27.3: Los cuásares como sondas de la evolución en el universo

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrás:

• Rastrear el ascenso y la caída de los cuásares en el tiempo cósmico
• Describir algunas de las formas en que las galaxias y los agujeros negros influyen mutuamente en el crecimiento
• Describir algunas formas en que los primeros agujeros negros pueden haberse formado
• Explique por qué algunos agujeros negros no producen emisión de cuásar sino que están quiescentes

El brillo y la gran distancia de los cuásares los convierten en sondas ideales de los confines del universo y su pasado remoto. Recordemos que al introducir por primera vez los cuásares, mencionamos que generalmente suelen estar muy lejos. Cuando vemos objetos extremadamente distantes, los estamos viendo como estaban hace mucho tiempo. La radiación de un cuásar a 8 mil millones de años luz de distancia nos está diciendo cómo eran ese cuásar y su entorno hace 8 mil millones de años, mucho más cerca de la época en que se formó por primera vez la galaxia que lo rodea. Los astrónomos han detectado ahora la luz emitida por cuásares que ya se formaron apenas unos cientos de millones de años después de que el universo comenzara su expansión hace 13.800 millones de años. Así, nos dan una oportunidad notable para conocer la época en que las grandes estructuras se estaban ensamblando por primera vez en el cosmos.

La evolución de los cuásares

Los cuásares proporcionan evidencia convincente de que vivimos en un universo en evolución, uno que cambia con el tiempo. Nos dicen que los astrónomos que vivían hace miles de millones de años habrían visto un universo que es muy diferente al universo de hoy. Los recuentos del número de cuásares a diferentes corrimientos al rojo (y así en diferentes momentos de la evolución del universo) nos muestran cuán dramáticos son estos cambios (Figura\(\PageIndex{1}\)). Ahora sabemos que el número de cuásares era mayor en el momento en que el universo era sólo el 20% de su edad actual.

Figura\(\PageIndex{1}\): Número relativo de cuásares y tasa a la que se formaron las estrellas en función de la era del universo. Una edad de 0 en las parcelas corresponde al inicio del universo; una edad de 13.8 corresponde al tiempo presente. Tanto el número de cuásares como la tasa de formación estelar estaban en un pico cuando el universo era aproximadamente 20% tan antiguo como lo es ahora.

Como puede ver, la caída en el número de cuásares a medida que el tiempo se acerca a la actualidad es bastante abrupta. Las observaciones también muestran que la emisión de los discos de acreción alrededor de los agujeros negros más masivos alcanza su punto máximo temprano y luego se desvanece. Los cuásares más poderosos se ven sólo en épocas tempranas. Para explicar este resultado, hacemos uso de nuestro modelo de la fuente de energía de los cuásares, es decir, que los cuásares son agujeros negros con suficiente combustible para hacer un brillante disco de acreción a su alrededor.

El hecho de que hubiera más cuásares hace mucho tiempo (muy lejos) que los que hay hoy (cerca) podría explicarse si hubiera más material disponible para ser acrecido por los agujeros negros temprano en la historia del universo. Se podría decir que los cuásares estaban más activos cuando sus agujeros negros tenían combustible para sus “motores productores de energía”. Si ese combustible se consumiera mayormente en los primeros miles de millones de años después de que el universo comenzara su expansión, entonces más tarde en su vida, un agujero negro “hambriento” le quedaría muy poco con el que iluminar las regiones centrales de la galaxia.

Es decir, si la materia en el disco de acreción se agota continuamente al caer en el agujero negro o al ser soplada desde la galaxia en forma de chorros, entonces un cuásar puede seguir irradiando solo mientras haya gas nuevo disponible para reponer el disco de acreción.

De hecho, había más gas alrededor para ser acrecido temprano en la historia del universo. En aquel entonces, la mayor parte del gas aún no se había derrumbado para formar estrellas, por lo que había más combustible disponible tanto para la alimentación de agujeros negros como para la formación de nuevas estrellas. Gran parte de ese combustible se consumió posteriormente en la formación de estrellas durante los primeros miles de millones de años después de que el universo comenzara su expansión. Más adelante en su vida, a una galaxia le quedaría poco para alimentar a un agujero negro hambriento o para formar más estrellas nuevas. Como vemos en Figura\(\PageIndex{1}\), tanto la formación estelar como el crecimiento del agujero negro alcanzaron su punto máximo juntos cuando el universo tenía alrededor de 2 mil millones de años. Desde entonces, ambos han estado en fuerte declive. Llegamos tarde a la fiesta de las galaxias y nos hemos perdido parte de la emoción temprana.

Las observaciones de galaxias más cercanas (vistas más tarde en el tiempo) indican que hay otra fuente de combustible para los agujeros negros centrales: la colisión de galaxias. Si dos galaxias de masa similar chocan y se fusionan, o si una galaxia más pequeña es arrastrada a una más grande, entonces el gas y el polvo de una pueden acercarse lo suficiente al agujero negro en la otra para ser devorados por él y así proporcionar el combustible necesario. Los astrónomos han descubierto que las colisiones también eran mucho más comunes al principio de la historia del universo de lo que son hoy en día. Había más galaxias pequeñas en aquellos tiempos tempranos porque con el tiempo, como veremos (en La evolución y distribución de las galaxias), las galaxias pequeñas tienden a combinarse en otras más grandes. Nuevamente, esto significa que esperaríamos ver más cuásares hace mucho tiempo (muy lejos) que hoy (cerca) —como de hecho lo hacemos nosotros.

Codependencia de Agujeros Negros y Galaxias

Una vez que las masas de agujeros negros comenzaron a medirse de manera confiable a fines de los noventa, plantearon un enigma. Parecía como si la masa del agujero negro central dependiera de la masa de la galaxia. Los agujeros negros en las galaxias siempre parecen ser apenas 1/200 la masa de la galaxia en la que viven. Este resultado se muestra esquemáticamente en la Figura\(\PageIndex{2}\), y algunas de las observaciones se trazan en la Figura\(\PageIndex{3}\).

Figura\(\PageIndex{2}\) Relación entre la Masa Agujero Negro y la Masa de la Galaxia Anfitriona. Las observaciones muestran que existe una estrecha correlación entre la masa del agujero negro en el centro de una galaxia y la masa de la distribución esférica de estrellas que rodea el agujero negro. Esa distribución esférica puede ser en forma de galaxia elíptica o bien de protuberancia central de una galaxia espiral.

Figura\(\PageIndex{3}\) Correlación entre la masa del agujero negro central y la masa contenida dentro del abombamiento de estrellas que rodean el agujero negro, utilizando datos de galaxias reales. El agujero negro siempre resulta ser alrededor de 1/200 la masa de las estrellas que lo rodean. Las barras horizontales y verticales que rodean cada punto muestran la incertidumbre de la medición. (crédito: modificación de obra de Nicholas J. McConnell, Chung-Pei Ma, “Revisiting the Scaling Relations of Black Hole Masses and Host Galaxy Properties”, The Astrophysical Journal, 764:184 (14 pp.), 20 de febrero de 2013.)

De alguna manera la masa del agujero negro y la masa del bulto circundante de estrellas están conectadas. Pero, ¿por qué existe esta correlación? Desafortunadamente, los astrónomos aún no conocen la respuesta a esta pregunta. Sabemos, sin embargo, que el agujero negro puede influir en la tasa de formación estelar en la galaxia, y que las propiedades de la galaxia circundante pueden influir en la rapidez con que crece el agujero negro. Veamos cómo funcionan estos procesos.

Cómo una galaxia puede influir en un agujero negro en su centro

Veamos primero cómo la galaxia circundante podría influir en el crecimiento y tamaño del agujero negro. Sin grandes cantidades de “comida” fresca, los alrededores de los agujeros negros brillan solo débilmente a medida que trozos de material local se deslizan hacia adentro hacia el agujero negro. Así que de alguna manera grandes cantidades de gas tienen que encontrar su camino hacia el agujero negro desde la galaxia para alimentar al cuásar y hacerlo crecer y desprender la energía para ser notado. ¿De dónde viene originalmente este “alimento” para el agujero negro y cómo podría reponerse? El jurado aún está fuera, pero las opciones son bastante claras.

Una fuente obvia de combustible para el agujero negro es la materia de la propia galaxia anfitriona. Las galaxias comienzan con grandes cantidades de gas y polvo interestelares, y al menos parte de esta materia interestelar se convierte gradualmente en estrellas a medida que la galaxia evoluciona. Por otro lado, a medida que las estrellas pasan por sus vidas y mueren, pierden masa todo el tiempo en el espacio entre ellas, devolviendo así parte del gas y polvo al medio interestelar. Esperamos encontrar más gas y polvo en las regiones centrales al principio de la vida de una galaxia que más tarde, cuando gran parte de ella se ha convertido en estrellas. Cualquiera de la materia interestelar que se aventura demasiado cerca del agujero negro puede ser acrecida por él. Esto significa que esperaríamos que el número y luminosidad de los cuásares impulsados de esta manera disminuyera con el tiempo. Y como hemos visto, eso es justo lo que encontramos.

Hoy tanto a las galaxias elípticas como a los bultos nucleares de las galaxias espirales les queda muy poca materia prima para servir como fuente de combustible para el agujero negro. Y la mayoría de los agujeros negros gigantes en galaxias cercanas, incluido el de nuestra propia Vía Láctea, ahora son oscuros y relativamente tranquilos, meras sombras de sus antiguos yo. Entonces eso encaja con nuestras observaciones.

Debemos tener en cuenta que aunque tengas un agujero negro supermasivo quiescente, una estrella de la zona podría ocasionalmente acercarse a él. Entonces las poderosas fuerzas mareales del agujero negro pueden separar a toda la estrella en una corriente de gas. Esta corriente forma rápidamente un disco de acreción que emite energía de la manera normal y convierte la región del agujero negro en un cuásar temporal. No obstante, el material caerá en el agujero negro después de solo unas semanas o meses. El agujero negro vuelve entonces a su estado acechante, quiescente, hasta que otra víctima pasea por ahí.

Este tipo de evento “caníbal” ocurre solo una vez cada 100.000 años más o menos en una galaxia típica. Pero podemos monitorear millones de galaxias en el cielo, por lo que cada año se encuentran algunos de estos “eventos de disrupción mareomotriz” (Figura\(\PageIndex{4}\)). Sin embargo, estos eventos individuales, por dramáticos que sean, son demasiado raros para dar cuenta de las enormes masas de los agujeros negros centrales.

Figura\(\PageIndex{4}\) A Bocadillos de Agujero Negro en una Estrella. La impresión de este artista muestra tres etapas de una estrella (roja) balanceándose demasiado cerca de un agujero negro gigante (círculo negro). La estrella comienza (arriba a la izquierda) en su forma esférica normal, luego comienza a ser arrastrada a una forma larga de fútbol por las mareas levantadas por el agujero negro (centro). Cuando la estrella se acerca aún más, las mareas se vuelven más fuertes que la gravedad que mantiene unida a la estrella, y se descompone en una serpentina (derecha). Gran parte de la materia de la estrella forma un disco de acreción temporal que se ilumina como un cuásar durante algunas semanas o meses.

Otra fuente de combustible para el agujero negro es la colisión de su galaxia anfitriona con otra galaxia. Algunas de las galaxias más brillantes resultan, cuando se toma una imagen detallada, ser pares de galaxias colisionantes. Y la mayoría de ellos tienen cuásares dentro de ellos, no fácilmente visibles para nosotros porque están enterrados por enormes cantidades de polvo y gas.

Una colisión entre dos autos crea un gran desastre, empujando partes fuera de su lugar habitual. De la misma manera, si dos galaxias chocan y se fusionan, entonces el gas y el polvo (aunque no tanto las estrellas) pueden ser empujados fuera de sus órbitas regulares. Algunos pueden desviarse lo suficientemente cerca del agujero negro en una galaxia u otra como para ser devorados por ella y así proporcionar el combustible necesario para alimentar un cuásar. Como vimos, las colisiones y fusiones de galaxias ocurrieron con mayor frecuencia cuando el universo era joven y probablemente ayudan a explicar el hecho de que los cuásares eran más comunes cuando el universo solo tenía alrededor del 20% de su edad actual.

Las colisiones en el universo actual son menos frecuentes, pero sí ocurren. Una vez que una galaxia alcanza el tamaño de la Vía Láctea, la mayoría de las galaxias con las que se fusiona serán galaxias mucho más pequeñas, galaxias enanas (ver el capítulo Galaxias). Estos no perturban mucho a la gran galaxia, pero pueden suministrar algo de gas adicional a su agujero negro.

Por cierto, si dos galaxias, cada una de las cuales contiene un agujero negro, chocan, entonces los dos agujeros negros pueden fusionarse y formar un agujero negro aún más grande (Figura\(\PageIndex{5}\)). En este proceso emitirán un estallido de ondas gravitacionales. Uno de los principales objetivos de la misión planeada de la Agencia Espacial Europea LISA (Laser Interferometer Space Antenna) es detectar las señales de ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros supermasivos.

Figura Galaxias\(\PageIndex{5}\) Colisionantes con Dos Agujeros Negros. Comparamos imágenes de luz visible del Telescopio Espacial Hubble (izquierda) y Chandra X-ray (derecha) de las regiones centrales de NGC 6240, una galaxia a unos 400 millones de años luz de distancia. Es un excelente ejemplo de galaxia en la que las estrellas se están formando, evolucionando y explotando a un ritmo excepcionalmente rápido debido a una fusión relativamente reciente (hace 30 millones de años). La imagen de Chandra muestra dos fuentes de rayos X brillantes, cada una producida por gas caliente que rodea un agujero negro. En el transcurso de los próximos cientos de millones de años, los dos agujeros negros supermasivos, que están a unos 3000 años luz de distancia, se desplazarán uno hacia el otro y se fusionarán para formar un agujero negro aún más grande. Esta detección de un agujero negro binario apoya la idea de que los agujeros negros pueden crecer a enormes masas en los centros de las galaxias al fusionarse con galaxias cercanas.

Observa cómo dos galaxias chocan para formar un agujero negro supermasivo.

¿Cómo influye el Agujero Negro en la Formación de Estrellas en la Galaxia?

Hemos visto que el material en las galaxias puede influir en el crecimiento del agujero negro. El agujero negro a su vez también puede influir en la galaxia en la que reside. Puede hacerlo de tres maneras: a través de sus chorros, a través de vientos de partículas que logran fluir lejos del disco de acreción, y a través de la radiación del disco de acreción. A medida que se alejan del agujero negro, los tres pueden promover la formación de estrellas comprimiendo el gas y el polvo circundantes, o en su lugar suprimir la formación de estrellas calentando el gas circundante y triturando las nubes moleculares, inhibiendo o impidiendo así la formación de estrellas. La energía de salida puede incluso ser suficiente para detener la acumulación de nuevo material y matar de hambre el agujero negro de combustible. Los astrónomos aún están tratando de evaluar la importancia relativa de estos efectos para determinar la evolución general de los bultos galácticos y las tasas de formación estelar.

En resumen, hemos visto cómo las galaxias y los agujeros negros supermasivos pueden influir cada una en la evolución del otro: la galaxia suministra combustible al agujero negro, y el cuásar puede soportar o suprimir la formación estelar. El equilibrio de estos procesos probablemente ayude a explicar la correlación entre el agujero negro y las masas abultadas, pero aún no hay teorías que expliquen cuantitativamente y en detalle por qué la correlación entre las masas de agujero negro y bulto es tan estrecha como lo es o por qué la masa del agujero negro es siempre alrededor de 1/200 veces la masa del bulto.

El nacimiento de los agujeros negros y las galaxias

Si bien la conexión entre cuásares y galaxias es cada vez más clara, el mayor rompecabezas de todos, a saber, cómo comenzaron los agujeros negros supermasivos en las galaxias, sigue sin resolverse. Las observaciones muestran que existían cuando el universo era muy joven. Un ejemplo dramático es el descubrimiento de un cuásar que ya brillaba cuando el universo tenía sólo 700 millones de años. ¿Qué se necesita para crear un gran agujero negro tan rápido? Un problema relacionado es que para eventualmente construir agujeros negros que contengan más de 2 mil millones de masas solares, es necesario tener agujeros negros gigantes “semilla” con masas al menos 2000 veces la masa del Sol, y de alguna manera deben haber sido creados poco después de que comenzara la expansión del universo.

Los astrónomos ahora están trabajando activamente para desarrollar modelos de cómo podrían haberse formado estos agujeros negros de semillas. Las teorías sugieren que las galaxias se formaron a partir de nubes colapsadas de materia oscura y gas. Parte del gas formaba estrellas, pero quizás parte del gas se asentó en el centro donde se concentró tanto que formó un agujero negro. Si esto sucediera, el agujero negro podría formarse de inmediato, aunque esto requiere que el gas no esté rotando mucho inicialmente.

Un escenario más probable es que el gas tenga algún momento angular (rotación) que evitará el colapso directo a un agujero negro. En ese caso, se formará la primera generación de estrellas, y algunas de ellas, según cálculos, tendrán masas cientos de veces la del Sol. Cuando estas estrellas terminen de quemar hidrógeno, apenas unos millones de años después, las supernovas con las que terminan crearán agujeros negros un centenar de veces más o menos la masa del Sol. Estos pueden luego fusionarse con otros o incorporar el rico suministro de gas disponible en estos primeros tiempos.

El reto es hacer crecer estos agujeros negros más pequeños lo suficientemente rápido como para hacer los agujeros negros mucho más grandes que vemos unos cientos de millones de años después. Resulta difícil porque hay límites en cuanto a la rapidez con la que pueden concretar la materia. Estos deberían tener sentido para usted a partir de lo que discutimos anteriormente en el capítulo. Si la tasa de acreción se vuelve demasiado alta, entonces la energía que fluye hacia afuera desde el disco de acreción del agujero negro se volverá tan fuerte como para soplar la materia infalible.

¿Y si, en cambio, una nube de gas colapsada no forma un agujero negro directamente o se rompe y forma un grupo de estrellas regulares, sino que se mantiene unida y hace una estrella bastante masiva incrustada dentro de un denso cúmulo de miles de estrellas de menor masa y grandes cantidades de gas denso? La estrella masiva tendrá una vida corta y pronto colapsará para convertirse en un agujero negro. Entonces puede comenzar a atraer el denso gas que lo rodea. Pero los cálculos muestran que la atracción gravitacional de las muchas estrellas cercanas hará que el agujero negro zigzaguee aleatoriamente dentro del cúmulo y evitará la formación de un disco de acreción. Si no hay disco de acreción, entonces la materia puede caer libremente en el agujero negro desde todas las direcciones. Los cálculos sugieren que bajo estas condiciones, un agujero negro incluso tan pequeño como 10 veces la masa del Sol podría crecer a más de 10 mil millones de veces la masa del Sol para cuando el universo tenga mil millones de años.

Los científicos están explorando otras ideas sobre cómo formar las semillas de agujeros negros supermasivos, y esto sigue siendo un campo de investigación muy activo. Sea cual sea el mecanismo que causó la rápida formación de estos agujeros negros supermasivos, sí nos dan una manera de observar el universo juvenil cuando apenas tenía alrededor del cinco por ciento de viejo como lo es ahora.

Echa un vistazo a algunos nuevos resultados del Observatorio de Rayos X Chandra sobre la formación de agujeros negros supermasivos en el universo temprano.

Resumen

Cuásares y galaxias se afectan entre sí: la galaxia suministra combustible al agujero negro, y el cuásar calienta e interrumpe las nubes de gas en la galaxia. El equilibrio entre estos dos procesos probablemente ayude a explicar por qué el agujero negro parece ser siempre alrededor de 1/200 la masa del bulto esférico de estrellas que rodea al agujero negro. Los cuásares eran mucho más comunes hace miles de millones de años que ahora, y los astrónomos especulan que marcan una etapa temprana en la formación de galaxias. Los cuásares tenían más probabilidades de estar activos cuando el universo era joven y el combustible para su disco de acreción estaba más disponible. La actividad del cuásar puede ser reactivada por una colisión entre dos galaxias, lo que proporciona una nueva fuente de combustible para alimentar el agujero negro.