Cosechar agujeros negros para dar energía a una civilización

• Título del artículo original: A Dyson sphere around a black hole.
• Autores/as: Tiger Yu-Yang Hsiao, Tomotsugu Goto, Tetsuya Hashimoto et al.
• Institución del primer autor: Institute of Astronomy, National Tsing Hua University (Taiwan).
• Estado del artículo: publicado en MNRAS, acceso abierto en arXiv.

Nota: este es un astrobito traducido de astrobites.org, accesible aquí. La autora del astrobito original es Laila Linke.

Las civilizaciones necesitan obtener energía. Esto no es sólo para el caso de la humanidad, sino también para civilizaciones extraterrestres. No sabemos qué tipo de tecnologías utilizan los aliens, pero seguro que requiere energía. Una forma popular de clasificar civilizaciones alienígenas es hacerlo en base a su consumo de energía utilizando la escala Kardashov. Las civilizaciones de Tipo I utilizan toda la energía de su planeta natal. Las civilizaciones Tipo II utilizan toda la energía de su estrella, y las civilizaciones de Tipo III utilizan la energía de todas las estrellas de la galaxia en la que se encuentran. La humanidad ni siquiera clasifica como una civilización de Tipo I en esta escala, así que estamos relativamente atrasados desde una perspectiva cósmica. Pero, ¿cómo podrían aliens más avanzados obtener la energía suficiente para pasar a ser una civilización de Tipo II? En el artículo de hoy discuten una intrigante posibilidad: cosechándola de agujeros negros.

Esferas de Dyson – capturando energía con una mega-constelación

Un posible modo de obtener energía a escala astronómica es una esfera de Dyson. Esto es una estructura que rodea a una fuente de energía, como puede ser una estrella o un agujero negro, capturando la energía de dicha fuente. Un ejemplo podría ser una esfera rodeando al Sol y compuesta enteramente de paneles solares, los cuales capturarían toda la luz solar.

El tipo más popular de esfera de Dyson es el escudo de Dyson, el cual encapsula completamente a la fuente de energía. Estas estructuras aparecen ocasionalmente en la ciencia ficción (por ejemplo, en Star Trek: La Nueva Generación), pero no son realistas desde una perspectiva física. Un escudo así requeriría grandes cantidades de material para su construcción y sería inestable. La gravedad lo empujaría hacia el centro de la esfera y causaría su colapso a menos que se utilizaran grandes cantidades de energía para contrarrestar la caída.

Un concepto más factible es una burbuja de Dyson: una esfera de Dyson compuesta por millones de satélites individuales – una mega-constelación (véase Figura 1). Estos satélites se posicionarían de tal modo que la presión de radiación proveniente de la fuente de energía contrarrestaría la atracción gravitatoria. De ese modo, los satélites podrían permanecer en órbita durante mucho tiempo y recolectar energía.

Capturar la energía de un agujero negro – ¿pero con qué tipo de agujero negro sería suficiente?

Originalmente, se pensó que las esferas de Dyson rodearían una única estrella y proveerían energía a una civilización situada en algún punto entre el Tipo I y el Tipo II. Más allá del Tipo II necesitaríamos una fuente diferente. El equipo autor del artículo de hoy sugieren una perspectiva emocionante: agujeros negros.

En un primer momento, alguien podría suponer que una esfera de Dyson no funciona alrededor de un agujero negro. Después de todo, los agujeros negros obtienen su nombre porque ni si quiera la luz puede escapar de ellos una vez atraviesa el horizonte de sucesos del agujero negro. Así que, ¿cómo podría una esfera de Dyson situada alrededor de un agujero negro capturar energía?

Bien, mientras que los agujeros negros por sí mismos no pueden radiar nada que haya cruzado su horizonte de sucesos, la materia que está cayendo hacia el agujero negro emite grandes cantidades de energía. La forma más prometedora en que la materia que cae podría proveer energía a una esfera de Dyson la es radiación por discos de acreción y jets relativistas.

Los discos de acreción se forman alrededor de cualquier agujero negro que se esté “alimentando”, de modo que la materia que cae en el agujero negro crea una estructura en forma de disco que rota alrededor del horizonte de sucesos. Debido a la fuerte atracción gravitatoria del agujero negro, el material es acelerado y calentado (¡hasta un millón de grados Kelvin!). Entonces dicho material comienza a convertir parte de su masa en radiación. Este proceso es sorprendentemente efectivo y puede producir grandes cantidades de radiación. La cantidad producida depende de la proporción de acreción de masa por unidad de tiempo, es decir, cómo de rápido cae la masa en el agujero negro. La luminosidad de la radiación está limitada por la masa del agujero negro. Si la luminosidad de la radiación es demasiado alta comparada con la gravedad del agujero negro, la presión de radiación empuja hacia afuera del disco, lo cual detiene la acreción. Esta luminosidad máxima se llama el límite de Eddington.

El equipo de investigación calculó la energía saliente de los discos de acreción que rodean agujeros negros en rotación (agujeros negros de Kerr) y de los estacionarios (agujeros negros de Schwarzschild) (véase Figura 2). Los compararon con la energía requerida por una civilización de Tipo II y de Tipo III. Encontraron que incluso el disco de acreción de una agujero negro de masa estelar podría proveer suficiente energía para una civilización más allá del Tipo II. ¡El disco de acreción de un agujero negro supermasivo podría proveer de energía a una civilización de Tipo III por sí mismo!

Las segundas fuentes de energía asociadas a un agujero negro son sus jets relativistas. Estos jets están hechos de partículas cargadas que estaban cayendo hacia el agujero negro, pero que fueron expulsadas a lo largo de un haz aproximadamente perpendicular al disco de acreción y fueron aceleradas hasta casi la velocidad de la luz. Los jets proveen dos tipos de energía. Primero, los jets emiten radiación, mayormente en frecuencias de radio. El equipo investigador calcula que los jets de agujeros negros supermasivos radian sobre el 60% de la energía que puede radiar el disco de acreción. Para agujeros negros de masa estelar, alcanzan incluso el 80% de la energía del disco de acreción. Segundo, los jets por sí mismos están compuestos de partículas altamente aceleradas. La energía cinética de estas partículas podría ser recogida, por ejemplo, con velas solares. El equipo investigador encuentra que la energía cinética de los jets alcanza un 10% adicional de la energía total del jet.

Así que en conjunto el disco de acreción y los jets de un agujero negro emiten enormes cantidades de energía. Por lo tanto, una esfera de Dyson podría proveer de energía a una civilización más allá del Tipo II, incluso si sólo pudieran cosechar un pequeño porcentaje de la energía. Por supuesto, la humanidad aún está muy lejos de tal consumo de energía. Pero, ¿podrían estas esferas de Dyson darnos una pista de dónde encontrar una civilización alienígena avanzada?

Entonces, ¿podemos encontrar estas esferas de Dyson?

Las esferas de Dyson podrían ser detectadas directamente encontrando fuentes más atenuadas de lo esperado. Si hay una esfera de Dyson alrededor de una estrella, podría oscurecerla parcialmente, haciendo que aparezca atenuada. Sin embargo, esa no es una opción válida para las esferas de Dyson alredor de agujeros negros, porque no sabemos cómo de brillante es el disco de acreción de un agujero negro. Supongamos que el agujero negro A tiene un disco de acreción 10 veces más brillante que el agujero negro B. En este caso, podríamos tener una esfera de Dyson alrededor del agujero negro B obteniendo el 90% de su energía o una alrededor del agujero negro A que absorbe 10 veces más material que el agujero negro B. El segundo caso es mucho más plausible.

En todo caso, el equipo de investigación sugiere otro modo de detectar esferas de Dyson – via su residuo de calor. La energía absorbida por una esfera de Dyson no puede ser convertida por completo en energía “útil”, como la electricidad. Una parte de la energía calentará la esfera en sí misma. Por lo tanto, la esfera emite radiación de calor en el infrarrojo cercano – el mismo tipo de radiación que podemos ver con gafas de visión nocturna. Esta radiación de calor podría ser detectable. 

El equipo de investigación calcula el espectro esperado de un sistema con agujero negro de masa estelar + esfera de Dyson para una esfera de Dyson que pueda soportar hasta 3000K (2727ºC o 4940ºF) y que se encuentra a 10kpc de nuestro planeta, y que se muestra en la Figura 3. La esfera de Dyson añade un notable “pico” en el rango infrarrojo. Dicho pico está sobre los límites de detección de varios telescopios actuales, ¡así que debería ser detectable! Sin embargo, el equipo de investigación advierte que los cálculos no incluyen el efecto del polvo, el cual también emite radiación de calor en el rango infrarrojo. De este modo, la señal de la esfera de Dyson podría ser oscurecida por esa fuente adicional.

Así que, en conclusión, los agujeros negros podrían ser la fuente de energía para civilizaciones alienígenas avanzadas, ¡y la humanidad sería capaz de detectarlas!

 

 

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