Dos misiones para desentrañar el misterio de los agujeros negros

En el centro de nuestra galaxia y, probablemente, en el de todas las demás, existen objetos más fáciles de nombrar que de imaginar. Los agujeros negros supermasivos tienen millones o incluso miles de millones de veces la masa del Sol, que a su vez equivale a 330.000 Tierras. El nuestro, el de la Vía Láctea, está relativamente cerca, a 27.000 años luz, y tiene tanta masa como cuatro millones de soles.

Estos objetos, muy distintos de los agujeros negros que se forman cuando las grandes estrellas agotan su combustible y que solo alcanzan las decenas de masas solares, contienen la clave de la evolución de las galaxias y del universo. Se sabe que existe una correlación entre el tamaño de una galaxia y el agujero negro que la habita y también que las estrellas de los confines de una galaxia se mueven más rápido cuanto mayor es el agujero negro central, pese a estar fuera de su “jurisdicción” gravitatoria.

Dentro de una década, la Agencia Espacial Europea (ESA) quiere centrar dos de sus principales misiones científicas en estos objetos descomunales para desentrañar sus misterios. La primera de ellas, Athena (de las siglas en inglés para Telescopio Avanzado para Astrofísica de Alta energía), es el mayor telescopio de rayos X construido hasta la fecha y su lanzamiento estaba previsto para 2031. Está diseñada para captar los fenómenos más calientes y energéticos del cosmos con una precisión inédita y recopilar información para responder a dos cuestiones fundamentales. Una tiene que ver con la evolución de los agujeros negros del centro de las galaxias. La otra, con el modo en que la materia ordinaria, de la que están hechas las estrellas o los seres humanos, se entrelaza con la materia oscura, mucho más abundante, pero invisible, para formar el tejido del que está hecho el cosmos.

La segunda gran misión científica de la ESA para la década que viene es LISA (siglas en inglés de antena espacial de interferómetro láser), una constelación de tres satélites con una disposición sin precedentes para observar ondas gravitacionales, un fenómeno teorizado por Einstein hace más de un siglo, pero que no fue observado por primera vez hasta 2016. Cuando se produce el choque entre dos objetos extremadamente poderosos, como los agujeros negros en el centro de dos galaxias que se funden, el tejido espaciotemporal del cosmos se sacude como un estanque al que se arroja una piedra. Como las ondulaciones en el agua, se atenúan con la distancia y cuando el eco de esos fenómenos llega hasta las inmediaciones de nuestro planeta, son casi imperceptibles y sobre la superficie terrestre quedan enterradas en una gran cantidad de señales de todo tipo.

En la Tierra, experimentos como Virgo y LIGO han detectado las ondas gravitacionales producidas por la fusión de agujeros negros relativamente pequeños, con solo decenas de veces la masa del Sol. LISA podrá estudiar ondas gravitacionales de muy baja frecuencia, como las que liberan los agujeros negros supermasivos al encontrarse. Para conseguirlo, sus satélites se colocarán en el espacio, muy lejos de las perturbaciones de la superficie terrestre, en formación de triángulo equilátero, separados por 2,5 millones de kilómetros de distancia. Como si fuesen unas boyas, tres sensores en caída libre unidos por láser detectarán ondulaciones diminutas del tejido espaciotemporal, menores que el diámetro de un átomo.

El lanzamiento de LISA estaba previsto para 2034 porque, dada la complejidad de este tipo de misión, la ESA suele separarlas por al menos cinco años. Sin embargo, los responsables científicos de la agencia vieron una oportunidad de multiplicar el valor de las observaciones de Athena y LISA poniéndoles a estudiar con distintos sentidos los mismos fenómenos. Como si la primera pusiese la vista y la segunda el tacto, el estudio de la fusión de agujeros negros a través de sus emisiones de rayos X y de ondas gravitacionales ofrecería una visión mucho más completa del fenómeno.

Para adelantar el lanzamiento del observatorio de ondas gravitacionales, era necesario incrementar el presupuesto dedicado por los países miembros de la ESA a su programa de ciencia espacial. Eso sucedió a finales de noviembre en Sevilla, en la reunión de los ministros responsables de actividades espaciales de los países europeos. Por primera vez en 25 años se produjo un incremento significativo de esta partida, que alcanzó los 1.671 millones de euros para los próximos cinco años. Con la nueva planificación, LISA partiría en 2032, solo un año después de Athena.

El telescopio de rayos X realizará medidas sobre cientos de miles de agujeros negros, algunos cercanos y otros más alejados, pero son precisamente los más remotos, aquellos que se formaron en los primeros cientos de millones de años del universo, los que interesan a los responsables de la misión. Comprender cómo se formaron estos objetos, que son una especie de motores de las galaxias, ayudará también a comprender la evolución del universo y, en último término, conocer mejor la historia que un día permitió nuestra aparición sobre la Tierra. En combinación con LISA, se tratará de comprender también por qué algunos de estos monstruos galácticos se activan y comienzan a engullir la materia que les rodea, lanzando al espacio una intensa radiación y convirtiendo el interior de sus galaxias en núcleos activos. La Vía Láctea, por ejemplo, es, al menos de momento, una galaxia dormida, pero no tendría por qué serlo siempre.

Este trabajo conjunto entre dos observatorios tan diferentes no será simple. Esta misma semana, en la revista Nature Astronomy, tres investigadores de la Universidad de Birmingham (Reino Unido) hablaban de los retos, entre otros que, como corresponde a un proyecto de ciencia de frontera, se desconocen muchas cosas sobre los procesos físicos que se van a analizar. En la colaboración, LISA detectaría primero un fenómeno como una fusión de dos agujeros negros y después llegaría Athena para analizar las emisiones ultraenergéticas del choque de gigantes. “Uno de los retos para Athena será identificar el verdadero suceso de ondas gravitacionales [que detectó LISA] entre cientos de candidatos en su campo de visión”, escriben los autores del artículo. Aunque advierten sobre las dificultades de la observación conjunta, reconocen que la oportunidad para realizar nuevos descubrimientos y observaciones que transformen nuestra visión del universo es enorme.