Pregúntale a Ethan: ¿cuántos agujeros negros hay en el universo?

Aunque registramos directamente tres fusiones de agujeros negros, somos conscientes de la existencia de un número mucho mayor de ellos. Y ahí es donde deberían estar

Por tercera vez en la historia de las observaciones, registramos directamente el indudable rasgo característico de los agujeros negros: las ondas gravitacionales generadas por su fusión. Si combinamos esto con nuestro conocimiento de las órbitas de las estrellas que se mueven alrededor del centro de la galaxia, las observaciones de otras galaxias en los rangos de rayos X y radio, y las mediciones de las velocidades de los gases, obtendremos evidencia concluyente de la existencia de agujeros negros en diversas situaciones. Pero, ¿tenemos suficiente información obtenida de estas y otras fuentes para averiguar el verdadero número y distribución de los agujeros negros en el Universo? Este tema está dedicado a la pregunta del lector de hoy:

El último evento registrado en LIGO me hizo pensar en cuántos agujeros negros se vería el cielo si pudieran verlos (y para mayor claridad, si solo los agujeros negros pudieran ver), cuál es la distribución espacial y energética de los agujeros negros sobre en comparación con la distribución de estrellas visibles?

Su primer impulso podría ser el deseo de ir a observaciones directas, y este es un gran comienzo para la investigación.


Chandra Deep Field South (CDF-S) Chandra Space X-ray Observatory Map

El Observatorio de rayos X de Chandra sigue siendo nuestro mejor telescopio de rayos X. Desde su ubicación en la órbita de la Tierra, puede recoger incluso fotones individuales que provienen de fuentes de rayos X distantes. Al tomar imágenes de áreas suficientemente grandes del cielo, pudo identificar cientos de fuentes puntuales de radiación de rayos X, cada una de las cuales corresponde a una galaxia distante ubicada fuera de la nuestra. Con base en el espectro de energía de los fotones obtenidos, podemos observar evidencia de la presencia de un agujero negro supermasivo en el centro de cada galaxia.

Esto en sí mismo es sorprendente, pero hay muchos más agujeros negros que solo un BH gigante para cada galaxia. Por supuesto, cada una de las galaxias tiene al menos un BH en masa que excede el Sol en millones o incluso miles de millones de veces, pero hay muchas otras además de ellas.


Masas de sistemas BH dobles conocidos, incluidas tres fusiones confirmadas y un candidato a fusión recibido de LIGO

LIGO anunció recientemente su tercera fijación directa de una señal clara de ondas gravitacionales de la fusión de BH dobles, lo que indica la prevalencia de tales sistemas en todo el Universo. Para una evaluación numérica, no tenemos suficientes estadísticas; los errores son demasiado grandes. Pero si observa el rango actual de LIGO, y el hecho de que encuentra un promedio de una señal cada dos meses, podemos decir con confianza que hay al menos docenas de tales sistemas en cada galaxia del tamaño de la Vía Láctea.


Gama de Advanced LIGO y sus capacidades de detección de BH

Además, nuestros datos de rayos X indican la existencia de una gran cantidad de BH dobles. Quizás haya muchos más que esos enormes agujeros negros que LIGO reconoce mejor. Y esto ni siquiera cuenta los datos que indican la existencia de BH que no están en sistemas binarios muy cercanos entre sí, que, muy probablemente, son la mayoría. Si en nuestra galaxia hay docenas de sistemas binarios de BH de masa media (10-100 solar), entonces hay cientos de pequeños sistemas de masa (3-15 solar) y al menos miles de BHs aislados (que no pertenecen a sistemas binarios) de masa comparable al sol.

Destaco - "al menos".



BH es extremadamente difícil de detectar. Podemos ver la ubicación más activa, masiva y más extrema. Los BH que caen en espiral y se fusionan entre sí están bien, pero el número esperado de tales configuraciones es bastante pequeño. Chandra distingue solo los más masivos y activos, pero la mayoría de los BH no tienen masas que sean millones o miles de millones de veces más altas que la solar, y la mayoría de estos BH gigantes actualmente no están activos. Esos BH que podemos ver deben formar una pequeña fracción de lo que realmente está en el espacio, sin importar cuán espectaculares sean los procesos que observemos.


Lo que percibimos como un estallido de radiación gamma podría haber nacido durante la fusión de las estrellas de neutrones que expulsan materia al Universo, crean los elementos más pesados ​​conocidos y al final generan BH

Pero tenemos una manera de obtener una buena estimación del número y la distribución de BH: sabemos cómo se forman. Sabemos cómo hacer que las estrellas jóvenes y masivas se conviertan en supernovas, las estrellas de neutrones que crecen debido a la acumulación o fusión y las colisiones directas. Aunque las señales ópticas para crear BH son ambiguas, hemos visto suficientes estrellas, muertes estelares, cataclismos y los procesos de su formación en toda la historia del Universo para calcular exactamente la cantidad que necesitamos.


Los restos de supernova que surgen de una estrella masiva dejan un objeto colapsado: un agujero negro o una estrella de neutrones, y este último también puede convertirse en un agujero negro en el futuro en condiciones adecuadas.

Los tres métodos para obtener BH son, si rastreamos su evolución desde el principio, a grandes áreas de formación estelar. Para obtener:

1. supernova, necesitarás una estrella 8-10 veces más masiva que el Sol. BH será 20-40 veces más masivo de las estrellas; las estrellas de neutrones se obtendrán de estrellas más pequeñas.
2. fusión de estrellas de neutrones o acreción a BH, necesita dos estrellas de neutrones acercándose en espiral o colisionando al azar, o una estrella de neutrones chupando masa de una estrella compañera y pasando un límite de 2.5-3 masas solares necesarias para convertirse BH
3. colapso directo en BH, necesita recolectar suficiente materia en un lugar para obtener una estrella ~ 25 veces la masa del Sol, y condiciones adecuadas para la formación de BH (sin la aparición de una supernova).

Las fotografías visibles e infrarrojas cercanas del Hubble muestran una estrella masiva, aproximadamente 25 veces el tamaño del Sol, que desapareció del cielo sin una supernova u otra explicación. El colapso directo es la única explicación razonable.

Podemos medir las estrellas ubicadas no muy lejos de nosotros y estimar qué cantidad de estrellas emergentes resulta ser una masa adecuada para luego convertirse en un agujero negro. Como resultado, obtenemos que solo alrededor del 0.1 - 0.2% de todas las estrellas cercanas a nosotros tienen una masa suficiente para al menos convertirse en una supernova, y la mayoría de ellas se convierten en estrellas de neutrones. Aproximadamente la mitad de los sistemas emergentes se obtienen el doble, y en la mayoría de los sistemas que hemos descubierto, la masa de estrellas es comparable entre sí. En otras palabras, la mayoría de los 400 mil millones de estrellas que se han formado en nuestra galaxia nunca se convertirán en agujeros negros.


Clasificación espectral moderna de las estrellas Morgan-Kinan y el intervalo de temperatura de cada una de las clases (en grados Kelvin). La mayoría (75%) de las estrellas modernas son de clase M, y solo 1 de cada 800 tiene suficiente masa para convertirse en una supernova

Pero esto no es temeroso, ya que en general pocas estrellas se convertirán en BH. Más importante aún, un número bastante grande de estrellas, muy probablemente, ya se han convertido en agujeros negros en el pasado distante. Dondequiera que tenga lugar la formación de estrellas, hay una distribución de masa: aparecen varias estrellas de masa grande, muchas más estrellas de masa media y una gran cantidad de estrellas de masa pequeña. Hay tantos de ellos que la clase M (enana roja), cuya masa es del 8 al 40% de la masa del Sol, pertenece a 3 de cada 4 estrellas ubicadas cerca de nosotros. En muchos nuevos cúmulos de estrellas, hay muy pocas estrellas de gran masa: las que se convierten en supernovas. Pero en el pasado en la Galaxia había regiones de formación estelar, que eran mucho más grandes y poseían una masa mucho más grande que la que vemos hoy en la Vía Láctea.


Los viveros de estrellas más grandes del grupo local, la Nebulosa de la Tarántula , cuentan con las estrellas más grandes conocidas por la humanidad. Cientos de ellos algún día (en los próximos millones de años) se convertirán en agujeros negros.

La foto de arriba muestra la región más grande de formación estelar en un grupo local que pesa alrededor de 400,000 solares. Hay miles de estrellas calientes y muy azules en esta región, de las cuales es probable que cientos se conviertan en supernovas. En algún lugar, el 10-30% de ellos se convertirán en agujeros negros, y el resto se convertirá en estrellas de neutrones. Dado que:

• en nuestra galaxia en el pasado había muchos sitios de este tipo,
• Las áreas más grandes de formación estelar se concentraron alrededor de los brazos espirales y hacia el centro de la galaxia,
• y que hoy observamos púlsares (restos de estrellas de neutrones) y fuentes de radiación gamma, muy probablemente agujeros negros,

entonces podemos construir un mapa de la ubicación del agujero negro.



El satélite Fermi de la NASA ha construido el mapa de energía más alto del universo con la resolución más alta jamás creada. Es probable que el mapa BH de la galaxia muestre una dispersión de objetos ligeramente mayor y se convierta en millones de fuentes puntuales individuales.

Este es un mapa de Fermi del cielo completo, que recoge todas las fuentes de radiación gamma. Parece un mapa estelar de nuestra galaxia, excepto que el disco galáctico está más marcado en él. Además, las fuentes más antiguas dejan de emitir rayos gamma, por lo que estas fuentes de radiación han aparecido relativamente recientemente.

En comparación con esta tarjeta, la tarjeta BH:

• Más concentrado hacia el centro de la galaxia;
• Ligeramente más difuso en ancho;
• Contiene un bulto galáctico;
• Consiste en aproximadamente 100 millones de objetos, más o menos un pedido.

Si combina el mapa de Fermi (arriba) y el mapa infrarrojo de la galaxia de COBE (abajo), obtendrá una distribución cuantitativa de BH en nuestra galaxia.


Galaxia en luz infrarroja, foto del satélite COBE. Aunque solo se ven estrellas en él, el BH tendrá una distribución similar, aunque más comprimido al plano de la Galaxia y más tendiente a la protuberancia.

Los agujeros negros son objetos reales y extendidos, y la mayoría de ellos son silenciosos, por lo que hoy son difíciles de detectar. El Universo ha existido durante mucho tiempo, y aunque hoy podemos ver una gran cantidad de estrellas, la mayoría de las estrellas existentes de gran masa, más del 95% de ellas, ya han muerto. ¿A dónde fueron? Alrededor de una cuarta parte de ellos se convirtieron en BH, y todavía existen muchos millones de ellos, escondidos en nuestra galaxia, y en otras galaxias su porcentaje corresponde aproximadamente al nuestro.


Un agujero negro de mil millones de masas solares alimenta un chorro de rayos X en el centro de la galaxia M87, pero quizás haya otros mil millones de otros BH en esa galaxia. Se acumularán principalmente hacia el centro.

En las galaxias elípticas, los BH se juntarán en un enjambre elíptico y se acumularán más cerca del centro, al igual que las estrellas. Muchos BH eventualmente migrarán hacia el pozo gravitacional en el centro de la galaxia debido a la " segregación de masas ", por lo que, aparentemente, los BH supermasivos se han vuelto supermasivos. Pero hasta ahora no tenemos evidencia directa de este escenario; Si no tenemos una forma de observar directamente los BH silenciosos, nunca podremos estar seguros. Pero por lo que sabemos, esta es la mejor imagen de todo lo que podemos dibujar. Es consistente, convincente, y toda evidencia indirecta apunta a ello.


La absorción de la luz de onda milimétrica emitida por los electrones que husmean en poderosos campos magnéticos creados por BH supermasivos en las galaxias conduce a la aparición de una mancha oscura en el centro de esta galaxia. Una sombra indica que nubes frías de gas molecular caen sobre el agujero negro

En ausencia de la posibilidad de observaciones directas, esto es todo con lo que la ciencia puede contar, y esto nos lleva a una conclusión interesante: por cada mil estrellas que vemos hoy, hay aproximadamente un BH en promedio, ubicado, muy probablemente, en una parte más densa del espacio. ¡Buena precisión para responder la pregunta sobre lo que es casi completamente invisible!

Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].

Preguntas frecuentes: si el Universo se está expandiendo, ¿por qué no nos estamos expandiendo ? por qué la edad del Universo no coincide con el radio de su parte observada .