciones del equipo sugieren que las supernovas súper masivas, y los destellos siguientes, tienen espectros característicos únicos de radiación que los futuros observatorios, como el Telescopio Espacial James Webb, tiene que ser capaces de detectar.

Referencia de publicación: arxiv.org/abs/1305.6966 , presentado a The Astrophysical Journal.

Fuente: New Scientist. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Secretos del agujero negro: revelando las S-Estrellas

En el centro de la Vía Láctea reside un agujero negro supermasivo. Sin embargo, no es el misterioso objeto que los científicos Fabio Antonini, del Instituto Canadiense de Astrofísica Teórica, y David Merritt, del Instituto de Tecnología de Rochester, han estado tratando de explicar. Los objetos que tienen su atención son las órbitas de las masivas estrellas jóvenes cerca de él. Se les llama «S-Estrellas» (o Estrellas-S)

No. Eso no es un tartamudeo. Las S-estrellas son un fenómeno legítimo que permite a los investigadores examinar más de cerca la actividad del agujero negro. Su sola presencia hace que los astrónomos cuestionen lo que saben. Por ejemplo, ¿cómo es posible que estas jóvenes estrellas masivas orbiten tan cerca de una región en la que sería muy poco probable que se formaran? La fuerza de la gravedad muy fuerte cerca de un agujero negro significa que estas estrellas tienen que haber estado alguna vez más lejos de la posición observada. Sin embargo, cuando se crearon los modelos teóricos para representar la forma en que las S-Estrellas podría haber viajado a sus posiciones orbitales actuales, los números simplemente no coincidieron. ¿Cómo podrían estar sus órbitas tan radicalmente retiradas de las predicciones?

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"Los universos evolucionan dentro de los agujeros negros", teorías radicales de ESO y Oxford

La selección natural cosmológica, una idea presentada por primera vez en la década de los 90 para explicar el aparente «ajuste fino» de los parámetros básicos del universo para permitir la existencia de los átomos, galaxias y la vida misma, propone que si los nuevos universos nacen en el interior de agujeros negros, podría tomar forma un ‘multiverso’ de muchos universos posibles por un proceso similar a la selección natural, de modo que las generaciones sucesivas de universos evolucionen para hacerse mejores para formar agujeros negros

Una nueva investigación de la Universidad de Oxford se basa en la hipótesis de la selección natural cosmológica. El equipo del teórico de la evolución Andy Gardner y el físico teórico Joseph Conlon en Oxford encontró que una ecuación básica de la genética evolutiva —llamado teorema de Price— puede capturar el proceso de la selección natural cosmológica y explicar cómo el universo parece diseñado con el propósito de formar agujeros negros, además de explicar que un pez puede parecer «diseñado» para nadar bajo el agua o un pájaro puede parecer «diseñado» para volar.

«Esta idea de la selección natural cosmológica es controvertida, y los físicos han señalado todo tipo de problemas con ella. Pero nosotros estábamos interesados en ver si su lógica básica respecto a la evolución realmente funciona», dijo el doctor Andy Gardner, del Departamento de Zoología de la Universidad de Oxford, autor principal del artículo.

«Hemos encontrado que una ecuación general de la genética evolutiva, el teorema de Price, nos puede ayudar a modelar la forma en que la selección puede trabajar no sólo a la escala de genes y organismos, sino también a la de algo tan inimaginablemente vasto como los universos múltiples», dijo el Dr. Gardner. «Nuestro modelo utiliza matemáticas similares a la teoría matemática implicada en la adaptación darwiniana en biología, que explica cómo la dinámica de la selección natural lleva a organismos que parecen diseñados para maximizar su ajuste.

Los investigadores señalan que la evolución de los universos es en muchos aspectos muy diferente de la evolución de los animales. Para empezar, en un multiverso de muchos universos posibles no existe un concepto real de cambio a lo largo del tiempo. Sin embargo, sus modelos de universos en evolución son muy similares a los modelos de la evolución bacteriana, donde las generaciones evolucionan desde la gemación asexual de las células.

Un informe de la investigación, titulado «Selección natural cosmológica y el propósito del universo» (Cosmological natural selection and the purpose of the universe [PDF]), se publica en la revista Complexity.

Anteriormente, en 2009, surgió otra teoría de un conjunto de datos sobre un agujero negro sin hogar: agujeros negros que pueden estar «construyendo» su propia galaxia madre. Este podría ser el eslabón perdido largamente buscado para comprender por qué las masas de los agujeros negros son mayores en las galaxias que contienen más estrellas.

«La cuestión de «El huevo y la gallina» sobre si es primero la galaxia o su agujero negro, es uno de los temas más debatidos hoy en astrofísica», dice David Elbaz. «Nuestro estudio sugiere que los agujeros negros supermasivos pueden desencadenar la formación de estrellas, y así ‘construir’ sus propias galaxias. Este eslabón también puede explicar por qué las galaxias que albergan agujeros negros más grandes tienen más estrellas «.

Para llegar a una conclusión tan extraordinaria, el equipo de astrónomos realizó exhaustivas observaciones de un objeto peculiar, el cercano cuásar HE0450-2958, que es el único para el cual todavía no se ha detectado una galaxia madre. HE0450-2958 está ubicado a unos 5.000 millones de años luz de distancia.

Hasta entonces, se había especulado que la galaxia madre del cuásar estaba escondida detrás de grandes cantidades de polvo, por lo que los astrónomos utilizaron para las observaciones un instrumento de infrarrojo medio en el VLT, o Telescopio Muy Grande, de ESO. En estas longitudes de onda, las nubes de polvo brillan mucho, y se detectan fácilmente. «Observar a estas longitudes de onda nos permitiría localizar el polvo que podría esconder la galaxia madre», dice Knud Jahnke, quien dirigió las observaciones realizadas en el VLT. «Sin embargo, no encontramos ninguna. En cambio, descubrimos que una galaxia que parece no relacionada en las cercanías del cuásar está produciendo estrellas a una velocidad frenética «.

Estas observaciones han proporcionado una nueva y sorprendente toma del sistema. Mientras que no se revela ningún rastro de estrellas alrededor del agujero negro, la galaxia que la acompaña es extremadamente rica en muy jóvenes y brillantes estrellas. Está formando estrellas a una velocidad equivalente a unos 350 soles por año, cien veces más que las velocidades de las galaxias típicas en el Universo local.

Las observaciones anteriores habían mostrado que la galaxia que la acompaña está, de hecho, «bajo fuego»: el cuásar está arrojando un chorro de partículas altamente energéticas hacia su acompañante, junto a una corriente de gas que se mueve rápidamente. La inyección de materia y energía hacia la galaxia indica que el mismo cuásar podría estar induciendo la formación de estrellas y creando su propia galaxia madre. En un escenario así, las galaxias habrían evolucionado a partir de nubes de gas impactadas por los energéticos chorros que emergen de los cuásares.

«Los dos objetos habrán de fusionarse en el futuro: el cuásar se está moviendo a una velocidad de sólo unas pocas decenas de miles de km/h con respecto a la galaxia acompañante, y su separación es de sólo 22.000 años luz», dice Elbaz. «Aunque el cuásar aún está ‘desnudo’, eventualmente estará ‘vestido’ cuando se fusione con su compañera rica en estrellas. A continuación, finalmente residirá dentro de una galaxia madre como todos los demás cuásares «.

Por lo tanto, el equipo ha identificado a los chorros del agujero negro como posibles impulsores de la formación de galaxias, lo cual también puede representar el eslabón perdido largamente buscado para comprender por qué la masa de los agujeros negros es mayor en las galaxias que contienen más estrellas.

«Una extensión natural de nuestro trabajo es buscar objetos similares en otros sistemas», dice Jahnke.

Nuevos instrumentos y futuros, como el hace poco inaugurado Gran Conjunto Milimétrico/submilimétrico de Atacama, el Telescopio Europeo Extremadamente Grande y el Telescopio Espacial James Webb la NASA/ESA/CSA, podrán buscar objetos así a distancias aún más grandes de nosotros, sondeando la conexión entre agujeros negros y la formación de galaxias en el Universo más distante.

Fuente: The Daily Galaxy. Aportado por Eduardo J. Carletti

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