Un descubrimiento revela que los agujeros negros de todos los tamaños siguen una regla universal

Un equipo internacional de astrónomos, co-dirigido por un investigador del Institute for Advanced Study, identificó lo que parece ser una regla universal que rige uno de los comportamientos más dramáticos de los agujeros negros: la producción de chorros poderosos. Los científicos descubrieron que los agujeros negros pueden lanzar chorros en la misma etapa crítica de su ciclo de alimentación, independientemente de su tamaño, abarcando desde agujeros negros de masa estelar, que son aproximadamente diez veces más pesados que nuestro sol, hasta agujeros negros supermasivos que son millones de veces más pesados.

El trabajo fue realizado por Andrew Mummery, miembro del Institute for Advanced Study, y Adelle Goodwin, becaria de la Forrest Research Foundation en el International Centre of Radio Astronomy Research de la Universidad Curtin, en Australia Occidental. El estudio, publicado en Nature Astronomy bajo el título "A universal critical accretion rate for black hole jet formation", reunió años de observaciones a través de múltiples longitudes de onda, combinando datos de telescopios en América, Australia, India, Sudáfrica y el espacio.

El enfoque de la investigación se centró en los eventos de interrupción de marea, que ocurren cuando una estrella pasa tan cerca de un agujero negro supermasivo que las intensas fuerzas gravitacionales la desgarran. Estos eventos ofrecieron al equipo una rara oportunidad de observar cómo se comporta un agujero negro después de recibir repentinamente un gran suministro de material estelar.

"Realmente queríamos resolver este enorme rompecabezas", afirmó Mummery. "¿Por qué algunos agujeros negros supermasivos lanzan chorros de radio inmediatamente después de desgarrar una estrella, mientras que otros permanecen completamente inactivos, solo para activar sus chorros meses o incluso años después?" Los agujeros negros a menudo se comparan con aspiradoras cósmicas, pero su comportamiento alimenticio es mucho más desordenado. "Cuando un agujero negro desgarrar una estrella, no traga todo de manera ordenada", explicó Goodwin.

Parte del material estelar cae hacia el agujero negro, mientras que gran parte puede ser violentamente expulsada al espacio a través de poderosos flujos. Estos enormes "eructos" cósmicos pueden transportar material a través de vastas distancias y afectar significativamente la evolución de las galaxias que los contienen.

Los astrónomos han sospechado durante mucho tiempo que los agujeros negros obedecen las mismas reglas físicas básicas, incluso cuando sus masas difieren enormemente. Confirmar esta idea ha sido difícil, ya que los cambios alrededor de los agujeros negros supermasivos pueden desarrollarse a lo largo de miles o incluso millones de años. Los eventos de interrupción de marea ofrecen una solución a este problema, ya que cuando una estrella es destruida, el episodio resultante de alimentación alrededor de un agujero negro supermasivo puede evolucionar en solo unos pocos años, proporcionando a los científicos una visión más rápida de procesos que de otro modo serían extremadamente difíciles de seguir en tiempo real.

La clave detrás del nuevo estudio surgió en un contexto inesperado. Durante una conferencia de astrofísica en Madrid, Mummery y Goodwin se dieron cuenta, mientras conversaban en un bar, de que la misma regla que se conoce por gobernar la producción de chorros en agujeros negros más pequeños podría también aplicarse a los supermasivos.

Para probar la idea, los investigadores examinaron veinte eventos de interrupción de marea utilizando observaciones en luz óptica, luz ultravioleta, rayos X y ondas de radio. Finalmente, redujeron la muestra a diez eventos de alta calidad para los cuales pudieron determinar de manera confiable tanto la tasa de alimentación del agujero negro como el momento de sus flujos de radio. El análisis reveló dos períodos separados en los que pueden formarse chorros.

El primero ocurre temprano, mientras el agujero negro consume material a una tasa extremadamente alta. El segundo aparece mucho más tarde, cientos o miles de días después de que la estrella fue desgarrada inicialmente. En esa etapa posterior, la tasa de alimentación del agujero negro cae a aproximadamente el dos por ciento de su límite de Eddington, el punto en el cual la presión hacia afuera de la radiación equilibra la atracción hacia adentro de la gravedad. Este umbral del dos por ciento es especialmente importante, ya que se sabe que desencadena la formación de chorros en agujeros negros mucho más pequeños dentro de nuestra galaxia. Encontrar el mismo umbral en agujeros negros supermasivos sugiere que esta parte de la física de los agujeros negros funciona de manera esencialmente similar a través de un rango enorme de masas.

Este descubrimiento también podría tener valor práctico para los astrónomos. Si los investigadores pueden predecir cuándo es probable que un agujero negro produzca un chorro retrasado, podrán programar observaciones de manera más eficiente y aumentar sus posibilidades de captar estos eventos efímeros a medida que ocurren. Esto podría optimizar el uso de telescopios muy solicitados y reducir la cantidad de observaciones realizadas cuando se espera poca actividad. La capacidad de anticipar estas erupciones puede resultar particularmente útil para grandes observatorios futuros, incluyendo el proyecto del telescopio de radio Square Kilometre Array, que se espera comience a recopilar datos científicos en 2028. "Esperamos que nuestro trabajo allane el camino para descubrimientos aún más profundos sobre nuestro universo", concluyó Mummery.