Los agujeros negros constituyen uno de los principales focos de atención mediática en la investigación astrofísica actual. Mucha gente se siente fascinada por esa mezcla de curiosidad, pavor y exotismo que estos objetos despiertan y cualquier nuevo estudio sobre ellos tiene garantizada una atención especial, eclipsando otras noticias relacionadas con planetas, estrellas, cúmulos o nebulosas.

Uno de los aspectos que más interés suscita en el contexto de los agujeros negros es todo lo relacionado con lo que se cuece en su interior, un ámbito del todo inaccesible y misterioso para la ciencia. La astrofísica observacional, aquella encargada de recopilar datos sobre los astros del universo, incluyendo los objetos más distantes y curiosos, no puede recoger información luminosa de lo que acaece en el interior del horizonte de sucesos, el límite espacial calculado por Karl Schwarzschild, y que está definido como el radio que no puede ser atravesado por nada ni nadie que esté en el interior de un agujero negro. Esto es algo que ocurre, según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, porque la distorsión del espacio-tiempo causada por la enorme densidad de materia en uno de estos monstruos es tan brutal que ni siquiera los rayos de luz, que no tienen masa, pueden atravesarlo, pues la distorsión frena también el curso del tiempo casi hasta su completa congelación. Esa característica de estos objetos ha dado lugar a múltiples conjeturas y especulaciones, más o menos compatibles con otras ramas de la ciencia más teóricas y que han sido salpimentadas por muchos relatos de ciencia-ficción, que van desde puertas a universos paralelos hasta agujeros de gusano capaces de transportarnos a otros lugares y tiempos. La verdad es que este es un terreno actualmente ajeno a lo que podemos estudiar mediante las observaciones, así que digamos que todo lo que hay más allá de este horizonte permanece velado para nosotros, aunque la parte teórica no deja de sugerir escenarios posibles.

De lo que sí se encarga la astrofísica es de estudiar los efectos que los agujeros negros tienen en su espacio circundante y en los otros astros que caen bajo su influencia gravitatoria. Son estos efectos los que han permitido progresar de la mera especulación de su existencia, dudada por el propio Einstein, hasta tener evidencias innegables e incluso imágenes directas de su existencia. Una de estas evidencias se produjo en la década de 1960 con el descubrimiento de los cuásares. Estos objetos son fuentes aparentemente puntuales de emisión electromagnética  que se distribuyen por todo el cielo, lo que fue originalmente interpretado como la emisión de cierto tipo de estrellas, y de ahí su nombre: cuásares o fuentes cuasi-estelares. 

Sin embargo, cuando se descubrió la manera de derivar la distancia a la que se encontraban, que es de miles de millones de años-luz, se llegó a la conclusión de que las fuentes de energía capaces de producir dicha emisión para que fuera detectada desde nuestro planeta debía de ser una de las más poderosas de nuestro universo. 

Finalmente, ese mecanismo se relacionó con la presencia de agujeros negros supermasivos, con masas equivalentes a miles de millones de veces la de nuestro Sol, concentrados en el centro de algunas galaxias, y produciendo la aglomeración de una gran cantidad de masa cayendo a su interior bajo la forma de un disco rotante de materia. En este disco la materia es calentada a una temperatura tan enorme que acaba radiando parte de su masa bajo la forma de energía muy brillante, antes de atravesar el horizonte de sucesos, como un último lamento de súplica antes de dejar nuestro universo.

Hoy en día, los cuásares han dejado de ser considerados los paradigmas del Universo más lejano, pues gracias a observatorios como HST (telescopio espacial Hubble) o JWST (telescopio espacial James Webb), hemos ampliado nuestra mirada a etapas del universo donde se estaban formando las primeras galaxias, pero los cuásares no han sido destronados aún como la categoría de galaxias capaces de emitir la mayor cantidad de energía producida en la historia del universo. 

Lo que sí que estamos en disposición de hacer en la época actual es estudiar con mucho más detalle lo que ocurre alrededor de estos agujeros, incluyendo el resto de la galaxia y el gas que tiene alrededor y los efectos que sobre estos producen, ayudando a contestar preguntas como cuál es el efecto de un agujero negro supermasivo activo en la evolución de una galaxia. Es posible incluso, que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, pasara por una de estas fases en su pasado más remoto.

Entre los cuásares más notables que pueden en la actualidad ser estudiados en detalle está el que los voluntarios del Zoo de Galaxias - un proyecto de ciencia ciudadana que tiene como fin encontrar objetos astronómicos singulares en el Muestreo Digital Sloan - descubrieron en 2007 y que está en la galaxia SDSSJ1430+1339, a 1.100 millones de años-luz de nosotros. Esta galaxia se caracteriza por tener un núcleo activo a causa de la presencia de un cuásar, que está rodeado de una burbuja gigante compuesta de  gas caliente e ionizado que muestra arcos y filamentos, asemejándose a una taza de té. Por ese motivo, ha recibido el nombre de Taza de Té. Desde su descubrimiento, ha sido estudiada por observatorios más precisos, como el telescopio espacial Hubble o el observatorio de rayos X Chandra de la NASA, que han confirmado que la burbuja tiene un diámetro de más de 30.000 años-luz y que está compuesta de gas arrastrado por los supervientos generados por la presión que viene del disco de materia alrededor del agujero negro y por la potente radiación emitida por este.

Impresión artística de un superviento generado por un agujero negro supermasivo. Crédito: ESO/M. Kornmesser

Esta es una galaxia muy peculiar porque es uno de los escasos ejemplos donde se puede estudiar con detalle la interacción entre la radiación y la materia que viene de una galaxia con el gas que estas tienen a su alrededor y que reciben el nombre de gas circumgaláctico, muy difícil de estudiar porque no emite casi radiación y tiene una densidad de partículas muy inferior a la que está en el disco de la galaxia. La Taza de Té constituye, por tanto, una prueba de cómo las galaxias son capaces de expulsar a veces material fuera de sí mismas a distancias muy grandes, contaminando el medio circundante y regulando a su vez la manera en que las estrellas se forman en las inmediaciones del centro y en el resto del disco. Los agujeros negros supermasivos son en cierta forma un mecanismo de regulación de la formación estelar.

Recientemente, la galaxia Taza de Té ha sido estudiada usando una técnica denominada Espectroscopía de Campo Integral, algo que permite descomponer la luz en función de su longitud de onda, pero de forma que es capaz también de analizar su posición. Como la espectroscopia de las líneas emitidas por el gas ionizado o absorbidas por las poblaciones estelares es lo que permite analizar su velocidad relativa y su composición química, esta técnica puede ser utilizada para hacer mapas de estas características. En concreto, el estudio se ha realizado a partir de datos tomados con el instrumento MUSE, que está montado en uno de los telescopios VLT, en el observatorio de Cerro Paranal, en Chile. 

El análisis , realizado por un equipo liderado por Montserrat Villar, del Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), y que ha contado con diversos miembros del Instituto de Astrofísica de Andalucía, entre los cuales me cuento, ha permitido extraer conclusiones interesantes y novedosas sobre cómo el cuásar se relaciona con el gas que se encuentra en el medio circumgaláctico (noticia completa en página 15).

Entre las conclusiones alcanzadas por este estudio está el que el gas del medio circumgaláctico, cuyo brillo puede ser medido en la fase ionizada en la Taza de Té gracias a la acción del cuásar, muestra un patrón de rotación muy parecido al que siguen las estrellas en el disco de la galaxia. Este patrón no es idéntico, porque el gas está también sometido a múltiples turbulencias e interacciones ocasionadas por los supervientos, pero la correlación es bastante clara. Esta relación entre la manera en que se mueven las estrellas en la galaxia y el gas del medio circumgaláctico  apunta en la dirección de que la galaxia se formó a partir de ese mismo gas circundante, con el que comparte todavía características dinámicas, aunque todo ese halo de gas no forme parte de la galaxia en sí.

En cuanto al contenido químico, su estudio es relevante porque la abundancia relativa de ciertos elementos como el oxígeno ofrece una pista sobre la evolución estelar previa del gas, pues este elemento solo ha podido ser creado a partir de generaciones previas de estrellas que lo han fusionado y posteriormente lanzado al medio interestelar mediante vientos estelares o explosiones de supernova.

La galaxia Taza de Té vista por el telescopio espacial Hubble.  Crédito: NASA, ESA, W. Keel (University of Alabama), and the Galaxy Zoo Team

Según el nuevo estudio de los datos de MUSE, el enriquecimiento químico del gas en la Taza de Té, sobre todo en los bordes de la burbuja, es similar al que se encuentra en el núcleo de la galaxia, lo cual es indicativo de que una porción considerable de esos elementos han sido arrastrados por los vientos generados en el núcleo hasta distancias considerables por encima del plano de la galaxia. De hecho, la abundancia de oxígeno en el núcleo es ligeramente inferior a la que le correspondería, lo cual confirma que parte de esa composición química se ha transportado. La pista fundamental sobre el contenido químico que el núcleo hubiera tenido si parte de los elementos en el gas del núcleo no hubiera sido llevado fuera, nos la da la abundancia relativa de nitrógeno sobre la de oxígeno, pues este valor permanece inalterado aunque parte del gas sea arrastrado. A la vez, la cantidad relativa de nitrógeno sobre oxígeno es un trazador muy eficiente de la historia de la evolución estelar, ya que el oxígeno es producido principalmente por estrellas jóvenes, de vida corta, mientras que el nitrógeno se mezcla con el medio interestelar tras la muerte de estrellas de masa intermedia, que viven más tiempo. Es decir, que un valor alto de la abundancia de nitrógeno respecto a oxígeno es sinónimo de un gas muy antiguo y procesado, aunque parte de los metales hayan sido arrastrados a otro sitio, como es el caso de la burbuja enorme y lejana que se ha formado por efecto de la radiación del núcleo activo.

El nuevo estudio establece por tanto una conexión firme y evidente entre las propiedades del gas y las estrellas en el núcleo de la galaxia con el gas del medio circumgaláctico y lo hace gracias a la acción del agujero negro, capaz de emitir una radiación tal que ioniza el gas, ahora brillante y visible, y también formando vientos que trasladan energía y elementos antiguos y nuevos que enriquecen partes del universo que no pertenecen a la galaxia, quizá formando estrellas que jamás pertenecerán a ninguna. 

Estos procesos fueron seguramente mucho más frecuentes en el universo más antiguo, en que los agujeros negros eran más activos y había mayor formación de estrellas, pero que podemos conocer ahora más en detalle gracias a esa Taza de Té calentada por un agujero negro, cuyo interior seguirá siendo un misterio, pero cuya gravedad se convierte en uno de los mecanismos de producción de energía más eficientes del universo.