V404 Cygni: un agujero negro que deforma el espacio

Un grupo de astrónomos ha observado V404 Cygni, un agujero negro que muestra un efecto extremo en el espacio-tiempo. No tiene mucha más masa que el Sol, pero por sus características, está mostrando un efecto bien conocido de la teoría de la relatividad…

V404 Cygni es un agujero negro de masa estelar

De hecho, en el caso de V404 Cygni, nos encontramos ante un agujero negro de masa estelar. Tiene, aproximadamente, 9 veces la masa del Sol. Muy lejos, por tanto, de los agujeros negros supermasivos que podemos encontrar en el centro de todas las galaxias grandes, como la Vía Láctea. Este pequeño agujero negro se encuentra a 8 000 años-luz del Sistema Solar. Es parte de un sistema binario, junto a una estrella similar a la nuestra. El agujero negro le está robando materia a su compañera constantemente, acumulándolo a su alrededor.

Esto provoca la formación de un disco de acreción alrededor del agujero negro. Es, simplemente, un disco de material que gira en torno al objeto. Parte del material de ese disco cae al interior del agujero negro. Otra parte, sin embargo, escapa del lugar porque no todo cae al horizonte de sucesos. El material que sale expulsado lo hace a través de algo llamado chorros relativistas. Son grandes haces de plasma que escapan, en la dirección del eje de rotación del agujero negro, a más de la mitad de la velocidad de la luz. Hasta aquí, todo sería normal.

Ese es el comportamiento habitual de un agujero negro. Pero V404 Cygni muestra una característica que no es frecuente. Sus haces de plasma oscilan con mucha rapidez. Cambian de orientación en apenas unos pocos minutos. La oscilación no es rara, pero sí que suceda tan sumamente rápido. V404 Cygni es un viejo conocido de la astronomía. Se comenzó a estudiar allá por 1938, cuando su brillo aumentó súbitamente. Algo que volvió a suceder, por última vez, en 2015 y que volvió a llamar la atención de los astrónomos. Algunos lo han estudiado desde entonces.

Un agujero negro demasiado rápido

Para observar el agujero negro, los astrónomos han recurrido al Very Long Baseline Array. Una red de diez radiotelescopios repartidos por todo el planeta. Las primeras imágenes que obtuvieron los científicos eran el resultado de cuatro horas de observación. En ese tiempo, los chorros se movían tan rápido que simplemente se veía algo borroso. Sin embargo, lo habitual suele ser observar un objeto celeste durante tanto tiempo para que se pueda recoger toda la luz posible y tener más detalle. Pero eso era algo que no iba a funcionar con V404 Cygni.

Así que tuvieron que buscar una alternativa. Capturar más de 100 imágenes con un período de observación mucho más corto, de tan solo 1 minuto y 10 segundos, y crear una animación. Ahí pudieron ver que los chorros relativistas cambian de dirección muy rápidamente. ¿Cómo explicar ese comportamiento? La respuesta la tenemos, una vez más, en la teoría de la relatividad de Albert Einstein. En ella, el genial físico nos explicó que los objetos muy masivos curvan el espacio-tiempo a su alrededor. Cuando ese objeto está en rotación, afecta a su entorno.

Un agujero negro es un objeto en rotación y muy masivo. Así que, a medida que gira sobre sí mismo, arrastra consigo el espacio-tiempo a su alrededor. Es un fenómeno conocido como frame-dragging en inglés. Algo así como arrastre del espacio-tiempo. A medida que el agujero negro acumula material, su disco de acreción se vuelve más denso y caliente cerca del centro. Cerca del centro, el disco de acreción tiene aspecto de anillo muy grueso, un producto de la presión ejercida por la radiación y que permite explicar el fenómeno.

Cómo produce V404 Cygni el fenómeno de arrastre del espacio-tiempo

Porque el disco de acreción de V404 Cygni tiene unos 10 millones de kilómetros de diámetro. La región en forma de anillo, sin embargo, solo tiene unos pocos miles de kilómetros de ancho. Es en este lugar del espacio donde se produce el fenómeno del arrastre del espacio-tiempo. Aquí es donde la gravedad es tan intensa que arrastra consigo al propio tejido del universo y provoca, también, que los chorros emitidos por el agujero negro parezcan moverse tan rápido. En realidad no cambian de posición así de rápido por sí mismos, lo hace el propio espacio-tiempo.

Pero, generalmente, no observamos este comportamiento en agujeros negros de masa estelar. Así que tiene que haber algún factor más en todo esto. Según los investigadores, parece que sucede porque el eje de rotación del agujero negro no está alineado con el plano de la órbita de la estrella que gira alrededor del agujero negro. Eso provoca que el arrastre del espacio-tiempo afecte a la parte interior del disco y arrastre consigo esa parte del material. Los chorros relativistas pueden proceder o del propio agujero negro o de esa región del disco.

Por lo que esa oscilación es producto del espacio-tiempo, tal y como explica la teoría de la relatividad. En cualquier caso, sigue quedando un misterio, y es la procedencia de los chorros relativistas. En realidad no es específico únicamente a V404 Cygni, si no a todos los agujeros negros, porque puede proceder tanto de la región interior del disco de acreción como del propio agujero negro. Es una cuestión en la que todavía queda mucho trabajo por hacer para poder responderlo.

V404 Cygni es otro agujero negro que ayuda a entender mejor el universo

Sea como fuere, el estudio de los investigadores sugiere que si la región interior del disco de acreción oscila, eso podría afectar en parte tanto a expulsar los chorros relativistas como cambiar su orientación. Probablemente, es otro motivo para que los estudios de V404 Cygni sigan adelante durante los próximos años. Por sus características, probablemente servirá para obtener muchas respuestas sobre unos objetos que todavía siguen siendo muy enigmáticos. Y eso, a pesar de tener ya la primera imagen de un agujero negro supermasivo.

Los agujeros negros son uno de los objetos más extremos del universo. El espacio-tiempo a su alrededor se ve afectado de una manera profunda. La colisión de dos agujeros negros, también, es capaz de sacudir el propio tejido del espacio-tiempo, emitiendo algo que conocemos como ondas gravitacionales. Por si todo esto no fuera suficiente, no sabemos qué sucede más allá del horizonte de sucesos de un agujero negro. En su centro hay un punto llamado singularidad. Una forma elegante de decir que nuestro conocimiento deja de funcionar allí.

Es algo que, por otro lado, en el mundo de la física es un halo de esperanza. Porque es una señal de que quedan muchas cosas por descubrir. Aunque podría parecer que nuestra comprensión del funcionamiento del mundo es muy completa, hay motivos para creer que debería haber algo más. Quizá una teoría del todo, que nos permita unificar las interacciones fundamentales que dominan en el mundo de lo muy pequeño (la interacción nuclear débil, la fuerte y el electromagnetismo) y la que domina el mundo de lo muy grande, la gravedad…

Estudio

El estudio es J. Miller-Jones, A. Tetarenko, G. Sivakoff et al.; «A rapidly changing jet orientation in the stellar-mass black-hole system V404 Cygni». Publicado en la revista Nature el 29 de abril de 2019. Puede ser consultado en este enlace.

Referencias: Space