Descubren una regla universal detrás de las erupciones de agujeros negros

Un grupo de astrónomos de la Universidad Curtin ha hecho un descubrimiento sorprendente que parece determinar cuándo los agujeros negros lanzan potentes chorros de material al espacio. A pesar de que estos agujeros pueden diferir en masa por millones de veces, los investigadores encontraron que siguen un mismo patrón fundamental al producir estos enormes flujos cósmicos.

La investigación, publicada en Nature Astronomy, sugiere que los agujeros negros pueden activar sus chorros en la misma etapa crítica de su ciclo de alimentación, independientemente de si pesan aproximadamente 10 veces más que el Sol o millones de veces más. Este avance se originó tras años de estudio de eventos inusuales en los que agujeros negros supermasivos desintegran estrellas.

Combinando observaciones de telescopios ubicados en Australia, Estados Unidos, India, Sudáfrica y en el espacio, los científicos lograron armar un panorama más claro sobre cómo se comportan los agujeros negros al consumir materia. Curiosamente, el insight crucial no surgió mientras observaban a través de un telescopio, sino en un bar en Madrid, donde la doctora Adelle Goodwin y el doctor Andrew Mummery, coautores del estudio, se dieron cuenta de que la misma regla que rige la formación de chorros en agujeros negros pequeños también parecía aplicarse a los supermasivos.

Uno de los mayores misterios que los investigadores querían resolver era por qué los agujeros negros no siempre lanzan chorros al mismo tiempo. Cuando un agujero negro supermasivo desgarra una estrella, a veces produce un chorro poderoso casi de inmediato, mientras que en otras ocasiones permanece relativamente inactivo durante meses o incluso años antes de generar un flujo de radio detectable.

"Nos preguntábamos por qué el tiempo era tan diferente", comentó Goodwin. "Luego, el patrón se volvió claro. Los chorros retrasados aparecían cuando la tasa de alimentación del agujero negro caía a un mismo punto crítico ya conocido en agujeros negros mucho más pequeños. En ese momento, nos dimos cuenta de que esto no era solo una peculiaridad de un tipo de agujero negro, sino que parecía ser una regla que se aplicaba en todo el universo".

Aunque los agujeros negros son a menudo retratados como aspiradoras cósmicas que tragan todo lo que se encuentra cerca, su comportamiento alimenticio es mucho más complicado. A medida que la materia se acerca a un agujero negro, no todo necesariamente desaparece más allá del horizonte de eventos, la frontera más allá de la cual nada puede escapar. Parte de la materia puede ser expulsada al espacio a través de potentes chorros y otros flujos.

"Cuando un agujero negro desgarra una estrella, no traga todo de manera ordenada", explicó Goodwin. "Parte de la materia es consumida, y otra es lanzada de nuevo al espacio en potentes chorros y flujos. Se puede pensar en ello como un eructo de agujero negro, excepto que estos eructos pueden lanzar materia a enormes distancias e influir en las galaxias que los rodean".

Estos enormes flujos pueden transportar energía y materia lejos del agujero negro, afectando potencialmente a la galaxia circundante. Los astrónomos han sospechado durante mucho tiempo que los agujeros negros operan según las mismas leyes físicas fundamentales, independientemente de su masa. Sin embargo, demostrar esta conexión ha sido complicado.

Una de las principales dificultades es el tiempo. El comportamiento alimenticio de un agujero negro supermasivo puede cambiar a lo largo de miles de años, lo que dificulta que los astrónomos observen un ciclo completo. Goodwin y su equipo abordaron este problema estudiando eventos raros conocidos como eventos de disrupción de marea, que ocurren cuando una estrella pasa demasiado cerca de un agujero negro supermasivo y es desgarra por fuerzas gravitacionales extremas.

El equipo examinó inicialmente 20 eventos de disrupción de marea utilizando observaciones en luz visible, ultravioleta, rayos X y longitudes de onda de radio. Luego seleccionaron 10 eventos para los cuales los datos disponibles les permitieron estimar de manera confiable tanto la tasa a la que el agujero negro estaba consumiendo materia como el momento de sus flujos de radio.

Las observaciones revelaron dos etapas distintas durante las cuales los agujeros negros pueden producir chorros. La primera ocurre al inicio del proceso de alimentación, cuando el agujero negro consume materia a una tasa excepcionalmente alta. La segunda puede ocurrir mucho más tarde, cientos o incluso miles de días después de que la estrella es destruida. Durante esta fase retrasada, los chorros aparecen cuando la tasa de alimentación del agujero negro cae a aproximadamente el 2% de su límite de Eddington.

El límite de Eddington es un punto teórico que describe el momento en que la presión hacia afuera producida por la radiación equilibra la atracción gravitacional. Los astrónomos lo utilizan para medir cuán intensamente un agujero negro está alimentándose en relación con un límite físico característico.

Lo que hace que este hallazgo sea especialmente significativo es que el mismo umbral del 2% ya ha sido vinculado a la formación de chorros en agujeros negros mucho más pequeños dentro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. En otras palabras, agujeros negros separados por enormes diferencias en masa parecen activar chorros retrasados en esencialmente la misma tasa de alimentación relativa.

Más allá de revelar algo fundamental sobre la física de los agujeros negros, el descubrimiento podría ayudar a los astrónomos a hacer un uso mucho mejor de potentes telescopios de radio. El tiempo de observación en las principales instalaciones científicas es limitado y altamente competitivo. Si los astrónomos pueden estimar cuándo la tasa de alimentación de un agujero negro se acercará al umbral crítico, podrían predecir cuándo es probable que aparezca un chorro retrasado.

Esto podría reducir observaciones de seguimiento innecesarias mientras aumenta las posibilidades de detectar episodios raros de lanzamiento de chorros en momentos cruciales. Las implicaciones son particularmente importantes para Australia Occidental, que albergará el componente de baja frecuencia del Square Kilometre Array Observatory (SKA), uno de los proyectos de radioastronomía más grandes y ambiciosos jamás realizados.

La Gobernación de Australia ha invertido 387 millones de dólares en el SKA, mientras que el costo total del proyecto supera los 2 mil millones. Hacer un uso más eficiente de una instalación tan costosa podría proporcionar beneficios sustanciales a los astrónomos y a la comunidad científica en general, permitiendo potencialmente que se realicen más descubrimientos importantes con el tiempo de observación disponible.

El profesor James Arvanitakis, director de la Fundación de Investigación Forrest, destacó la importancia de apoyar a científicos en etapas tempranas de su carrera que persiguen preguntas ambiciosas sin saber de antemano a dónde los llevarán las respuestas. Este tipo de investigación abierta, a menudo descrita como investigación "blue sky", puede producir descubrimientos inesperados con beneficios que se extienden mucho más allá de la pregunta científica original.

Al vincular el comportamiento de agujeros negros relativamente pequeños al de gigantes supermasivos, los hallazgos refuerzan la idea de que los mismos procesos físicos básicos operan en escalas muy diferentes. También ofrecen a los astrónomos una forma más confiable de anticipar uno de los fenómenos más dramáticos del universo: el momento en que un agujero negro comienza a lanzar un poderoso chorro al espacio.

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