Cuásar

Un agujero negro que come tan rápido que eclipsa a toda su galaxia

Paso a paso

Una estrella que no lo era

En 1963 Maarten Schmidt descubrió que un débil punto de luz llamado 3C 273 no era una estrella: su luz se había estirado por la expansión del universo en un viaje de unos 2000 millones de años.

3C 273 se conoció primero como fuente de ondas de radio, la número 273 del tercer catálogo de Cambridge. En 1962 la Luna pasó por delante, y medir cuándo se apagaban sus ondas de radio permitió saber dónde estaba. Allí había una estrella de aspecto corriente, de magnitud 13, con una tenue estela al lado.

Su espectro no tenía sentido hasta que Schmidt vio que era el conocido patrón del hidrógeno, desplazado casi un 16 % hacia el rojo. Solo la expansión del universo podía hacer eso, así que su luz llevaba unos 2000 millones de años viajando. Algo tan brillante desde tan lejos tenía que ser enormemente potente. Se llamaron radiofuentes cuasiestelares: cuásares.

Más brillante que cien Vías Lácteas

3C 273 brilla como 4 billones de soles, unas cien veces toda la Vía Láctea, y parpadea en cuestión de días: toda esa luz sale de una región de apenas unos días luz.

Alrededor de 3C 273 hay una galaxia elíptica gigante, pero en las fotos normales desaparece en el resplandor de su centro. Solo con un coronógrafo, que tapa la luz central como la Luna tapa al Sol en un eclipse, Hubble pudo verla con claridad en 2024.

Si 3C 273 estuviera a 30 años luz, brillaría en nuestro cielo tanto como el Sol. Sin embargo, su luz cambia en días, y nada puede iluminarse de golpe más rápido de lo que la luz tarda en cruzarlo: la fuente mide solo unos días luz, como nuestro sistema solar.

La galaxia se dibuja con un modelo sencillo de elíptica gigante; cuánto más brilla su centro sigue las mediciones.

Un agujero negro que come

En el centro hay un agujero negro de unos 260 millones de soles. El gas que cae en espiral se comprime y calienta en un disco hasta brillar más que todas las estrellas de la galaxia juntas.

Casi toda galaxia grande tiene un agujero negro supermasivo en su centro, y la mayoría están tranquilos. Un cuásar es uno al que se está alimentando: gas de su galaxia, a menudo removido por un choque con otra galaxia, cae hacia él más rápido de lo que puede tragarlo.

El gas no puede caer en línea recta. Como el agua en un desagüe, gira formando un disco plano, roza consigo mismo, pierde energía y se acerca lentamente en espiral, calentándose. La sombra del agujero negro y la luz curvada a su alrededor se dibujan como dice la relatividad general; las vetas del disco están dibujadas.

La luz más intensa

Cerca del agujero negro, el disco brilla sobre todo en ultravioleta. Caer en él convierte en luz una décima parte de la masa del gas: catorce veces más que la fusión nuclear en las estrellas.

La materia que cae hacia un agujero negro se acelera y se calienta. Cuando el gas del disco llega a la órbita estable más interna, unas pocas veces el tamaño del horizonte, alrededor de una décima parte de su masa se ha convertido en calor y luz, y más si el agujero gira rápido.

El Sol, al fusionar hidrógeno en helio, convierte en energía solo el 0,7 % de la masa que quema. Por eso los agujeros negros que comen son las luces constantes más potentes del universo. El lado del disco que gira hacia nosotros se ve más brillante y azul: el gas que se mueve a una buena fracción de la velocidad de la luz lanza su luz hacia delante.

El ultravioleta es invisible; el disco se dibuja con los colores de su calor.

Nubes en órbitas rápidas

Más afuera, nubes de gas giran a unos 3000 km/s, a unos 145 días luz del centro. En 2018 un instrumento llamado GRAVITY las vio girar, y eso pesó el agujero negro.

La luz de los cuásares muestra líneas anchas: los colores de cada elemento se emborronan porque el gas que los emite se mueve a miles de kilómetros por segundo, parte hacia nosotros y parte alejándose. Estas nubes las ilumina el disco que tienen dentro.

En 2018 GRAVITY, que une los cuatro telescopios de 8 metros del Very Large Telescope de ESO en uno solo, midió de dónde venía la luz de las nubes a lo largo de 3C 273 y vio que giraban: acercándose por un lado y alejándose por el otro. Lo rápido que giran a esa distancia da la masa del agujero negro, unos 260 millones de soles (GRAVITY Collaboration 2018).

Los colores de las nubes están dibujados: azul si se acercan, rojo si se alejan. Su giro está acelerado; una órbita tarda en realidad siglos.

Un chorro que cruza la galaxia

Parte del gas nunca cae. Lanzado a lo largo del eje casi a la velocidad de la luz, forma un chorro de 200.000 años luz, el doble del ancho de la Vía Láctea.

Cerca del agujero negro, los campos magnéticos enrollados por el disco y el agujero que giran lanzan un poco de gas a lo largo del eje casi a la velocidad de la luz. Alrededor de un cuásar de cada diez tiene chorros lo bastante fuertes para brillar mucho en ondas de radio.

El chorro de 3C 273 se ve incluso en fotos normales de Hubble, una estela de unos 200.000 años luz. Sus nudos parecen correr hacia fuera más rápido que la luz: una ilusión, porque se mueven casi de frente hacia nosotros a casi la velocidad de la luz, y su luz llega amontonada. Su gemelo, que apunta en dirección contraria, es demasiado débil para verse.

El chorro se dibuja en azul pálido, como se ve en las fotos de Hubble.

El más brillante de todos

El cuásar más brillante conocido, J0529-4351, brilla como 500 billones de soles. Su agujero negro, de 17.000 millones de soles, se traga cada día el gas equivalente a más de un Sol.

J0529-4351 es tan brillante que durante décadas los catálogos del cielo lo tomaron por una estrella. En 2024 un equipo dirigido por Christian Wolf mostró con el Very Large Telescope de ESO que es un cuásar cuya luz partió hace más de 12.000 millones de años.

Su agujero negro tiene unas 17.000 millones de veces la masa del Sol y sigue creciendo. El disco que lo alimenta mide unos 7 años luz, el mayor conocido, y brilla como más de 500 billones de soles (Wolf et al. 2024).

El disco se dibuja a su tamaño medido. La sombra del agujero negro en su centro es demasiado pequeña para verse a esta escala.

La era de los cuásares

Los cuásares fueron más comunes hace unos 10.000 millones de años, cuando las galaxias eran jóvenes y estaban llenas de gas. La mayoría se quedó sin alimento y hoy los brillantes son raros.

Como la luz tarda en llegar, los cuásares más lejanos son también los más antiguos. Contarlos a cada distancia muestra que los cuásares brillantes eran unas cien veces más comunes hace 10.000 u 11.000 millones de años que hoy.

Entonces las galaxias eran ricas en gas y chocaban a menudo, lo que empujaba gas hacia sus centros. Al gastarse el gas en estrellas o salir expulsado, la mayoría de los agujeros negros se calmaron. Muchas galaxias gigantes de hoy guardan los agujeros negros dormidos de antiguos cuásares.

La gráfica da, más o menos, la forma que hallaron los censos. El apagado del cuásar aquí está dibujado.

Nuestro propio agujero negro

El agujero negro de la Vía Láctea, Sagitario A*, pesa 4,3 millones de soles y apenas come. Pero dos burbujas gigantes de rayos gamma por encima y por debajo de la galaxia indican que se avivó hace unos pocos millones de años.

Sagitario A* es unas sesenta veces más ligero que el agujero negro de 3C 273 y está casi hambriento: brilla solo como unos cientos de soles, sobre todo en ondas de radio y rayos X.

En 2010 el telescopio espacial Fermi halló dos enormes lóbulos de rayos gamma, cada uno a unos 25.000 años luz por encima y por debajo del centro de la galaxia. Su tamaño y forma sugieren un estallido desde el centro hace unos pocos millones de años, quizá cuando Sagitario A* se dio su último gran festín.

Las burbujas son invisibles al ojo; aquí se dibujan en violeta. La Vía Láctea se dibuja con un modelo sencillo.

Faros que nunca se mueven

Los cuásares están tan lejos que nunca parecen moverse. Los astrónomos usan miles de ellos como los puntos fijos respecto a los que se mide toda posición en el cielo.

Las estrellas se desplazan por el cielo con los años al moverse por la galaxia. Los cuásares, a miles de millones de años luz, no se mueven, así que son los mejores puntos de referencia que existen.

El Marco Internacional de Referencia Celeste, con el que se guían las naves y se sigue el giro de la Tierra, se basa en las posiciones de 4536 radiofuentes lejanas, casi todas cuásares, medidas por radiotelescopios de todo el mundo (ICRF3, 2018). La nave Gaia ancla su mapa de casi dos mil millones de estrellas a unos 1,6 millones de cuásares.

Los anillos señalan cuásares como lo haría un mapa; los puntos que contienen están dibujados.

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TON 618