Las simulaciones en ordenador de estrellas altamente magnetizadas, que explotan y colapsan en agujeros negros, revelan que transmiten sus campos magnéticos al disco de materia arremolinada que rodea al agujero negro que acaba de nacer.
Los agujeros negros son uno de los objetos más enigmáticos y apasionantes del universo. Los cosmólogos saben que estas bestias cósmicas surgen normalmente al final de la vida de una estrella supermasiva.
Cuando este enorme sol agota su combustible nuclear, se ve incapaz de mantener el equilibrio entre la presión hacia afuera, originada por las reacciones nucleares, y la gravedad, que tiende a comprimirla. Si la masa restante de la estrella es lo suficientemente grande, generalmente más de tres veces la masa del Sol, la gravedad vence a todas las demás fuerzas y la estrella colapsa sobre sí misma.
Nace una supernova
El colapso desencadena la explosión de una supernova, que expulsa las capas exteriores de la estrella. Ahora bien, si el núcleo estrujado por a gravedad contiene más de tres veces la masa del Sol, ninguna fuerza podrá detener su colapso en un agujero negro.
Este cataclismo genera lo que los científicos conocen como una singularidad, un punto donde la densidad y la curvatura del espacio-tiempo se vuelven infinitas y que está rodeado por el denominado horizonte de eventos, que es la frontera más allá de la cual nada puede escapar.
Pero esta no es la única forma que tienen los agujeros negros de venir al mundo. En efecto, también pueden surgir de la fusión de dos agujeros negros o cuando enormes cantidades de masa se acumulan en una región pequeña del espacio, como ocurre en el centro de algunas galaxias.
Potentes estallidos de rayos gamma
Aunque los agujeros negros son más conocidos por engullir su entorno en un pozo gravitatorio del que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de él, debido a su inmensa gravedad, también pueden disparar potentes chorros de radiación y partículas cargadas.
Estos vigorosos escupitajos lanzados por los agujeros negros al medio interestelar dan lugar a estallidos de rayos gamma, también conocidos como GRB, que pueden liberar más energía en cuestión de segundos que la que emitirá el Sol en toda su vida. Para que suceda un acontecimiento de semejante calibre, el agujero negro debe contar con un potente campo magnético.
Sin embargo, la procedencia de este magnetismo ha sido hasta hoy un quebradero de cabeza para la comunidad científica.
Utilizando cálculos sobre la formación de agujeros negros, los científicos del Flatiron Institute, en la Fundación Simons (Estados Unidos), y sus colaboradores han hallado por fin el origen de esos campos magnéticos. Según anuncian en The Astrophysical Journal Letters, estos se gestan en las estrellas progenitoras de los propios agujeros negros que colapsan.
La madre de los agujeros negros
Como ya se ha mencionado, los agujeros negros pueden formarse después de que una estrella explote como supernova, dejando tras de sí un denso núcleo remanente denominado protoestrella de neutrones.
«Las protoestrellas de neutrones son las madres de los agujeros negros, ya que cuando se colapsan nace uno de ellos. Lo que vemos es que, a medida que se forma este agujero negro, el disco que rodea a la protoestrella de neutrones fija sus líneas magnéticas al agujero negro».
Ore Gottlieb, primer autor del estudio.
En palabras de este astrofísico del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron de Nueva York, «resulta muy emocionante comprender por fin esta propiedad fundamental de los agujeros negros, y cómo estos fraguan los estallidos de rayos gamma, las explosiones más luminosas del universo».
Desde que nace una estrella hasta su muerte
El objetivo inicial del equipo, al que también pertenecen los investigadores Brian Metzger, Jared Goldberg, Matteo Cantiello y Mathieu Renzo, era modelizar el viaje de una estrella desde su nacimiento hasta su colapso y la consiguiente formación de un agujero negro.
Con sus simulaciones, el equipo planeaba estudiar los flujos de salida del agujero negro, como los chorros que generan estallidos de rayos gamma. Sin embargo, el equipo de Gottlieb se topó con un problema en los modelos.
Así es, Gottlieb y sus colegas no estaban seguros de cómo modelar el comportamiento de estos campos magnéticos durante el colapso de la estrella de neutrones en el agujero negro.
Los campos magnéticos de Sagitario A*
Hay que decir que los científicos han podido constatar la presencia de campos magnéticos potentes y organizados que, por ejemplo, giran en espiral desde el borde del agujero negro supermasivo Sagitario A*, que habita en el centro de la Vía Láctea. Campos que en su estructura se antojan similares a los de Powehi, el agujero negro supermasivo que hay en el corazón de la galaxia M87, del cúmulo de Virgo.
Existen algunas teorías sobre los agujeros negros y su magnetismo, pero ninguna parece encajar cuando se tiene en cuenta la potencia de los chorros y estallidos de rayos gamma de un agujero negro, según Gottlieb.
«Lo que se creía es que los campos magnéticos de las estrellas en colapso se hunden en el agujero negro —explica Gottlieb—. Durante este colapso, estas líneas de campo magnético se hacen más fuertes a medida que se comprimen, por lo que la densidad de los campos magnéticos se hace mayor».
Chorros visibles a distancias de miles de millones de años luz
El problema con esta interpretación es que el fuerte magnetismo de la estrella hace que esta pierda su rotación. Y sin una rotación rápida, un agujero negro recién nacido no puede formar un disco de acreción —el flujo de gas, plasma, polvo y partículas que gira alrededor de un agujero negro—. Y sin esta pieza, sería incapaz de producir los chorros y estallidos de rayos gamma, tan brillantes que son visibles a distancias de miles de millones de años luz.
«Parece que se excluyan mutuamente» —dice Gottlieb. Y añade—: Para que se formen chorros se necesitan dos cosas: un campo magnético intenso y un disco de acreción. Pero un campo magnético adquirido por tal compresión no formará un disco de acreción, y si se reduce el magnetismo hasta el punto en que puede crearse el disco, entonces no es lo suficientemente fuerte como para generar los chorros».
Es como la pescadilla que se muerde la cola. Algo más estaba sucediendo, y los científicos se propusieron deshacer el entuerto yendo directamente a la fuente del padre magnético de un agujero negro: la estrella de neutrones.
El salvador de los campos magnéticos
Gottlieb y sus colegas se percataron de que tal vez las simulaciones precedentes del colapso de estrellas de neutrones no ofrecían una imagen completa.
«Hasta ahora, las simulaciones solo tenían en cuenta las estrellas de neutrones aisladas y los agujeros negros aislados, en los que todo el magnetismo se pierde durante el colapso. Sin embargo, descubrimos que estas estrellas de neutrones tienen sus propios discos de acreción, al igual que los agujeros negros», explica Gottlieb.
En palabras de este experto, quizá el disco de acreción pueda salvar el campo magnético de la estrella de neutrones. «De este modo, se formará un agujero negro con las mismas líneas de campo magnético que enhebraron la estrella de neutrones», sostiene Gottlieb.
Una herencia magnética
Los cálculos del equipo demostraron que, al colapsar una estrella de neutrones, antes de que todo su campo magnético sea engullido por el agujero negro recién formado, el disco de la estrella de neutrones es heredado por el agujero negro, y sus líneas de campo magnético quedan ancladas.
«Hicimos cálculos para los valores típicos que esperamos ver en estos sistemas, y en la mayoría de los casos, la escala de tiempo para la formación del disco del agujero negro es más corta que la del agujero negro perdiendo su magnetismo —explica Gottlieb. Y concluye—: Así que el disco permite al agujero negro heredar un campo magnético de su madre, la estrella de neutrones».
Gottlieb está entusiasmado con el nuevo descubrimiento no solo porque resuelve un antiguo misterio, sino también porque abre la puerta a nuevos estudios sobre los chorros de rayos gamma, como el estallido GRB 221009A, que fue detectado en octubre de 2022 y ha sido catalogado como el más brillante hasta ahora. Fue setenta veces más brillante que cualquier otro descubierto en más de medio siglo de observación.
“Este estudio cambia nuestra forma de pensar sobre qué tipos de sistemas pueden dar lugar a la formación de chorros, porque si sabemos que los discos de acreción implican magnetismo, entonces, en teoría, todo lo que se necesita es una formación de disco temprana para dar energía a los chorros”
Ore Gottlieb
Gottlieb concluye que sería interesante que replantearse todas las conexiones entre las poblaciones de estrellas y la formación de chorros “ahora que sabemos esto”.
