El gas alrededor de Sgr A* contiene restos de supernovas

Un agujero negro que come a cuentagotas

Sgr A* es el agujero negro supermasivo más cercano a nosotros. Esa proximidad lo convierte en un laboratorio único: ningún otro agujero negro de este tamaño puede observarse con tanto detalle. Y sin embargo brilla muy poco. Los agujeros negros supermasivos activos, los que devoran la materia de su galaxia, hacen brillar discos de gas entre los objetos más luminosos del universo. Sgr A* permanece discreto.

La imagen popular del agujero negro engaña. No es una aspiradora que se traga todo lo que pasa. Para caer hacia él, el gas debe primero enfriarse, comprimirse y deshacerse de su rotación. Un gas caliente y arremolinado puede permanecer en órbita millones de años. El ritmo de alimentación depende, por tanto, del combustible disponible: su temperatura, su densidad y su composición química.

Aquí entra en juego el nuevo estudio. Los investigadores apuntaron el espectrógrafo MIRI del James Webb hacia el pársec central de la Galaxia, la zona donde el gas está más cerca del agujero negro. Allí diseccionaron la luz de la Miniespiral, un conjunto de gas caliente en órbita alrededor de Sgr A*.

La Miniespiral, un triskelion de gas alrededor del monstruo

La Miniespiral debe su nombre a su forma. Vista desde la Tierra, dibuja tres brazos que parecen brotar de un mismo centro: el Brazo Norte, el Brazo Este y el Arco Oeste. Los astrónomos hablan de un triskelion, el motivo de tres ramas que ya decoraba las monedas griegas. A su alrededor se enrolla el disco circumnuclear, un anillo de gas frío que guarda la materia prima de la región.

Los tres brazos funcionan como puentes. Conectan el gas molecular frío del disco con el plasma ardiente que rodea a las estrellas del centro. Trabajos que se remontan a los años ochenta muestran que ese gas fluye entre 100 y 400 kilómetros por segundo a lo largo de nuestra línea de visión. Los brazos se encuentran en una zona llamada la Barra, casi inmóvil en nuestra dirección. Más cerca aún del agujero negro se esconden pequeñas estructuras compactas, entre ellas un objeto llamado X7.

MIRI permitió ver esta arquitectura con una finura inédita. El espectrógrafo trabaja en el infrarrojo medio, entre 4,9 y 27,9 micrómetros, y descompone la luz en miles de longitudes de onda. A la distancia de Sgr A*, un pársec cubre unos 25 segundos de arco en el cielo. MIRI baja por debajo de la décima parte de un pársec, un tercio de año luz, y distingue cada brazo por su velocidad y su morfología. En noviembre de 2023, la cámara NIRCam del James Webb ya había ofrecido un retrato espectacular del centro galáctico, en la región de Sagittarius C, a unos 300 años luz de Sgr A*. MIRI, en cambio, apunta al corazón.

Un detalle intriga a los investigadores. Varias nubes compactas corren a más de 600 kilómetros por segundo, unos 2 millones de kilómetros por hora. A esa velocidad se cruza Francia en menos de dos segundos. Estos objetos se encuentran a menos de 0,05 pársec de Sgr A* en proyección sobre el cielo. X7 es uno de ellos, y los nuevos datos confirman el modelo de órbita propuesto para él en 2023.

Leer la composición de un gas en su luz

¿Cómo se mide la receta de un gas situado a 26 000 años luz? No se puede tomar una muestra. Se lee su luz. Un gas caliente e ionizado emite rayas en longitudes de onda muy precisas, propias de cada átomo y de cada estado de ionización. Es el principio de la espectroscopia, la descomposición de la luz en sus colores, como un prisma separa un arcoíris.

El equipo identificó trece rayas finas en el infrarrojo medio. Proceden del neón, el argón, el azufre, el níquel, el hierro y el oxígeno. Cuatro rayas de recombinación del hidrógeno completan el espectro. Estos átomos han perdido uno o varios electrones, lo que exige energías de entre 8 y 55 electronvoltios. Un electronvoltio es una unidad de energía adaptada a los fotones: es la energía que gana un electrón al atravesar una pila de un voltio. Esos valores sitúan la radiación en el ultravioleta, mucho más allá de la luz visible.

Cada raya cuenta dos cosas a la vez. La relación entre las rayas de un mismo átomo, por ejemplo el neón ionizado una y dos veces, indica la dureza de la radiación recibida. La relación entre una raya y el hidrógeno indica la cantidad de átomos presentes. Combinando esas medidas en cada estructura, los investigadores obtuvieron un mapa químico de la Miniespiral.

El resultado cabe en una cifra. El gas contiene de media 1,8 veces más elementos pesados que el Sol, con un rango de 1,4 a 2,2 veces según el elemento y la zona. El neón y el argón, fáciles de medir, sostienen esa media. El azufre y el níquel varían más, y el hierro gaseoso muestra un exceso comparable.

Detrás de esas cifras se esconde un segundo resultado, más sutil. En el medio interestelar corriente, la mayoría de los átomos de hierro y níquel están encerrados en granos de polvo y escapan a la medida. En la Miniespiral, los investigadores encuentran entre el 58 y el 87 % del hierro en forma gaseosa, frente a solo el 5 o el 10 % en el resto del centro galáctico. El polvo ha sido destruido y sus átomos liberados al gas.

¿De dónde vienen esos metales? La pista de las supernovas

Los elementos medidos cuentan su propio origen. El neón, el argón, el azufre y el oxígeno pertenecen a la familia de los elementos alfa. Se forman en estrellas masivas y se liberan cuando su núcleo colapsa al final de su vida. El níquel y el hierro, más pesados, vienen sobre todo de supernovas de tipo Ia, las explosiones de enanas blancas que han acumulado demasiada materia.

La mezcla observada encaja con ese escenario. El mismo equipo comparó además el gas con las estrellas que orbitan alrededor de Sgr A*. Las estrellas del centro galáctico tienen una composición de 1 a 2 veces la solar, y los vientos de las estrellas Wolf-Rayet, estrellas muy masivas que han agotado su hidrógeno, muestran valores parecidos. El gas de la Miniespiral se parece a esas estrellas. Puede proceder del mismo material o haber sido enriquecido por las mismas generaciones estelares.

Queda el sospechoso más evidente. Sgr A East es el resto de supernova más cercano conocido a Sgr A*. Ocupa una parte del cielo que se superpone al agujero negro, y su edad se estima en unos 10 000 años. Un estudio complementario dirigido por Mayura Balakrishnan, de McGill, produjo los mapas de rayos X más nítidos de este objeto. Muestra que Sgr A East se expandió en el gas circundante, lo comprimió y lo calentó, y que inyecta energía en toda la región.

Los metales podrían venir de ahí. Las supernovas enriquecen el gas con elementos pesados, y los choques que producen liberan los átomos atrapados en el polvo. Es exactamente lo que sugieren las nubes compactas: su ionización más fuerte y su polvo destruido indican choques rápidos. Los investigadores se mantienen prudentes. La medida no señala una explosión concreta, y el enriquecimiento puede ser acumulativo, heredado de millones de años de formación estelar en el núcleo galáctico.

Por qué Sgr A* come tan poco

Aquí está el fondo del asunto. Un gas más rico en metales irradia mejor y, por tanto, se enfría más rápido. Un gas que se enfría se vuelve más denso y cae con más facilidad hacia el agujero negro. Cabría esperar que ese enriquecimiento de 1,8 veces el Sol acelerara seriamente la comida. No ocurre así. El enriquecimiento sigue siendo moderado y no basta para desencadenar un enfriamiento rápido.

Otros efectos empujan en la misma dirección. La radiación de las estrellas Wolf-Rayet ioniza el gas y lo mantiene caliente. Sgr A East, por su parte, mantiene la turbulencia y el calor en su estela desde hace unos 10 000 años. El resultado es que buena parte del gas sigue demasiado caliente y agitada para colapsar hacia el agujero negro. Solo una pequeña fracción, enfriada y comprimida, alcanza la región donde la gravedad se impone.

Nicole Ford, primera autora del estudio y doctoranda en el grupo de Daryl Haggard, resume la paradoja: «Sabemos que hay un agujero negro en el centro de nuestra galaxia que atrae materia, pero vemos que absorbe mucha menos que otros agujeros negros supermasivos, y que el proceso es más lento. Para entender este fenómeno debemos examinar las propiedades de la materia a su alcance, el gas, el polvo y las estrellas en su órbita». Declaraciones traducidas del inglés.

Lo que esto cambia para nosotros

El alcance del estudio va más allá del centro de la Vía Láctea. La composición del gas que alimenta a un agujero negro supermasivo condiciona los modelos que describen su crecimiento. Las simulaciones que hacen caer gas hacia Sgr A* usan hipótesis sobre los metales, y esas hipótesis acaban de ajustarse. La composición química del combustible ya está medida en la zona donde el gas se inclina hacia el agujero negro.

También conecta dos escalas. Los agujeros negros supermasivos de galaxias lejanas no pueden observarse tan de cerca. Sgr A* sirve de referencia, y la forma en que los metales se reparten a su alrededor ilumina los modelos de enriquecimiento de galaxias enteras. Los autores lo esperan: su trabajo podría ayudar a entender la distribución de metales alrededor de agujeros negros más lejanos.

Hay además un eco más íntimo. El hierro de nuestra sangre, el calcio de nuestros huesos y el carbono de nuestras células se forjaron en estrellas y se dispersaron con sus explosiones. Las supernovas que enriquecieron la Miniespiral pertenecen a la misma máquina química. Al estudiar el gas alrededor de Sgr A*, observamos un taller donde se prepara la materia de futuros planetas, a escala de una galaxia.

Vienen dos pasos. Simulaciones que sigan el gas durante millones de años, para ver cómo se enfría y cae. Y medidas más sensibles de las rayas muy ionizadas, como las del oxígeno y el neón, para separar la parte del resplandor estelar y la de los choques. Ambas vías están ya identificadas.

Para saber más

• La ficha de la misión James Webb (JWST), cuyo espectrógrafo MIRI produjo estas medidas.
• Las nociones clave para seguir el tema: el agujero negro supermasivo, la Vía Láctea, el infrarrojo y la espectroscopia.
• Para observar el centro galáctico: el mapa del cielo interactivo y la guía de observación indican dónde apuntar, y la galería de astrofotografías muestra lo que consigue un aficionado equipado.
• Las fuentes oficiales: el estudio en The Astronomical Journal (acceso libre), el manuscrito de arXiv, la nota de prensa de la Universidad McGill y los mapas de rayos X de Sgr A East de Chandra.