Moralidad y métodos para alimentar un agujero negro

Título del artículo técnico: Is there a maximum mass for black holes in galactic nuclei?
Autores: K. Inayoshi and Z. Haiman
Institución del Primer Autor: Department of Astronomy, Columbia University, New York, NY
Estatus: Sometido a ApJ
Astrobite original: The morality and methods of feeding a black hole

Vamos a abordar un asunto que corresponde más a cuestionamientos morales que físicos, ¿deberíamos alimentar un agujero negro? Y si lo hacemos, ¿será el agujero negro capaz de crecer y alimentarse después por sus propios medios? O lo que es lo mismo, ¿será el agujero capaz de retornar a su estado salvaje?

“Mi tío una vez encontró un pequeño agujero negro en el bosque, y lo adoptó y empezó a alimentarlo con duraznos. Dos veranos después lo liberó, y solo dos días después, el agujero negro fue encontrado en los pasillos de un supermercado alimentandose de duraznos enlatados.”

“Si queremos que un agujero negro pueda pararse sobre sus propios cuatro pies, necesitamos..”

¡Un momento! Mi editor esta diciendome que estoy confundiendo agujeros negros con cachorros de lobos otra vez. Mis disculpas, obviamente no hay cuestionamientos morales de si alimentar o no a un agujero negro, debido a que si lo alimentamos, podemos detenernos en cualquier momento sin que existan repercusiones. Así que dicho esto, veamos como crece un agujero negro..

Figura 1:  En restrospectiva, muy diferentes.. (créditos de la imagen: Mike Boylan y Ute Kraus).

Es fácil sobreestimar cuanto poder tiene un agujero negro para saciar su voraz apetito. Es muy fácil imaginar que este es básicamente una suerte de vacío cósmico, un remolino en el desagüe de la existencia, violento e inexorable, desgarrando el material galáctico que se encuentra a su alrededor con una fuerza inimaginable.

Pero esta imagen no es real: la única fuerza que el agujero negro tiene a su disposición es la misma que tu puedes detener cuando el agua corre por tu cara cuando te lavas los dientes en la mañana (y si todavía no lo has entendido, realmente necesitas fijarte mejor), la cual es, por supuesto, la gravedad.

Exactamente la misma fuerza que causa que la Tierra gire alrededor del Sol es la responsable que los agujeros negros engullan y crezcan a las proporciones de Gargantua (como las que vemos en el centro de las galaxias, incluido la nuestra). Un agujero negro de la misma masa que nuestro Sol se comportaría exactamente como el Sol, y si alguien sustituyera uno por el otro, aparte de la muerte causada por el frío que nos atormentaría, nuestra órbita alrededor del mismo sería exactamente la misma.

Los agujeros negros están formados por los remanentes de una estrella masiva, que cuando la fuerza de gravedad es tan fuerte que ninguna otra fuerza puede contrarrestarla, colapsa a diminutas proporciones. Lo que queda es un objeto sumamente denso y compacto que en una región muy pequeña alrededor de él ni siquiera la luz puede escapar de su jalón gravitacional (de ahí el nombre de “negro”; mientras que “agujero” es solo para que suene más dramático).

Pero una estrella puede colapsar, a lo mucho, en otro con la masa de una estrella, incluso aun cuando la estrella inicial que colapsa tiene la masa de cientos de veces la masa del Sol. Entonces ¿cómo pueden existir agujeros negros con miles de millones de masas solares? Y una vez que han alcanzado estos tamaños, ¿por qué detienen su crecimiento? Cuando miramos el universo distante, podemos observar estos enormes agujeros negros en el centro de las galaxias, mientras que en el universo cercano observamos esencialmente casí lo mismo. ¿Qué causa que algo que crece a proporciones tan masivas en un tiempo muy corto en el universo temprano simplemente detenga su crecimiento? ¿Qué te pasa, naturaleza? ¡¿QUÉ TE PASA?!

Bueno, la primera de estas cuestiones (acerca del crecimiento del agujero negro) tiene una respuesta más o menos fácil de entender. Así como cuando eras niño, devorabas cuanto dulce tienes enfrente hasta convertirte en el buen ciudadano que eres hoy, los agujeros negros comen mucho también: ocasionalmente ellos se comen unos a otros cuando suceden las fusiones de galaxias, aunque generalmente ellos simplemente siguen una saludable dieta de apetitoso gas.

Ellos también comen estrellas, pero no muy rápidamente. Como hemos visto, así como la Tierra podría hipotéticamente orbitar alrededor de un agujero negro con la masa de nuestro Sol, una estrella felizmente podría orbitar alrededor de un agujero negro supermasivo por un largo, largo tiempo. Pero no importa cuán lento suceda, la gravedad jalará la estrella en órbita alrededor del agujero negro, la cual sin importar cuanto venga y vaya, efectivamente perderá energía, aunque tomará edades para que el acercamiento sea perceptible. Imagina como si tu comida se mantuviera dando vueltas alrededor de ti, tentándote por miles de millones de años.

El gas, por otro lado, es un conglomerado de partículas y moléculas individuales, las cuales al orbitar el agujero negro, colisionan unas con otras, perdiendo una cantidad más considerable de energía, reduciendo sus órbitas y descendiendo abruptamente cada vez más cerca de las fauces del agujero negro.

Figura 2: Impresión de un artista de estrellas y gas orbitando y cayendo en Sagittarius A, el agujero supermasivo en el centro de nuestra galaxia. Crédito de la imagen: ESO.

Así, este artículo propone un mecanismo por la cual los agujeros negros parecen enlentecer su crecimiento justo cuando ellos alcanzan tallas grandes. Para poder producirse estos colosos, ellos tienen que consumir gas a una tasa equivalente de miles de masas solares por año. Pero cuando tienes tanto gas colapsando en un pequeño volumen, las cosas empiezan a ponerse un poco calientes. Sin caer en fétidos detalles, rápidamente estrellas empiezan a nacer en el material que cae, el cual en vez de ser devorado por el agujero negro, puede “escapar” para establecer su propia órbita, resultando en que este material no contribuirá al rápido crecimiento del agujero.

Combinando esto con grandes flujos de energía eructada por el agujero negro, como los provocados por el material que gira en el delgado disco de gas caliente que se arremolina alrededor del agujero, apartando el material circundante y cortando la fuente de alimento más cercana, tendrás un agujero muy triste, gordo y viejo, desesperado por regresar a los viejos días cuando por momentos llegaba a engullir su propio peso.

Figura 3: Tasa a la cual el gas es acretado (líneas solidas) y las estrellas son formadas (líneas punteadas) a un cierto radio del disco de acreción, para un agujero de alta (rojo), muy alta (azul) y rídiculamente alta (negra) masa. Para cada uno de estos casos, en algún radio la tasa llega a un valor constante, demasiado lento para seguir creciendo como en el pasado. Crédito de la imagen: Figura 1 del artículo.