Los agujeros negros como fuente de energía ilimitada (y otras cosas)

La química de la vida terrestre necesita elementos pesados como el carbono y el oxígeno, que se producen en el interior de las estrellas. La fase caliente y densa del universo primitivo no produjo una abundancia significativa de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio porque la síntesis de elementos duró sólo unos minutos antes de que el Universo se enfriara a temperaturas inferiores al umbral de activación de la fusión.

Los agujeros negros supermasivos como Sgr A* pasan la mayor parte del tiempo sin alimentarse y en estado latente. Si la vida inteligente surge durante esta fase común de un agujero negro supermasivo, puede beneficiarse de varias ventajas

Los astrónomos denominan metales a los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. Éstos se cocinaron en las estrellas, que empezaron a formarse cien millones de años después del Big Bang, como revelan las recientes imágenes profundas del telescopio Webb. La vida tal y como la conocemos no era posible antes de los primeros cien millones de años.

La abundancia de metales aumentó a lo largo del tiempo cósmico. El Sol es una estrella tardía, ya que la mayoría de las estrellas se formaron miles de millones de años antes. El material que formó el Sol ya estaba enriquecido por generaciones anteriores de estrellas y los metales constituían el dos por ciento del presupuesto de masa. Tras consumir su combustible nuclear, las estrellas anteriores, con una masa al menos ocho veces superior a la del Sol, explotan como supernovas y arrojan sus entrañas, enriqueciendo el medio interestelar circundante con metales.

Esto plantea un interesante experimento mental. Pensemos en una enorme caja cerrada que contenga gas y en la que se formen estrellas que enriquezcan el gas interestelar restante con metales. ¿El depósito de gas restante acabaría siendo mayoritariamente metálico, de modo que la última generación de 'estrellas metálicas' tendría una fracción de masa asintótica de metales cincuenta veces mayor que la del Sol?

Resulta que este experimento mental se realiza en el universo. En el centro de cada galaxia se encuentra un enorme agujero negro, que brilla como un cuásar cuando se alimenta de gas. En las proximidades del agujero negro, el pozo de potencial gravitatorio es tan profundo que la velocidad de escape de una región que es miles de veces mayor que el horizonte del agujero negro está por encima de la velocidad característica de los eyectos de supernova. Como resultado, la gravedad del agujero negro puede confinar los elementos pesados expulsados en esa región, como un trampolín que atrae una bola de bolos que gira a una velocidad suficientemente baja alrededor de su centro. Las estrellas más masivas tienen una vida corta, de apenas unos millones de años, lo que permite muchas generaciones de aumento de su metalicidad [la fracción de masa de un objeto astronómico que no está formada por hidrógeno o helio. N. del T.] durante la edad típica de los núcleos galácticos. Además, el tiempo orbital es del orden de años, lo que permite una mezcla eficaz de los eyectos de supernova dentro de la región. Como resultado, los núcleos galácticos podrían mantener los elementos pesados producidos por las supernovas y comportarse como una caja cerrada durante la vida de muchas generaciones de estrellas masivas. Si no entra gas fresco de baja metalicidad, este entorno se asemeja a nuestro experimento mental. Los chorros de los cuásares podrían expulsar flujos de la caja, pero no cambiarían el límite de metalicidad del gas restante.

Las observaciones de las líneas de emisión de las nubes de gas en la región interior de los cuásares (la llamada región de las líneas anchas, unos pocos miles de veces la escala del horizonte del agujero negro), indican que el techo de metalicidad allí es universalmente diez veces y no cincuenta veces el valor solar. Este techo parece ser el mismo en todos los cuásares, independientemente de la tasa de formación estelar, el tiempo cósmico o la masa del agujero negro. ¿Por qué este techo de metalicidad es universalmente cinco veces inferior al valor máximo posible?

En una nueva publicación escrita con mi estudiante, Shelley Cheng, demostramos que una vez que la metalicidad alcanza un valor de diez veces la abundancia solar, las estrellas masivas pierden tanta masa a través de los vientos que no pueden evolucionar para explotar en supernovas. Los vientos suelen ser impulsados por la presión de la radiación, que es más eficaz para impulsar la pérdida de masa a medida que la opacidad del gas aumenta con la metalicidad. Por encima de diez veces la abundancia solar, los metales permanecen encerrados en los interiores estelares y el gas interestelar no se enriquece más.

Sin embargo, el medio interestelar de los núcleos galácticos está enriquecido con más semillas para la química de la vida que las heredadas del sistema solar. Pero, la mayor abundancia de carbono u oxígeno no es necesariamente un terreno fértil para la vida. Como demostré en un artículo con mi antiguo compañero postdoctoral, John Forbes, la radiación ultravioleta y de rayos X que emana del agujero negro puede eliminar fácilmente todas las formas de vida y esterilizar las superficies de los planetas en un radio de unos pocos miles de años luz desde un cuásar brillante.

Tenemos la suerte de estar situados en la Tierra en la periferia de nuestra galaxia anfitriona, a veinticuatro mil años luz del agujero negro central, Sagitario A* (Sgr A*). Por ello, el flujo de rayos X de Sgr A* nunca ha superado al del Sol.

Sin embargo, los agujeros negros supermasivos como Sgr A* pasan la mayor parte del tiempo sin alimentarse y en estado latente. Si la vida inteligente surge durante esta fase común de un agujero negro supermasivo, puede beneficiarse de varias ventajas, como:

• Utilizar el agujero negro como fuente de energía limpia arrojando basura a través del disco de acrecimiento de materia que se arremolina a su alrededor. Hasta el 42% de la masa en reposo de esta basura puede convertirse en radiación en la órbita circular más estable de un agujero negro que gira al máximo.
• Acoplar algunos dispositivos de ingeniería para aprovechar la energía asociada al giro del agujero negro, como si fuera un volante gigante.
• Navegar con velas de luz en los chorros del cuásar a velocidades cercanas a la de la luz.
• Prolongar la juventud en los salones de belleza cercanos al horizonte del agujero negro, donde el tiempo transcurre más lentamente como consecuencia del corrimiento gravitatorio hacia el rojo.
• Ver el espectáculo de todo el universo a través de la curvatura gravitacional de los rayos de luz cerca del agujero negro.
• Establecer un parque de atracciones en la llamada 'esfera de fotones', donde se podría disfrutar de los efectos relativistas por diversión, como ver la espalda mirando de frente, ya que la luz da vueltas alrededor del agujero negro.
• Aprovechar las nuevas oportunidades de los viajes espaciales. Por ejemplo, cuando la Vía Láctea y su galaxia hermana, Andrómeda, se fusionen dentro de miles de millones de años, los dos agujeros negros de sus centros se unirán y formarán una binaria estrecha, que debería actuar como una honda gravitatoria y expulsar estrellas o planetas a la velocidad de la luz. Este proceso se describió en dos artículos que escribí con mi antiguo compañero postdoctoral, James Guillochon (enlazados aquí y aquí). Las agencias de viajes pueden ofrecer billetes con viajes excepcionales en planetas que atraviesan todo el universo durante miles de millones de años.
• Enviar a los criminales al agujero negro como la última prisión con una sentencia de muerte en la singularidad. La masa del agujero negro determinará cuánto tiempo de vida les queda a los prisioneros. Cuanto menor sea su delito, más masivo será el agujero negro, lo que ampliará el tiempo de vida que les queda tras cruzar los 'muros de la prisión' asociados al horizonte del agujero negro. La mayor pena estará asociada a un agujero negro de masa estelar.
• Utilizar las ondas gravitacionales de los pequeños objetos que orbitan el agujero negro para comunicarse. Estas señales no pueden ser bloqueadas por ninguna forma de materia conocida.
• Probar aspectos fundamentales de la gravedad cuántica mediante viajes organizados para los investigadores de la física de cuerdas hacia la singularidad.

Dado que los metales son la semilla de la vida, los núcleos galácticos pueden ofrecer estos beneficios si las semillas pueden florecer alguna vez y convertirse en civilizaciones sensibles. En ese caso, los fuegos artificiales de estas civilizaciones podrían explicar por qué algunos núcleos galácticos son tan activos.

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