CIENCIA2: ASTRONOMÍA. EL UNIVERSO MAGNÉTICO. El magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influenciados, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. También el magnetismo tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de la onda electromagnética, como, por ejemplo, la luz.

EL UNIVERSO MAGNÉTICO

Javier Armentia
URL: http://javarm.blogalia.com/historias/41044

(Artículo publicado originalmente en la bitácora Por la boca muere el pez)

Puede sorprender saber que una cuarta parte de la radiación que existe en el Universo proviene de la materia que está cayendo en agujeros negros, en concreto en agujeros negros supermasivos que ocupan el interior de galaxias activas y cuásares.

Dejo así la primera frase de un texto que es atrevido, y perdónenme por ello. En un momentito he introducido términos como "agujeros negros", "galaxias activas" y "cuásares" (muchos lectores habrán pensado que la forma que empleo en castellano es un tanto atípica, porque a menudo se puede leer "quasars" o "quasares" o a lo más "cuasares". A mí me gusta cuásares, y como tal voté por ese término como el mejor para ser incluido en la terminología astronómica del dicccionario internacional de astronomía, una magna obra que Josip Kleczek, astrónomo checo que elaboró esa especie de biblia políglota de las ciencias cósmicas para la Unión Astronómica Internacional hace más de 15 años...). Terminologías aparte, una entrada que hable de agujeros negros exigiría, por mor divulgativo, una explicación medianamente pausada por qué es ese término realmente, aparte de las explicaciones populares que incluso lo han introducido en el lenguaje común. Pero me alejaría de la noticia que quiero recoger: tomémoslos como entidades que provienen de las teorías de la física, y que conciben lugares del Universo con un campo gravitatorio tan intenso que un objeto debería superar la velocidad de la luz -algo por otro lado imposible- para escapar de esa atracción. Dado que ni la luz sería capaz de huir de un "hoyo negro" -como suelen traducirlo en Hispanoamérica-, resulta que los agujeros negros son una especie de sumideros absolutos: cualquier cosa que caiga hacia ellos, no escapará y caerá dentro. Sucede que cuando se aproxima uno a un agujero negro, las leyes convencionales de la física -incluso de la física moderna relativista- funcionan de forma un tanto paradójica. Baste por el momento saber que, una vez superado cierto "punto de no retorno", si uno se cae para un agujero negro, no habrá forma de escaparse.

Lejos de las especulaciones teóricas, los agujeros negros existen: desde hace más de 40 años se han identificado objetos celestes cuyo comportamiento sólo puede ser explicado si consideramos que el motor central de lo que observamos es un agujero negro. No hay así observaciones directas, pero sí evidencias suficientes como para concluir que los agujeros negros no son veleidades de la física teórica, sino una completa realidad.

Un punto que necesita explicación antes de que sigamos (y aviso que tenemos que seguir muuuucho más lejos, así que perdonen porque iré dando pasos amplios, confiando en la generosidad del lector): si he hablado de un agujero negro como un sumidero del que nada escapa... ¿cómo es que la primera frase hablaba de la radiación que escapa de ellos? Así es la vida, al menos la vida astrofísica del Universo: cuando la materia va cayendo a un agujero negro, sufre una enorme aceleración gravitatoria que acelera la caída, pero en general también la materia se comprime -también se estirará en la dirección hacia el centro, complicando más la cosa-. Lo más normal es que la materia no caiga directamente -es decir, en línea recta- hacia un agujero negro, sino que se ponga en órbita que va degradándose hacia el interior. No sé si conocen ese típico módulo de muchos museos de ciencia en los que hay una superficie hiperbólica con un agujero en el centro, una especie de sumidero en forma de trompeta. El visitante es invitado a lanzar una moneda o una bola para ponerla en órbita de ese objeto. Pero la órbita no es circular, sino que se degrada en una espiral hacia el interior, que provoca que ese objeto vaya describiendo órbitas cada vez de radio menor hasta llegar a la zona centra -y desaparecer, en el modelo, por el agujero del centro.

Es un buen modelo de esos pozos gravitatorios. Sucede que habitualmente la materia que cae sobre un agujero negro no son bolas o monedas, como en los museos de ciencia, sino que suele ser materia que escapa de una estrella cercana... una especie de chorro que se va enrollando y formando "discos" de materia alrededor del agujero negro. La fricción y el apelotonamiento de esa materia provoca que su densidad y su temperatura se eleve, llegando a superar varios millones de Kelvin (eso que en clase llamábamos "grados absolutos", pero que al hablar de millones no tiene mucha diferencia de los grados Celsius, al menos porcentualmente). La materia tan caliente emite una radiación -térmica- característica, donde abundan los rayos X, e incluso los Gamma (es decir, la luz más energética). De esta forma, muchos agujeros negros son observados por una intensa radiación X que proviene del disco que tiene alrededor de materia cayendo. Históricamente, las primeras detecciones de agujeros negros se produjeron, precisamente, al observar estrellas binarias -dos estrellas ligadas gravitacionalmente- en las cuales una cedía materia que iba cayendo sobre la otra. Pero la otra no era observable como tal estrella... salvo que miráramos con telescopios sensibles a los rayos X: entonces aparecía una intensa fuente de rayos X. Esas "binarias de rayos X" corresponden a sistemas dobles en los cuales la estrella más masiva evolucionó antes (siempre pasa así, aunque justificar esto y explicarlo nos obligaría a todo un capítulo nuevo, y ya decía que no teníamos tiempo para ello), y explotó como supernova (otra historia que deberá ser contada en otro lugar, que diría Ende), y el resto quedó como un supercolapsado objeto... precisamente un agujero negro.

Esos agujeros negros "estelares" no son la única variedad del Universo. De hecho, mucho más normales son los agujeros negros cientos o miles de millones de veces más masivos que una estrella como el Sol que existen en el centro de numerosas galaxias. La nuestra, la Vía Láctea, por ejemplo, tiene en su centro un gran agujero negro a cuyo lado palidecen cualquiera de las binarias de rayos X.

¿Se han dado cuenta de que llevo un montón de párrafos intentando explicar lo que había soltado en la primera frase? Suele pasar, y eso que estoy pasando por encima de un montón de cuestiones que, como cualquier aficionado a estos temas podrá comprobar, exigirían sin duda un relato más detallado. Seguimos en cualquier caso.

Las galaxias presentan una variedad enorme en formas, tamaños, edades, contenido... La nuestra es una galaxia espiral con algo más de 11.000 millones de años de edad. Una larga historia en la que han existido numerosos cambios (otra historia... etc.). Pero es más o menos una galaxia tranquila. Desde hace medio siglo se comenzaron a observar objetos -que se supo que eran galaxias al comprobar su contrapartida en el óptico- en ondas de radio que presentaban una gran emisión. Las ondas de radio son también ondas electromagnéticas, como la luz o los rayos X, pero de menor energía. Poco a poco se fue comprobando que, a menudo, el emisor de ondas de radio era un objeto pequeño, en el centro de la galaxia. Tan pequeño a veces que sólo si pensáramos en un agujero negro podríamos encontrar algo así...

...Lo que nos lleva a volver a revisar lo que comentábamos del término "agujero negro". Ya se dijo que su gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz podría escapar. De ahí lo de "negro" (que no afroamericano). Comenté también que la materia cayendo hacia un agujero negro puede provocar una intensa radiación térmica, observable en la zona de altas energías de la luz, en rayos X o gamma. Pero ahora hablamos de radioondas... ¿cómo se come eso? Dejando aparte que un objeto muy caliente también emite ondas de radio (y en todas las frecuencias del espectro), lo cierto es que esa radiación de las galaxias que se denominaron "activas" precisamente por esas emisiones y por la variabilidad que presentaban en las mismas, también se origina cerca del agujero negro, pero no viene exactamente de él.

Y viene otro párrafo, necesario, para explicar que la materia, aparte de estar habitualmente girando (todo gira, que decía Walt Whitman en aquel poema de Conversaciones conmigo mismo -o Canto a mí mismo-), suele tener características magnéticas. Al caer rápidamente, al calentarse, el gas -que es, como le pasa al mismo Universo en su conjunto, en gran parte Hidrógeno, es decir un protón y un electrón ligados- se ioniza. Los electrones pueden ser acelerados en esa vorágine o vórtice, creando intensos campos magnéticos (además de corrientes... cosa que explican las leyes de Maxwell). Los fenómenos son complejos para el lego, pero pueden provocar la creación de chorros de partículas aceleradas a velocidades cercanas a la de la luz que escapan en la dirección de los polos de giro de ese disco en torno al agujero negro. Esos chorros pueden llegar a tener dimensiones colosales, de decenas de miles de años-luz de longitud. En cualquier caso, y para no liarnos demasiado en una historia ya demasiado liada, los electrones acelerados por esa enorme máquina son como partículas atrapadas en un acelerador de partículas, y emiten una luz especial muy diferente de la luz térmica debida a la temperatura de la materia. Se denomina a esa luz "radiación sincrotrón", porque fue observada, precisamente, acelerando electrones que orbitaban en intensos campos magnéticos, en aparatos llamados "sincrotrones".

Con el tiempo, la posibilidad que han ido teniendo los astrónomos de observar con mejor calidad (telescopios más grandes y detectores más sensibles, además de poder observar en rangos más amplios del espectro electromagnétifco) fue permitiendo localizar mejor esas fuentes tan energéticas del interior de las galaxias activas, similares también a los más potentes emisores luminosos de todo el Universo, los cuásares.

Y así, abro un nuevo párrafo para una somera explicación de ese término que dejé caer en la primera frase (si se han perdido, intenten volver hacia atrás... gracias). Históricamente, los cuásares, u "objetos cuasi estelares" fueron todo un misterio por resolver. Se trataba de fuentes muy pequeñas y muy intensas, que al principio parecían un tipo de estrella extraña perteneciente a la Vía Láctea. Pero pronto se vio, al analizar su espectro, que la luz de esos objetos (los QSO en abreviatura en inglés) sólo podría explicarse si considerábamos un objeto que se alejaba muy rápidamente de nosotros, los observadores. Siguiendo la deducción cosmológica aceptada, eso significaba que eran objetos que estaban muy lejos, pero muy muy lejos. De hecho, al echar cuentas, se encontraba que los cuásares eran los objetos más lejanos del Universo.

Otro inciso: un objeto muy muy lejano emite luz que tiene que viajar mucho mucho tiempo hasta llegar a la Tierra. Tanto que es una fracción considerable de la vida del Universo. Tanto que superan a veces la edad de la Vïa Láctea. Paradójicamente (no tanto, si nos ponemos a pensarlo), esa luz que vemos HOY comenzó su viaje hace más de 10.000 millones de años. Es decir, estamos viendo esos objetos tal y como eran hace mucho mucho tiempo. ¿Lo pillan? No es sencillo, pero hay una buena analogía que se suele usar para evitar demasiado dolor de cabeza en momentos como este. Imaginen que estamos viendo un album de fotos de nuestro abuelo. En él aparece una foto de cuando era un tierno infante. Nuestro abuelo tiene un porrón de años ahora, pero la foto nos transmite la imagen de cómo era hace 80 años, por ejemplo. Pues lo mismo pasa al observar un objeto muy lejano: realmente estamos viéndolo tal y como era cuando era muy joven.

La cosa se complica porque, de hecho, hubo en la historia del Universo una época en la que era habitual que existieran esos objetos tan luminosos, los cuásares. Luego fueron más extraños, conforme el Universo se expandía y esas cosas, y de hecho todo el Cosmos se iba haciendo un lugar más tranquilo que antes, más aburrido, por así decirlo (una vez más, esta frase exigiría un capítulo más de una historia que nos llevaría aún más lejos). Por resumir -siendo injustos, mucho resumir- lo que sabemos ahora es que los cuásares son el centro muy activo de galaxias jóvenes que existieron cuando el Universo tenía unos pocos millones de años. El motor de esa luz tan intensa que ha sido capaz de viajar durante más de diez mil millones de años es, una vez más, un agujero negro. Uno "supermasivo", enorme, con una masa equivalente a cientos de millones de veces la masa de nuestro Sol. En aquella época se estaban tragando diáriamente varios soles, y esa materia se calentaba y emitía mucha luz. No es extraño que muchos cuásarses sean, precisamente, grandes emisores de luz de alta energía.

Un alto en el camino. Escribo de nuevo la primera frase de esta entrada: "Puede sorprender saber que una cuarta parte de la radiación que existe en el Universo proviene de la materia que está cayendo en agujeros negros, en concreto en agujeros negros supermasivos que ocupan el interior de galaxias activas y cuásares." Espero que resulte ahora algo más inteligible que la primera vez. La cosa es que, aunque yo todo esto lo he explicado de forma somera y más o menos tangencialmente, desde luego sin hablar el lenguaje de la ciencia, que habría exigido llenar unas cuantas decenas de pizarras de fórmulas más bien complicadas, no es sino un retazo general de toda la historia.

Desde hace años, aunque el "aire" de la cancioncilla de los agujeros negros se comprendía, cuando uno se ponía a hacer cálculos, las observaciones astronómicas no cuadraban del todo. Por ejemplo, el ritmo al que cae la materia y se va calentando cuando lo hace en torno a un agujero negro, formando ese disco y esa espiral de caída no permite explicar adecuadamente el enorme calentamiento que se produce... que es el que provoca, precisamente, la emisión en rayos X. Aplicando modelos más complicados (que involucran una parte de la física denominada magnetohidrodinámica que suma a la complejidad intrínseca de la mecánica de fluidos -hidrodinámica- los efectos provocados por los campos magnéticos, y ya dijimos que a esas temperaturas uno tiene una especie de sopa de electrones y protones en la que las interacciones electromagnéticas están a la orden del día) parecía que las fuerzas que se generan en esas condiciones provocan una mayor fricción a la materia y por lo tanto un mayor calentamiento. Es decir, una mayor emisión en rayos X.

¿Se podría comprobar algo así? Afortunadamente, así es. Por ejemplo, observando con detalle la radiación proveniente de agujeros negros, con una buena resolución en energías (en frecuencias), que nos aporte datos sobre cómo es esa luz provocada por la gravedad tan intensa de un agujero negro.

Hoy mismo, la NASA había convocado una rueda de prensa para hablar de este tema (y por ello, claro, lo hemos traído aquí hoy). El telescopio espacial de rayos X de la NASA, denominado CHANDRA -abreviatura de Chandrasekar, uno de los grandes astrofísicos del siglo pasado que, también, quedó inmortalizado en la saga de las odiseas espaciales de Arthur Clarke- se ha usado para observar cómo es el proceso de acreción (o acrecentamiento) de materia en torno a un agujero negro.

El elegido es el denominado GRO J1655-40 (un nombre que hace referencia al catálogo de fuentes del Gamma Ray Observatory, un telescopio espacial de rayos gamma, aparte de darnos sus coordenadas aproximadas: 16 horas y 55 minutos de ascensión recta y -40 grados de declinación. Explicar estas cosas nos llevaría otro capítulo más, así que ya van comprobando que esta historia podría generar, ella sola, un libro completo). Este agujero negro corresponde a uno de tamaño estelar: es un sistema binario de nuestra Galaxia, como quien dice, al lado de casa. Un equipo dirigido por Jon M. Miller, de la Universidad de Michigan en Ann Arbor (EEUU), ha observado con el telescopio Chandra este objeto, y acaba de publicar sus resultados en Nature.

Las mediciones de la emisión en rayos X de este objeto confirman lo que ya se había observado para otros objetos anteriormente: la gravedad por sí sola no es capaz de comprimir tanto un disco de materia cayendo sobre el agujero negro como para provocar esa emisión X, ni en intensidad ni en componentes espectrales. Los modelos que mejor se ajustan (y lo importante es que la observación de este objeto tenía una gran resolución en frecuencias, algo nada fácil de obtener con telescopios X anteriores, ni de objetos más lejanos y por lo tanto menos luminosos en ese rango de luz) a los datos observacionales son los que utilizan esas complejas interacciones magnetohidrodinámicas... Fïsicamente, lo que sucede es que esa materia que cae en espirales muy densas interactúa con campos magnéticos que son turbulentos, y que generan una especie de viento que barre el disco de materia.

Deberíamos detenernos otra vez para intentar visualizar esos discos en torno a un agujero negro. Pero es aún más complicado que todo lo que han leído hasta ahora. Me atrevo a comentar algo en plan "aquí lo dejo caer, a ver si cuela": uno de los prinicipios de conservación mejor asentados en la física es el del momento angular, esa especie de inercia de giro que tienen las cosas que giran. La visualización habitual de eso del momento angular es una patinadora que gira con los brazos extendidos y que, recogiéndolos gira más rápido. En el caso de un disco en torno a un agujero negro la cosa es más complicada, pero podríamos entender que, en condiciones similares a la de esa patinadora, si la trayectoria espiral lleva a esa materia más cerca del agujero negro, girará más rápidamente. Eso podría, llegado el caso, a disgregar ese disco, perdiéndose la compresión existente que es, recordemos, fundamental para que la materia se caliente mucho y emita rayos X.

Pues bien, son esas turbulencias magnéticas las que generan una onda de presión en la materia del disco, comprimiéndola más aún. Al comprimirse, la temperatura aumenta y con ello la emisión X.

La historia es, y lo siento de veras, pero a veces pasa eso con la astrofísica, aunque siempre queramos contarla en términos sencillos y de andar por casa, mucho -pero mucho mucho- más compleja. Lo cierto es que había diversos modelos teóricos en los que los campos magnéticos provocan diferentes fenómenos en torno a un agujero negro. Para hacernos una idea, contaré que fue en 1973 (hace por lo tanto 33 años, todo un Cristo...) cuando John Raymond planteó por vez primera el efecto de los campos magnéticos ahí. Desde entonces, varios modelos han competido por ser los mejores a la hora de explicar lo observado. Las modelizaciones con superordenadores fueron permitiendo, especialmente en el último decenio, afinar más, e incluir los efectos de turbulencias en los cálculos teóricos.

Ahora, según Miller y sus colaboradores, podemos contar con un modelo más ajustado a lo que sucede en torno a un agujero negro. Y, aplicando estos modelos a los diferentes tipos de agujeros negros, no sólo los pequeñitos de masa estelar, sino hasta los enormes de los cuásares, entender mejor por qué una cuarta parte de la luz del Universo proviene de ellos.

En los últimos años, la mejor capacidad de cálculo, la mayor calidad y variedad de las observaciones, está permitiendo que modelos que incluyen más parámetros, como los campos magnéticos turbulentos y la interacción entre el fluido de partículas cargadas que existe tanto en agujeros negros como en muchos otros objetos del cosmos, puedan proporcionar explicaciones más ajustadas a muchos fenómenos que hasta ahora carecían de explicación.

Obtenido de http://digital.el-esceptico.org/leer.php?id=2320&autor=3&tema=2