Desvelan la procedencia de los campos magnéticos de los agujeros negros

Ilustración: Ore Gottlieb et al. (2024)

Los agujeros negros son probablemente los cuerpos celestes más enigmáticos del universo. Aunque son más conocidos por engullir su entorno en un pozo gravitatorio del que nada puede escapar, también pueden disparar potentes chorros de partículas cargadas, dando lugar a estallidos de rayos gamma que pueden liberar más energía en cuestión de segundos que la que emitirá nuestro Sol en toda su vida. Para que se produzca un acontecimiento tan espectacular, un agujero negro debe tener un potente campo magnético. Sin embargo, la procedencia de este magnetismo ha venido siendo un misterio.

El esclarecimiento de este misterio llega ahora gracias a un estudio realizado por un equipo que encabeza Ore Gottlieb, del Centro de Astrofísica Computacional en el Instituto Flatiron, adscrito a la Fundación Simons de Estados Unidos.

Utilizando cálculos sobre la formación de agujeros negros, estos científicos han descubierto finalmente que el origen de los campos magnéticos de los agujeros negros está en las propias estrellas de cuyos cadáveres ultradensos se forman.

La idea sobre este origen resulta obvia y no son nuevas las teorías que la han tenido en cuenta, pero la cuestión no es tan fácil como suena. A simple vista, puede parecer que, sencillamente, los campos magnéticos de las estrellas que se derrumban sobre sí mismas también se contraen y que durante este proceso tales líneas de campo magnético se hacen más fuertes a medida que se comprimen, por lo que la densidad de los campos magnéticos se hace mayor.

El problema de esa explicación es que el fuerte magnetismo de la estrella hace que esta pierda su rotación. Y sin una rotación rápida, un agujero negro recién nacido no puede formar su disco de acreción (el flujo de gas, plasma, polvo y partículas alrededor de un agujero negro) y no podría producir los chorros y estallidos de rayos gamma que se observan.

Parece pues un caso de exclusión mutua. Para que se formen chorros, se necesitan dos cosas: un campo magnético fuerte y un disco de acreción. Pero un campo magnético adquirido por tal compresión no contará con un disco de acreción, y si se reduce el magnetismo hasta el punto en que puede formarse el disco, entonces el magnetismo no es lo suficientemente fuerte como para producir los chorros.

Tal como Gottlieb y sus colegas constataron, la clave para resolver el enigma está en cierta fase del proceso contracción del cadáver de la estrella que muere en una explosión de tipo supernova. Esa fase es la que podría definirse como “estrella de neutrones momentánea”. Una estrella de neutrones es un astro más denso que una estrella enana blanca pero menos que un agujero negro. Los tres tipos de astros son lo que queda de una estrella propiamente dicha tras el cese de su actividad de fusión nuclear que la define como estrella. Al final de su vida, las estrellas con masa pequeña se convierten en enanas blancas, las de masa mediana pasan a ser estrellas de neutrones y las de masa grande se transforman en agujeros negros.

Anteriormente, se había intentado resolver el misterio teniendo en cuenta solo a un agujero negro aislado, donde todo el magnetismo se pierde durante el colapso, o solo a una estrella de neutrones aislada.

Sin embargo, estas estrellas de neutrones, en su estadio previo al de agujero negro, tienen discos de acreción propios, al igual que los agujeros negros. Gottlieb y sus colegas se preguntaron si acaso un disco de acreción puede salvar el campo magnético de la estrella de neutrones. De este modo, se formaría un agujero negro que heredaría las mismas líneas de campo magnético que poseía la estrella de neutrones.

Los cálculos del equipo demostraron que, en efecto, a medida que una estrella de neutrones se comprime en su camino hacia su estado definitivo de agujero negro, antes de que todo su campo magnético sea engullido por el agujero negro recién formado, el disco de la estrella de neutrones es heredado por el agujero negro y sus líneas de campo magnético quedan ancladas.

Los autores del estudio realizaron cálculos para los valores típicos que deberían poseer estos sistemas, y en la mayoría de los casos, la escala de tiempo para la formación del disco del agujero negro es más corta que la del proceso por el cual el agujero negro puede perder su magnetismo. Así pues, el disco permite al agujero negro heredar un campo magnético de su madre más inmediata, la estrella de neutrones momentánea.

El estudio se titula “She’s Got Her Mother’s Hair: Unveiling the Origin of Black Hole Magnetic Fields through Stellar to Collapsar Simulations”. Y se ha publicado en la revista académica The Astrophysical Journal Letters.

Fuente: NCYT de Amazings