Velocidad de la Luz: Cómo el Agujero Negro de Nuestra Galaxia Dobla el Espaciotiempo

Esta ilustración de un artista muestra una sección transversal del agujero negro supermasivo y el material circundante en el centro de nuestra galaxia. La esfera negra en el centro representa el horizonte de sucesos del agujero negro, el punto de no retorno del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Al observar el agujero negro giratorio desde el lado, como se muestra en esta ilustración, el espacio-tiempo circundante tiene forma de un balón de fútbol americano. El material amarillo-naranja a cada lado representa gas que gira alrededor del agujero negro. Este material inevitablemente se precipita hacia el agujero negro y cruza el horizonte de sucesos una vez que cae dentro de la forma de balón de fútbol. Por lo tanto, la zona dentro de la forma de balón de fútbol pero fuera del horizonte de sucesos se representa como una cavidad. Los puntos azules muestran chorros que salen de los polos del agujero negro giratorio. Crédito: NASA/CXC/M.Weiss

Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, gira a una velocidad que deforma su espacio-tiempo circundante, influyendo en la dinámica galáctica y potencialmente afectando la formación futura de estrellas.

El agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea está girando tan rápido que está deformando el espacio-tiempo que lo rodea en una forma que puede parecerse a un balón de fútbol, según un nuevo estudio que utiliza datos del Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA y la Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) de la Fundación Nacional de Ciencias.

Los astrónomos llaman a este gigante agujero negro Sagitario A* (Sgr A*), que se encuentra a unos 26,000 años luz de la Tierra en el centro de nuestra galaxia.

Los agujeros negros tienen dos propiedades fundamentales: su masa (cuánto pesan) y su giro (con qué rapidez giran). Determinar cualquiera de estos dos valores dice mucho a los científicos sobre cualquier agujero negro y cómo se comporta.

Un equipo de investigadores aplicó un nuevo método que utiliza datos de rayos X y radio para determinar qué tan rápido está girando Sgr A* basado en cómo fluye el material hacia y desde el agujero negro. Encontraron que Sgr A* está girando con una velocidad angular, el número de revoluciones por segundo, que es aproximadamente el 60% del valor máximo posible, un límite establecido por el hecho de que el material no puede viajar más rápido que la velocidad de la luz.

En el pasado, diferentes astrónomos hicieron varias estimaciones de la velocidad de rotación de Sgr A* utilizando diferentes técnicas, con resultados que van desde que Sgr A* no gira en absoluto hasta que gira casi a la máxima velocidad.

“Nuestro trabajo puede ayudar a resolver la cuestión de qué tan rápido gira el agujero negro supermasivo de nuestra galaxia”, dijo Ruth Daly de la Universidad Estatal de Pensilvania, autora principal del nuevo estudio. “Nuestros resultados indican que Sgr A* está girando muy rápido, lo cual es interesante y tiene implicaciones de largo alcance.”

Imagen de rayos X de Chandra de Sagitario A* y la región circundante. Crédito: NASA/CXC/Univ. de Wisconsin/Y.Bai, et al.

Un agujero negro en rotación arrastra el “espacio-tiempo” (la combinación de tiempo y las tres dimensiones del espacio) y la materia cercana a medida que gira. El espacio-tiempo alrededor del agujero negro giratorio también se aplasta. Al mirar un agujero negro desde arriba, a lo largo del cañón de cualquier chorro que produzca, el espacio-tiempo es de forma circular. Sin embargo, al observar el agujero negro giratorio desde el lado, el espacio-tiempo tiene forma de balón de fútbol. Cuanto más rápido sea el giro, más plano será el balón de fútbol.

El giro de un agujero negro puede actuar como una importante fuente de energía. Los agujeros negros supermasivos giratorios pueden producir emisiones colimadas, es decir, estrechos chorros de material, como jets, cuando su energía de giro es extraída, lo cual requiere que exista al menos algo de materia en las cercanías del agujero negro. Debido al combustible limitado alrededor de Sgr A*, este agujero negro ha sido relativamente tranquilo en los últimos milenios, con jets relativamente débiles. Sin embargo, este trabajo muestra que esto podría cambiar si la cantidad de material en las cercanías de Sgr A* aumenta.

“Un agujero negro en rotación es como un cohete en la plataforma de lanzamiento”, dijo Biny Sebastian, coautor de la Universidad de Manitoba en Winnipeg, Canadá. “Una vez que el material queda lo suficientemente cerca, es como si alguien hubiera abastecido de combustible al cohete y hubiera presionado el botón de ‘lanzar’.”

Esto significa que en el futuro, si las propiedades de la materia y la fuerza del campo magnético cerca del agujero negro cambian, parte de la enorme energía del giro del agujero negro podría impulsar emisiones más poderosas. Este material fuente podría provenir de gas o de los restos de una estrella desgarrada por la gravedad del agujero negro si esa estrella se acerca demasiado a Sgr A*.

“Jets powered and collimated by a galaxy’s spinning central black hole can profoundly affect the gas supply for an entire galaxy, which affects how quickly and even whether stars can form,” said co-author Megan Donahue from Michigan State University. “The ‘Fermi bubbles’ seen in X-rays and gamma rays around our Milky Way’s black hole show the black hole was probably active in the past. Measuring the spin of our black hole is an important test of this scenario.”

To determine the spin of Sgr A*, the authors used an empirically based theoretical method referred to as the “outflow method” that details the relationship between the spin of the black hole and its mass, the properties of the matter near the black hole, and the outflow properties. The collimated outflow produces the radio waves, while the disk of gas surrounding the black hole is responsible for the X-ray emission. Using this method, the researchers combined data from Chandra and the VLA with an independent estimate of the black hole’s mass from other telescopes to constrain the black hole’s spin.

“We have a special view of Sgr A* because it is the nearest supermassive black hole to us,” said co-author Anan Lu from McGill University in Montreal, Canada. “Although it’s quiet right now, our work shows that in the future it will give an incredibly powerful kick to surrounding matter. That might happen in a thousand or a million years, or it could happen in our lifetimes.”

The supermassive black hole in the center of the Milky Way is spinning so quickly that it is warping the spacetime surrounding it into a shape that can look like an American football. This result was made using data from NASA’s Chandra X-ray Observatory, an X-ray telescope in space, and the NSF’s Very Large Array, an array of radio telescopes in New Mexico. Credit: NASA/CXC/A. Hobart

The paper describing these results led by Ruth Daly is published in the January 2024 issue of the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Reference: “New black hole spin values for Sagittarius A* obtained with the outflow method” by Ruth A Daly, Megan Donahue, Christopher P O’Dea, Biny Sebastian, Daryl Haggard and Anan Lu, 21 October 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. DOI: 10.1093/mnras/stad3228

In addition to those mentioned above, the authors are Christopher O’Dea (University of Manitoba), and Daryl Haggard (McGill University).

NASA’s Marshall Space Flight Center manages the Chandra program. The Smithsonian Astrophysical Observatory’s Chandra X-ray Center controls science operations from Cambridge, Massachusetts, and flight operations from Burlington, Massachusetts.