Agujero Negro Galáctico en M87

Recientemente se han publicado los resultados de las medidas realizadas en el núcleo galáctico de la galaxia M87. En su interior reside un inmenso agujero negro que engulle miles de estrellas y en este proceso se genera un enorme chorro de energía hacia fuera de la galaxia. Estos chorros energéticos, denominados jets, pueden viajar a velocidades mayores que la luz. Es esto posible?. Referencias: M87, agujero negro, rayos gamma, velocidad superlumínica.

abcienciade in english: black hole M87

   

 
Imagen del jet del núcleo galáctico de M87 captada por el telescopio Hubble.

Imagen del jet del núcleo galáctico de M87 captada por el telescopio Hubble.

 

M87 es una galaxia elíptica situada en el centro del Cúmulo de Virgo, una agrupación de miles de galaxias que se mueven juntas por el espacio, como un inmenso rio cósmico, a una distancia de 55 millones de años luz.  El diámetro de M87 es un poco mayor que el de nuestra Galaxia pero más gruesa, por eso contiene muchas más estrellas.

M87 es una de las primeras galaxias en observarse la presencia de un inmenso agujero negro en su núcleo a partir de las observaciones realizadas en la década de los 80. Aunque sus observaciones peculiares empiezan en 1917, ya entonces los astrónomos sospechaban que algo curioso ocurría. Herbert Curtis en 1918 descubrió un pequeño chorro de energía saliendo del núcleo. Investigaciones con radiotelescopios en la década de los 50 detectaron grandes emisiones de energía procedentes de la galaxia.

Pues bien, en el centro de la galaxia M87 se encuentra un agujero negro con una masa seis mil millones de veces mayor que nuestro Sol. Cuando los protones y electrones procedentes de las estrellas son atrapados por el inmenso agujero negro, esta sopa de partículas se convierte en plasma (es como un gas de partículas cargadas eléctricamente) y entran  aceleradamente en espiral hacia el agujero negro calentándose hasta millones de grados centígrados. El resultado es una gran emisión de radiación electromagnética en la zona de radio, rayos X y rayos gamma. La parte del plasma caliente que no entra en el agujero negro, logra escapar produciendo lo que se denominan chorros o jets de miles de años luz de longitud, como comentaba en el último post sobre agujeros negros.

El telescopio espacial Hubble detecto una cantidad de estrellas en el núcleo galáctico, miles de veces mayor de lo esperado. Detecto también nubes de gas que giran en forma espiral alrededor de la galaxia a grandes velocidades. Los instrumentos ópticos y radiotelescopios detectaron jets que se mueven casi a la velocidad de la luz formando dos grandes zonas cada una de unos 200.000 años luz.

La explicación a estas observaciones concuerda con la presencia de un grandioso agujero negro en el centro galáctico de M87, en principio se creía que su masa era de unos tres mil millones de veces que la del Sol, pero estudios recientes han aumentado esta masa a seis mil millones.

Vemos que el patrón de las observaciones concuerda con la explicación hipotética sobre agujeros negros que hacían en el post anterior. A sido una casualidad que ahora aparezca este estudio sobre las emisiones electromagnéticas de M87. Han sido realizadas utilizando los telescopios MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov) situado en la isla canaria de La Palma, VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) situado en Arizona y H.E.S.S. (High-energy Stereoscopic System) situado en Namibia en una colaboración conjunta que ha permitido obtener datos durante 120 horas del jet de m87, que se reducen a 90 después de depurar estos datos.

El resultado es asombroso, la emisión de rayos gamma es de 1012 eV (electron volts), si tenemos en cuenta que la energía de la luz visible es de aproximadamente 1 eV, esto significa que su energía es un billón de veces superior a la energía de la luz visible. La radiación gamma es la mayor energía de radiación que se conoce.

Estos resultados son compatibles con un agujero negro de masa 6,4 mil millones la solar y un radio de 20.000 millones de kilómetros. Es lo que se denomina el radio de Schwarzschild, que comentaré en el siguiente post.

Otra curiosidad es que el jet se mueve más rápido que la luz en el vacío. Las medidas efectuadas en 2007 indicaban que se movía a 2,3c pero los ajustes actuales lo sitúan a una velocidad de 1,1c. Sorprendente? Pues no, he hecho un poco de trampa. Ocurre que a veces no se dice, creando confusión como seguramente les he creado. La solución es muy simple y se resuelve indicando que esta medida es la velocidad aparente del jet desde la Tierra. Les explico cómo puede ser que observemos movimientos mayores que la luz, la verdad es que no se observan, se miden. Y es el proceso de medición el que introduce la contradicción relativista.

Un objeto distante puede parecer que viaja más rápido que la luz desde nuestro punto de vista, y fue precisamente la observación del jet de M87 por el Hubble la primera vez en detectarse estas supervelocidades aparentes en unas medidas efectuadas entre 1994 y 1998.

velocidad aparente superluminica captada por el Hubble

velocidad aparente superluminica captada por el Hubble

Veamos cómo puede suceder a partir del siguiente esquema inventado, los valores escogidos sirven para ilustrar el concepto de velocidad aparente superlumínica. El triangulo formado por AA’B tiene por catetos 12 años luz y 5 años luz, de esta manera su hipotenusa,  o lo que  es lo mismo, la distancia de AB se calcula a partir del teorema de Pitagoras

m87_1

Así obtengo valores enteros y no les complico más la explicación.

La situación sucede cuando el jet en su movimiento se acerca a la Tierra y lo hace a velocidades cercanas a la luz. Es como si el propio jet persiguiese a la luz que emite. El esquema es el siguiente:

Esquema relativista del movimiento de un jet superlumínico

Esquema relativista del movimiento de un jet superlumínico

 

 

Supongamos que en A, situado a 1000 años luz de la Tierra, se produce el destello de un Jet que se mueve a una velocidad de  13/14 c (0,93c) hacia el punto B. Veamos como se observa el movimiento desde el punto de vista de la Tierra y desde el Jet.

En el esquema anterior observamos que en A se produce la emisión energética del jet, desde la Tierra se sigue observando durante dos años hasta la posición B. Puesto que desde la perspectiva de la Tierra el jet parece moverse de A’ a B y la distancia son 5 años luz, es fácil calcular la velocidad. Ha tardado 2 años en recorrer 5 años luz, por tanto la velocidad aparente del jet es

 m87_2

Vemos que según la Tierra el jet se ha movido a más del doble de la velocidad de la luz. Ahora sabemos que tan solo es una ilusión, pues no hemos tenido en cuenta la triangulación real del movimiento.

Veamos que pasa desde el punto de vista del jet. La luz del destello del jet en A llega a la Tierra al cabo de 1000 años de producirse. El jet se mueve a la velocidad de 13/14 c hacia el punto B que dista de A 13 años luz. Cuanto tiempo tarda en recorrer esta distancia?

m87_3

Es decir, el jet tarda 14 años en recorrer la distancia de A a B. La luz procedente de B tarda 988 años en llegar a la Tierra, 14 + 988 = 1002 años después del destello en A. Desde el punto de vista de la Tierra han transcurrido solamente 2 años.

Aun en estas situaciones al límite de la física, la teoría de la relatividad sigue cumpliéndose, nada con masa puede superar la velocidad de la luz en el vacío.

Acerca de Carles Paul

Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Barcelona, Master en Física y Matemática Aplicada por la Universidad Politécnica de Cataluña y Master en Historia de la Ciencia por la Universidad Autónoma de Barcelona. Técnico Experto Evaluador Europeo. Profesor titulado de física y matemáticas de la Politècnica de Mataró, des de 1991. Director Científico de Innovem.
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8 respuestas a Agujero Negro Galáctico en M87

  1. Carles:

    Enhorabuena por tu blog. tan sólo haré algunas puntualizaciones.

    Los agujeros negros son consecuencia de creer que los graves se mueven según geodésicas gravitatorias. El primer y segundo elemento de matriz de la métrica de Schwarzschild son el inverso matemático el uno del otro. Pero si fuesen iguales entre sí, entonces, incluso con total independencia de los posibles ceros e infinitos matemáticos, los conos de luz nunca se cerrarían. No habría ni horizontes de sucesos ni agujeros negros.
    Todo fluye, decía Heráclito. Pero los viajes en el tiempo de los que habla la teoría de la relatividad tan sólo son posibles… en las películas de ciencia-ficción.
    El tiempo es relativo, pero sin sobrepasar ciertos límites que conducen a contradicciones lógicas y paradojas. No te dejes engañar por las fantasías vanas de los epígonos de Einstein.
    Es posible también encontrar, completamente fuera del ámbito de la física, obras que inducen a reflexionar sobre el tiempo. Series de ciencia-ficción (stargate), lienzos (la persistencia de la memoria, Dalí), literatura,… Te recomiendo que reflexiones sobre Stephen Hawking y Kip Thorne, en mi opiníon, los dos mejores autores de literatura fantástica y de terror desde Edgar A. Poe.
    Piensa libre. La red es una buena herramienta para acabar con el pensamiento único. Totalitario y excluyente.
    La teoría conectada, la única alternativa posible a la relatividad general de Einstein, es la solución a los problemas de la física teórica actual. Pueden consultarla en “xavier terri” (google) o en bubok.com o en http://www.bubok.com/libros/4169/Tractatus-PhysicoPhilosophicus

    Terrassa, 16 de julio 2009

    Xavier Terri

  2. Xavier Terri dijo:

    Carles Paul, tu post puede tener trascendencia histórica.

    El ingenioso argumento que aquí explicas, basado en una especie de “perspectiva temporal”, no es más que una estratagema relativista para negar la evidente existencia real de velocidades superiores a “c” (a lo sumo podría funcionar en algún caso muy concreto).
    En casos como los de M87, la teoría conectada demuestra que la velocidad máxima permitida es superior a “c”. El “factor de conexión” que multiplica a “c” es la raíz cuadrada del que aparece en la fórmula (158), pág. 173 (Extracto de la Teoría Conectada).
    Si calculas este factor de conexión con los datos que ofreces en tu post:

    “Estos resultados son compatibles con un agujero negro de masa 6,4 mil millones la solar y un radio de 20.000 millones de kilómetros. Es lo que se denomina el radio de Schwarzschild, que comentaré en el siguiente post.”

    verás que se obtiene el número “e” elevado a 0,5: 1,6487
    Por tanto, la velocidad máxima predicha por la teoría conectada es: 1,6487c, que es el promedio de los datos que indicas más abajo: 2,3c y 1,1c
    La relatividad niega velocidades superiores a “c”. En cambio, como ves, los resultados de la teoría conectada son acordes con M87
    Si deseas profundizar en el tema puedes consultar la fórmula (159), pág. 174
    Si en lugar de (159) utilizas la métrica de Schwarzschild de la relatividad general comprobarás que todos los resultados son absurdos: te aparecerán, en este caso, ceros o números complejos para radios inferiores al crítico.

    Una pregunta: ¿Dispones de datos que permitan contrastar las fórmulas de los apéndices C y D, págs. 205 y 209? Fíjate que C eliminala “materia oscura”.

    Cuando se ilumina el pensamiento, el mundo se ilumina.

    P.D.: Veo que estás trabajando con las fórmulas de la RG. Supongo que ya habrás notado que las que parecen “sensatas” cuando están expresadas en función del tiempo propio se convierten en absurdas en función del tiempo coordenado, y viceversa. Por ejemplo, la aceleración radial parece “sensata” en función del tiempo propio, pero se vuelve absurda para el tiempo coordenado. Lo contrario ocurre con la velocidad de una órbita circular: “sensata” para el tiempo coordenado; absurda para el tiempo propio (‘absurdo’= cero, infinito o número complejo).
    En todos los casos, las fórmulas “sensatas” de la RG coinciden siempre, exactamente, con las fórmulas de Newton. ¿Por qué los relativistas quieren hacernos creer que la RG es una generalización de la gravitación newtoniana?

    Xavier Terri
    Terrassa 31 julio 2009

  3. Esperanza dijo:

    Interesante comentario el de la energía en los agujeros negros y también interesantes posts los de Xavier, que muestran que estamos aún en pañales en lo que se refiere a estos temas.

    A mi humilde parecer, creo que sí que puede ser superable la velocidad de la luz, porque es la única forma de entender que existan los viajes de otras civilizaciones a través del universo, no puede ser que seamos los únicos y que estemos solos.

    Tal vez la forma de crear energía que tienen los agujeros negros, podría ser imitable en el futuro y se podría obtener un nuevo tipo de energía, muy potente, no contaminante y posiblemente utilizable para que el ser humano también lograse hacer viajes intergalácticos y llegar a cualquier planeta en el mismo tiempo que se tarda en darle la vuelta a la tierra.

    Es una pena que no estemos aquí para verlo.

    Saludos afectuosos.

  4. Carles Paul dijo:

    Desde el punto de vista relativista la velocidad de la luz es la máxima velocidad en nuestro universo. Desconozco la teoría de Xavier Terri y por eso no hago comentarios.

    La ciencia acepta el postulado de Einstein de que la velocidad de la luz es la máxima velocidad porque se cumple en todas las observaciones y experimentos. Por ejemplo en los aceleradores de partículas por mucha energía que se suministre a un electrón nunca sobrepasa la velocidad de la luz y así con todas las observaciones. Aunque es cierto que existen teorías alternativas pero no terminan de explicar todos los resultados experimentales.

    Si eso es así, los viajes interplanetarios simplemente no existirán jamás, es solo una fantasía de la ciencia-ficción y de creer que nuestra especie puede hacerlo todo. No hay que confundir la ficción con la realidad.

    Eso no significa que no existan otras civilizaciones galácticas, significa que no se encontraran nunca. Vivimos en sistemas estelares que son como islas en medio de un inmenso océano galáctico imposible de surcar.

    Esto tiene otra implicación más importante y es que hemos de buscar nuestro futuro en el planeta Tierra y no fuera de el. La Luna y Marte están muy cercanos pero las estrellas están muy lejos.

    Puedes ampliarlo un poco más en estos posts que tengo.

    https://abcienciade.wordpress.com/2008/01/24/ecuacion-de-drake-y-solucion-fermi/

    https://abcienciade.wordpress.com/2008/01/30/la-paradoja-de-fermi/

    Siento tener que desilusionarte, al menos por lo que se conoce actualmente.

    Recuerdos

  5. Esperanza dijo:

    En parte es bueno que el ser humano no logre encontrar otro lugar similar a la tierra al que conquistar, dada la crueldad que le caracteriza y viendo que solo lo mueven los intereses económicos millones de veces por encima de los culturales.

    Si encontrasen en otro planeta una tierra rica en materias primas y unos habitantes de inteligencia inferior ya podemos imaginarnos de qué manera iban a ser tratados.

    No me desilusiono, esa idea es mi consuelo.

    Un abrazo

  6. Jordi Mas dijo:

    Carles ¿puedo hacer un comentario?, mi campo de investigación es el cognoscitivo por lo que moverme por los efectos del encéfalo en su totalidad es lo habitual, dicho esto, lo que quiero decir es que en situaciones muy complejas de zonas específicas de lóbulos cerebrales, cuando se estimulan de modo endógeno o por razones exógenas, hay efectos de percepción con variaciones mesurables, via EEg etc.. Ahora la pregunta, en las últimas décadas la física se centra en los incrementos de energía, tanto en la newtiana como en la RG., pero Paul, ¿qué sucedería si fuese de modo opuesto, que un flujo de particulas en vez de viajar a mayores velocidades que la luz fuese capaz de viajar a velocidades conn magnitudes infimas que no hubiera formulas sensatas para conocerlas, y que este o estos fluidos de particulas tuvieran efectos exóticos en el tejido espacio-temporal. Solamente es una pregunta, tú ya me conoces. Un fuerte abrazo Paul, siempre es un gozo leerte en tu campo de investigación.
    Jordi Mas i Manjon

  7. Carles Paul dijo:

    Antes que nada disculpa la tardanza en contestarte, últimamente estoy muy liado, quizá pretendo hacer demasiadas cosas a la vez.

    Bien, lo primero que hay que entender sobre la velocidad, es que es relativa. ¿Qué significa esto? Te lo cuento con un ejemplo, que es real, o al menos esto me aseguraron. Durante la Primera Guerra Mundial un piloto en pleno combate aéreo noto como una abeja se le acercaba al cuello, la cogió con las manos (con los guantes puestos) y descubrió que no era una abeja sino una bala enemiga. ¿Que había ocurrido?, que un piloto enemigo situado detrás le había disparado y en el momento que la bala se encontraba cerca del piloto la velocidad de la bala era igual a la del avión.

    Esto significa relativo, la velocidad de la bala depende de quien la mire, un observador situado en tierra observaría que la bala se mueve a la misma velocidad que el avión. Para el piloto del avión la bala no tiene velocidad, se encuentra inmóvil dentro de la carcasa del avión.

    Entonces lo que propones no es nada desproporcionado, pueden existir partículas que se muevan muy despacio respecto nosotros pero que tengan velocidades enormes. Simplemente no notamos el efecto porque estas partículas y nosotros nos movemos a la misma velocidad que se expande el entramado espacio-tiempo.

    Estas partículas existen y se denominan partículas virtuales, no las podemos detectar, pero podemos notar sus efectos. Por ejemplo Hawking demostró que los agujeros negros pueden emitir energía a partir del efecto de estas partículas virtuales en torno de un agujero negro. Lo comentare en un post.

    Otro argumento sobre la carga de las partículas reales tiene en cuenta estas partículas virtuales, incluso la masa tiene en cuenta estos efectos, es la partícula de Higgs, que tiene que encontrar el LHC cuando vuelva a funcionar.

    En definitiva, si a lo que dices sobre las partículas que sugieres lo cambias por la palabra “campo” estas dentro de la moda actual en la frontera de los conocimientos físicos. Por ejemplo hablar del campo electromagnético es lo mismo que hablar de fotones. Dentro de la mecánica quántica toda partícula tiene asociado un campo. De esta manera el campo gravitatorio tiene asociado una partícula que es el gravitón. No se ha encontrado pero hay experimentos en marcha para detectarlos.

    Pues bien, tenemos que esperar que el LHC vuelva a funcionar y ver que particulas detecta en el entramado del tejido espacio-tiempo.

    Saludos

  8. Jordi Mas dijo:

    Muchas gracias Paul, me has mostrado de un modo nuy comprensible la teoría de campo, algo que me facilita de un modo muy especial, poder comprender algunas singularidades que suceden en el soporte “cerebro”, en la experimentación de mi campo de investigación, observamos variaciones en segmentos muy específicos en zonas del cortex, lo que acabas de explicar, resulta de lo más apasionante en mi campo, hay una serie de singularidades, que desde hace veinte años estamos tratando de comprenderlas, una conjetura verosimil es que las singularidades se muestran con algunos efectos exóticos quizás debido a que están comprometidas con partículas virtuales “sólo conjetura verosímil, por el momento “. Te estoy muy agradecido por tu amable atención y por la aportación de la física en un campo en apariencia dispar como es el estudio cognoscitivo y sus efectos. Continuaremos en contacto. Y sin duda, leyendote en tu campo de investigación que me apasiona por lo bien que lo expresas. (pienso que todos los investigadores compartimos la misma pasión, al movernos entre tan interesantes y dispares disciplinas). Un fuerte abrazo a ti y a tu familia,

    Jordi Mas i Manjon

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