Agujeros negros ultramasivos menos densos que el aire, ¿cómo es posible?

Se trata de un agujero negro ultramasivo localizado en la dirección del polo sur galáctico, a más de 10.400 millones de años luz de distancia. Con una masa superior a 50 mil millones de soles y un diámetro de 2.600 unidades astronómicas (390 mil millones de kilómetros), su densidad es de tan solo 0,004 kg/m³, unas 300 veces inferior a la del aire.

TON 618 pertenece a una categoría de astros tan desmesurados que cuesta aceptarlos: los agujeros negros ultramasivos.

Tamaños y tamaños

La publicación de la primera imagen de un agujero negro fue un hito astronómico sin precedentes. No sólo se consiguió observar el remolino de gas incandescente (disco de acreción) rodeando una región oscura en la galaxia M87 (sombra del agujero negro), sino que además se confirmó una de las predicciones de la relatividad general de Einstein.

M87 pertenece a la categoría de agujeros negros supermasivos (SMBHs por sus siglas en inglés), aquellos que superan las 100.000 masas solares. Otro ejemplo es Sagitario A*, en el centro de la Vía Láctea, cuatro millones de veces más masivo que el Sol.

Sin embargo, estos colosos quedan reducidos a la mínima expresión en comparación con los agujeros negros ultramasivos, los de mayor tamaño hallados hasta la fecha. Aunque no existe un claro consenso en cuanto a su rango de masas, éstas superan con creces los 10 mil millones de masas solares.

Estos verdaderos gigantes cósmicos sobrepasan lo imaginable.

Mayores incluso que el sistema solar

Las dimensiones de un agujero negro están relacionadas con el radio de su horizonte de sucesos, aquella superficie de no retorno de la cual ni siquiera la luz puede escapar. Y este radio es directamente proporcional a su masa, es decir, al duplicar la masa de un agujero negro también se duplicará su tamaño.

Aquí van algunas cifras para hacernos una idea. Mientras que el agujero negro estelar GAIA BH3 posee 33 masas solares y un radio de unos 97 km, M87 abarcaría tres veces la distancia entre el Sol y Plutón.

El tamaño del agujero negro ultramasivo TON 618 comparado con el sistema solar. Pinterest, CC BY

Pero los auténticos titanes superan con creces estos números. Así, el agujero negro ultramasivo ubicado en la galaxia Abell 1201 (33 mil millones de soles) equivaldría a 651 veces la distancia Tierra-Sol. Por otro lado, TON 618 (el mayor astro hallado hasta la fecha) tendría unas dimensiones de 1,3 veces la distancia entre el Sol y Sedna, uno de los objetos más lejanos conocidos del sistema solar.

Animación de la NASA sobre distintos tipos de agujeros negros y sus tamaños. Créditos: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab.

No serían tan peligrosos (cerca de su horizonte se sucesos)

Aunque pudiera parecer paradójico, estos verdaderos monstruos no serían tan lesivos cerca de su frontera u horizonte de sucesos. Y la razón estriba en el limitado valor de sus fuerzas de marea, en comparación con sus homólogos de menor masa.

Pero ¿en qué consisten estas fuerzas de marea?

Técnicamente, miden la diferencia en la aceleración de la gravedad entre dos posiciones de un campo gravitatorio.

Así, por ejemplo, si un intrépido astronauta de 1,80 m de estatura estuviera situado de pie sobre el horizonte de sucesos de TON 618, la gravedad superficial que experimentaría (en un análogo a la gravedad newtoniana) sería de unos 250 m/s² (recordemos los 9,8 m/s² en la superficie terrestre). Ciertamente se trataría un valor elevado pero no afectaría a la integridad del viajero, ya que, debido a las reducidas fuerzas de marea, esos 250 m/s² serían prácticamente los mismos en su cabeza que en sus pies.

El panorama cambiaría radicalmente en un agujero negro estelar como GAIA BH3, cuyas fuerzas de marea son inmensas. Ahora, el astronauta sentiría una aceleración de la gravedad de 4,6 m/s² en su cabeza (casi la mitad que en la Tierra)… pero unos 17.000.000 m/s² en sus pies. Sería despedazado incluso antes de acercarse a esta superficie de no retorno, sufriendo el denominado proceso de espaguetificación.

Animación de la destrucción de una estrella debido a las intensas fuerzas de marea cerca de un agujero negro. Créditos: ESO/M. Kornmesser.

Menos densos que el aire

El concepto de densidad de un sistema material como la cantidad de materia contenida en un determinado volumen parece bastante intuitivo. Así, la densidad del agua destilada es de 1.000 kg/m³ y la del plomo 11.340 kg/m³.

Pero ¿cómo definimos la densidad de un agujero negro? Recordemos que son regiones del cosmos prácticamente vacías con toda su masa concentrada en un punto, la singularidad.

Para realizar el cálculo, hay que dividir su masa entre el volumen determinado por su horizonte de sucesos. Como resultado, la densidad de un agujero negro es inversamente proporcional al cuadrado de su masa, es decir, al duplicar su masa se reducirá su densidad en un factor 4.

M87 tiene una densidad de 0,43 kg/m³ (la mitad del gas amoniaco), mientras que TON 618, cuyo valor alcanza los 0,004 kg/m³, es unas 300 veces menos denso que el aire.

Billones de veces más energéticos que el Sol

¿Y cómo han sido descubiertos estos agujeros negros ultramasivos?

En la mayoría de los casos se han identificado por su descomunal emisión de energía asociada a los cúasares, galaxias con núcleos activos en cuyos centros hay ubicados SMBHs. Volviendo a TON 618, su potencia de emisión es de unos 140 billones de soles, haciéndolo uno de los objetos más brillantes del universo.

Existe otro método de detección basado en el fenómeno de lente gravitatoria, consistente en la desviación de un haz de luz procedente de una fuente lejana cuando pasa cerca de un objeto muy masivo (como una galaxia o un agujero negro).

Así fue como se detectó el coloso Abell 1201. La desviación de la trayectoria de los haces luminosos detectada es de tal magnitud que sólo un agujero negro ultramasivo de 33 mil millones de masas solares puede ser el responsable.

Posibles límites a sus descomunales masas

¿Es posible la existencia de agujeros negros ultramasivos con una masa superior a TON 618?

No tenemos una respuesta clara a esta pregunta. Mientras unos estudios marcan un límite de 100 000 millones de masas solares, otros investigadores proponen una nueva especie de agujeros negros, los llamados “extraordinariamente masivos”, que podrían superar esa eventual cota superior.

Quizá el récord que ostenta TON 618 como el mayor astro hallado en el universo sea superado en los años venideros. Lo que no cabe duda es que será, si se produce, otro nuevo y apasionante hito en la historia de la astronomía.

Óscar del Barco Novillo, Profesor asociado. Departamento de Física (área de Óptica)., Universidad de Murcia

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.