Agujero negro supermasivo: definición y papel en las galaxias
Descubre qué es un agujero negro supermasivo, su enorme masa y el papel clave que juega en la formación, dinámica y evolución de las galaxias.
Un agujero negro supermasivo (SMBH o, menos a menudo, SBH) es un agujero negro con una masa que está entre 105 y 1010 la masa del Sol. Los científicos están seguros de que casi todas las galaxias, incluida la Vía Láctea, tienen agujeros negros supermasivos en sus centros.
¿Qué los define y cómo es su tamaño?
Un agujero negro supermasivo se define principalmente por su enorme masa y por estar ubicado en el núcleo galáctico. La distancia característica que rodea a un agujero negro se mide por su radio de Schwarzschild, que crece linealmente con la masa: aproximadamente 3 km por cada masa solar. Así, un agujero negro de 109 M☉ tendría un radio de Schwarzschild del orden de 3 x 109 km (varias unidades astronómicas), y su región de influencia gravitatoria puede abarcar desde fracciones de parsec hasta cientos de parsecs, dependiendo de la galaxia.
Cómo se forman (teorías)
- Colapso directo: formación a partir del colapso directo de nubes de gas masivas en el universo temprano, produciendo semillas de 104–106 M☉.
- Remanentes estelares y crecimiento por acreción: agujeros negros formados por estrellas masivas que crecen mediante acreción sostenida de gas y fusiones.
- Fusiones de cúmulos estelares: colapsos en racimos densos que generan objetos masivos que luego se convierten en núcleos de agujeros negros.
- Fusiones de agujeros negros: colisiones de agujeros negros menores y sucesivas fusiones durante la historia de la galaxia.
La presencia de quásares luminosos a tiempos cosmológicos muy tempranos (menos de 1.000 millones de años tras el Big Bang) plantea un reto: explica cómo algunos SMBH alcanzaron masas de 109 M☉ tan rápidamente. Probablemente se combinan varios mecanismos (semillas masivas y fases de acreción extremadamente eficientes).
Evidencias observacionales
- Dinámica estelar y de gas: mediciones de velocidades de estrellas y gas en el centro galáctico permiten inferir una masa compacta invisible. Este es el método que confirmó la presencia de un SMBH en la Vía Láctea (Sagitario A*).
- Imágenes de horizonte: el Telescopio Horizonte de Sucesos (EHT) produjo la primera imagen del entorno inmediato de un SMBH en M87 (2019) y de Sagitario A* (2022), mostrando características compatibles con modelos de agujero negro.
- Emisión electromagnética: núcleos galácticos activos (AGN) y quásares brillan porque el gas caliente que cae en el SMBH forma discos de acreción que emiten en radio, óptico, ultravioleta y rayos X.
- Masers y trazadores moleculares: movimientos precisos de discos de gas maser permiten medir masas con gran exactitud.
- Olas gravitacionales y pulsares: fusiones de agujeros negros supermasivos aún no han sido observadas directamente por detectores terrestres, pero los experimentos con redes de pulsos (pulsar timing arrays) han empezado a detectar señales compatibles con un fondo de ondas gravitacionales producido por SMBH binarios.
Rol en la evolución de las galaxias
Los agujeros negros supermasivos no son objetos pasivos: influyen de manera significativa en la formación y evolución de su galaxia anfitriona.
- Retroalimentación (feedback): cuando el SMBH acreta materia, puede expulsar energía y materia mediante vientos y chorros (jets). Esta retroalimentación puede detener la formación de estrellas al calentar o expulsar el gas, o en algunos casos estimular la formación estelar al comprimir nubes de gas.
- Correlaciones observadas: existen relaciones empíricas entre la masa del SMBH y propiedades de la galaxia (por ejemplo, la relación masa de SMBH–velocidad de dispersión estelar, conocida como relación M–σ), lo que sugiere coevolución entre núcleo y bulbo galáctico.
- Fusiones galácticas: cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros centrales pueden formar un binario y eventualmente fusionarse, cambiando la estructura dinámica de la galaxia resultante y liberando gran cantidad de energía.
Fenómenos asociados
- Discos de acreción: discos calientes y radiantes alrededor del SMBH son la fuente principal de luminosidad en los AGN.
- Jets relativistas: chorros colimados que emergen de regiones próximas al agujero negro y pueden extenderse mucho más allá de la galaxia, influyendo en el medio intergaláctico.
- Variabilidad: los cambios de brillo en tiempos cortos revelan procesos dinámicos en la región próxima al horizonte.
- Fenómenos transitorios: eventos de interrupción de marea (tidal disruption events) ocurren cuando una estrella pasa demasiado cerca y es desgarrada por las fuerzas de marea, produciendo un destello luminoso temporal.
Métodos de detección y medición
- Estudios cinemáticos de estrellas y gas en el centro galáctico.
- Reverberación (reverberation mapping) en AGN para estimar tamaños de regiones emisoras y masas.
- Observaciones en radio con VLBI para resolver estructuras compactas y jets (p. ej. EHT).
- Espectroscopía en múltiples longitudes de onda (rayos X, óptico, radio).
- Estudios de ondas gravitacionales y pulsar timing arrays para SMBH binarios a gran escala.
Perspectivas futuras
En las próximas décadas, observatorios como LISA en el rango del espacio y mejoras en redes de VLBI, telescopios de rayos X y campañas de pulsar timing ampliarán nuestra comprensión de la población de SMBH, su crecimiento y su papel como motores de la evolución galáctica. La astronomía multimensajero (luz + ondas gravitacionales) permitirá estudiar fusiones de SMBH y los efectos de retroalimentación con detalle creciente.
Resumen
Los agujeros negros supermasivos son componentes casi universales de las galaxias grandes, con masas entre 105 y 1010 M☉. Su detección se basa en la dinámica central, la radiación de acreción y, recientemente, en imágenes del entorno del horizonte. Juegan un papel clave en la formación y evolución de las galaxias mediante procesos de retroalimentación, fusiones y acreción, y siguen siendo un campo activo de investigación para entender su origen y su influencia a escalas cósmicas.
El agujero negro supermasivo dentro del núcleo de la galaxia elíptica supergigante Messier 87 en la constelación de Virgo. El agujero negro fue el primero en ser fotografiado directamente (Event Horizon Telescope, publicado el 10 de abril de 2019).
Concepto artístico de un cuásar: un agujero negro supermasivo en crecimiento en el centro de una galaxia
Formación
Todavía no se sabe cómo se originan los agujeros negros supermasivos. Los astrofísicos están de acuerdo en que, una vez que un agujero negro se encuentra en el centro de una galaxia, puede crecer atrayendo materia y fusionándose con otros agujeros negros. La formación de agujeros negros ordinarios (del tamaño de una estrella) a partir de la muerte de las primeras estrellas ha sido ampliamente estudiada y respaldada por las observaciones.
Sin embargo, parece haber una brecha entre los agujeros negros de masa estelar y los agujeros negros supermasivos.
Los agujeros negros de masa estelar, formados a partir del colapso de estrellas, pueden alcanzar hasta 33 masas solares. El agujero negro supermasivo mínimo se sitúa en el rango de las cien mil masas solares. Entre estos extremos parece haber pocos agujeros negros de masa intermedia. Esta diferencia sugeriría que ambos tipos se formaron mediante procesos diferentes.
Las observaciones muestran que los cuásares eran mucho más frecuentes cuando el Universo era más joven. Agujeros negros supermasivos de miles de millones de masas solares ya se habían formado cuando el Universo tenía menos de mil millones de años. Esto sugiere que los agujeros negros supermasivos surgieron muy pronto en el Universo, dentro de las primeras galaxias masivas.
La Vía Láctea SBH
Los astrónomos están seguros de que nuestra propia Vía Láctea tiene un agujero negro supermasivo en su centro. Se encuentra a 26.000 años luz del Sistema Solar, en dirección a la constelación de Sagitario. La región se llama Sagitario A*, y las pruebas de que es un agujero negro son:
- La estrella S2 sigue una órbita elíptica con un periodo de 15,2 años y un pericentro (distancia más cercana) de 17 horas luz (1,8×1013 m o 120 UA) desde el centro del objeto central.
- A partir del movimiento de la estrella S2, la masa del objeto puede estimarse en 4,1 millones de masas solares.
- El radio del objeto central debe ser significativamente inferior a 17 horas-luz, porque de lo contrario, S2 colisionaría con él o sería desgarrado por las fuerzas de marea. De hecho, observaciones recientes indican que el radio no es superior a 6,25 horas-luz, aproximadamente el diámetro de la órbita de Urano.
- Sólo un agujero negro es lo suficientemente denso como para contener 4,1 millones de masas solares en este volumen de espacio.
El Instituto Max Planck de Física Extraterrestre y el Grupo del Centro Galáctico de la UCLA han aportado pruebas fehacientes de que Sagitario A* alberga un agujero negro supermasivo. Esto se basa en los datos del ESO y del telescopio Keck. Se calcula que nuestro agujero negro central galáctico tiene una masa de aproximadamente 4,1 millones de masas solares, es decir, unos 8,2 × 1036 kg.
Órbitas inferidas de 6 estrellas alrededor del candidato a agujero negro supermasivo Sagitario A* en el centro galáctico de la Vía Láctea.
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