Durante dieciocho años, los radiotelescopios han estado observando el mismo pequeño trozo de cielo en la constelación de Cygnus, observando cómo un agujero negro hace algo que los agujeros negros hacen bastante bien: devorar a su estrella compañera y arrojar al universo lo que no puede tragar a la mitad de la velocidad de la luz. La observación ha sido paciente, meticulosa y, hasta hace muy poco, frustrante. Los chorros que salían del agujero negro conocido como Cygnus X-1 eran obviamente poderosos. Qué poderoso, exactamente, permaneció obstinadamente fuera de su alcance. Los telescopios pudieron ver la salida. Simplemente no pudieron medirlo.
Ahora pueden. Un equipo internacional basándose en casi dos décadas de datos de radio de archivo ha producido la primera medición directa e instantánea de la potencia de un chorro de agujero negro, confirmando una predicción teórica hecha hace una década por astrónomos de la Universidad de Wisconsin-Madison y estableciendo una cifra que los cosmólogos durante mucho tiempo han tenido que simplemente asumir cuando modelan cómo se forman las galaxias.
Un jet danzante y un útil accidente de geometría
Cygnus X-1 se encuentra a unos 6.000 años luz de distancia y es un laboratorio tan conveniente como lo ofrece la astrofísica. Su agujero negro, que pesa alrededor de 21 veces la masa de nuestro Sol, orbita alrededor de una estrella compañera supergigante cada cinco días y medio. La estrella sangra constantemente, perdiendo masa a través de un denso viento estelar. Parte de ese viento cae sobre el agujero negro; el resto choca contra un par de chorros de partículas que salen disparados perpendicularmente al eje de giro del agujero negro. Los aviones se mueven a unos 150.000 kilómetros por segundo. El viento no lo es. Así, el viento curva los chorros, empujándolos fuera de su eje, como una manguera de jardín atrapada en un vendaval, y el ángulo de curvatura indica algo importante sobre el equilibrio de fuerzas involucrado.
En 2015, Sebastian Heinz, profesor de astronomía en la Universidad de Wisconsin-Madison, y el entonces estudiante de posgrado DooSoo Yoon construyeron simulaciones que predecían precisamente esta dinámica: que los vientos estelares en este tipo de sistemas binarios deberían doblar los chorros de manera que, en principio, permitieran calcular la potencia del chorro a partir de los primeros principios, sin necesidad de suposiciones. “Esto básicamente confirma nuestras predicciones”, afirma ahora Heinz. “No es frecuente que se pueda hacer eso en ciencia, especialmente en astronomía, porque hay que esperar a que el universo se alinee. Eso puede llevar un tiempo”.
Las nuevas mediciones utilizaron dos redes de radiotelescopios del tamaño de un continente, el Very Long Baseline Array en América del Norte y la red europea VLBI, capaces de resolver detalles equivalentes a leer un periódico de todo un continente. El equipo observó a Cygnus X-1 a través de una órbita binaria completa en 2016 y luego revisó dieciocho años de observaciones de archivo para comprobar si la curvatura era consistente. Fue, fase orbital tras fase orbital, año tras año.
La medida que el campo estaba esperando
Steve Prabu, miembro de Breakthrough Listen de la Universidad de Oxford y autor principal del estudio, describe cómo reconstruir el movimiento de los chorros a partir de todas esas observaciones: “Pudimos reconstruir el movimiento ‘danzante’ del chorro y medir sus propiedades de una manera que no había sido posible antes. Al hacerlo, descubrimos que el viento estelar de la estrella compañera es lo suficientemente fuerte como para doblar el chorro, y esto nos dio una forma única de medir directamente la potencia del chorro”.
La cifra a la que llegaron es sorprendente. Los chorros de Cygnus X-1 están emitiendo energía a un ritmo equivalente a unas 10.000 veces la producción total de nuestro Sol. No durante la vida del agujero negro, ni en un promedio de milenios. Ahora mismo, o tan cerca del ahora como puede significar algo a 6.000 años luz de distancia. Las estimaciones anteriores tuvieron que derivarse de las enormes burbujas y cavidades que los chorros tallan en las nubes de gas circundantes a lo largo de miles de años, lo que da algo así como un promedio de vida, pero no puede decir qué están haciendo los chorros en un momento particular. La nueva medición, por el contrario, refleja las condiciones aproximadamente una hora después de que el chorro abandonara el agujero negro. Es gratificante que ambos enfoques concuerden entre sí.
Ese acuerdo es muy importante para la física más allá de este sistema. Las simulaciones de formación de galaxias (las grandes cosmológicas, como IllustrisTNG y SIMBA) necesitan un número de la eficiencia con la que los agujeros negros en acreción convierten la materia que cae en energía en chorro. Sin una medición real, los modeladores han tenido que ajustar este parámetro a mano hasta que el universo simulado se parece vagamente al real. “Éste es un punto de anclaje importante”, afirma Heinz. “Si podemos comprender la relación entre lo que cae en el agujero negro y lo que entra en el chorro, podremos describir el efecto que los agujeros negros pueden tener, a través de sus chorros, sobre lo que sucede incluso lejos del agujero negro”.
Agujeros perforados en el gas y por qué eso es importante
Los chorros de los agujeros negros no son pasivos. Perforan nubes de gas, siembran el medio interestelar con campos magnéticos y partículas de alta energía, generan turbulencias a gran escala y excavan enormes cavidades en cúmulos de galaxias lo suficientemente grandes como para que galaxias enteras puedan caber cómodamente en su interior. Durante millones de años, la energía cinética total arrojada al entorno de una galaxia por su agujero negro central rivaliza, según algunas estimaciones, con la energía liberada por una supernova. Que los cúmulos de galaxias se mantengan calientes o colapsen para formar nuevas estrellas depende fundamentalmente de ese presupuesto de energía. “Sabemos que estos chorros probablemente contengan partículas muy energéticas”, dice Heinz. “Podemos ver dónde han hecho agujeros a través de cosas, como nubes de gas. Pero para entender cómo pueden dar forma al universo que los rodea, necesitamos saber cuán poderosos son”.
El estudio también intervino, de manera algo incidental, en un debate separado sobre si el chorro de Cygnus X-1 está desalineado con el plano orbital del agujero negro. Recientes mediciones de polarización de rayos X habían sugerido una inclinación sustancial de 20 grados o más, lo que habría implicado un importante impulso en el momento en que se formó el agujero negro. Los datos de flexión apuntan en otra dirección: los chorros parecen estar bien alineados con la órbita binaria, dentro de unos ocho grados, lo que es consistente con un agujero negro que se formó silenciosamente, por colapso directo, sin mucho empujón natal.
La advertencia es real y digna de mención. Cygnus X-1 es un tipo particular de sistema, uno con una estrella cercana conveniente para realizar la curvatura. No todos los binarios de agujeros negros tienen esa geometría. Extender esta técnica a sistemas más silenciosos y aislados, y mucho menos a los agujeros negros supermasivos ubicados en el corazón de galaxias distantes, sigue siendo un desafío que la medición actual no resuelve. Lo que sí hace es validar, por primera vez, la eficiencia de conversión que las simulaciones cosmológicas llevan años utilizando. El número supuesto resulta ser más o menos correcto.
Lo que significa que todas esas galaxias virtuales, formadas lentamente a lo largo de miles de millones de años por chorros de agujeros negros simulados, han estado creciendo en condiciones más cercanas a las adecuadas de lo que teníamos derecho a suponer. Resulta que el universo es al menos un poco complaciente a la hora de confirmar nuestras conjeturas, siempre que estés dispuesto a mirarlo el tiempo suficiente.
La investigación fue publicada en Nature Astronomy: https://doi.org/10.1038/s41550-026-02828-3
Preguntas frecuentes
¿Por qué es tan difícil medir el poder de los chorros de un agujero negro?
Los jets producen radiación sincrotrón sin rasgos característicos que no revela directamente cuánta energía transportan. Las estimaciones anteriores se basaban en el tamaño de las cavidades que los chorros habían tallado en el gas circundante durante miles de años, lo que da una especie de promedio de vida, pero no puede capturar lo que los chorros están haciendo en un momento dado. El nuevo enfoque utiliza la curvatura física del chorro por el viento de una estrella compañera, que se rige por un equilibrio de fuerzas directo y refleja las condiciones actuales en lugar de un registro geológico de actividad pasada.
¿Podría esta técnica funcionar para otros agujeros negros, incluidos los supermasivos?
Por ahora, requiere una configuración específica: un agujero negro en una órbita binaria cercana con una estrella compañera masiva cuyo viento sea lo suficientemente fuerte como para desviar visiblemente el chorro. Cygnus X-1 es particularmente adecuado. Ampliar el método a los agujeros negros supermasivos en los centros galácticos, que carecen de dicho compañero, requeriría encontrar estructuras análogas que pudieran actuar como una fuerza conocida contra el chorro, lo que sigue siendo un problema abierto. Pero la medición de Cygnus X-1 al menos valida las fracciones de conversión de energía asumidas en simulaciones a escala de galaxias.
¿Qué tiene que ver la potencia de los aviones con la forma en que se forman las galaxias?
Los chorros de los agujeros negros en acreción son una de las principales formas en que se bombea energía de regreso al gas que de otro modo se enfriaría y colapsaría en nuevas estrellas. Si los chorros son demasiado débiles, los cúmulos de galaxias colapsan y forman estrellas demasiado rápido; si son demasiado fuertes, sobrecalientan su entorno. Las simulaciones cosmológicas tienen que ajustar la eficiencia de esta inyección de energía para reproducir el universo que vemos, y lo han estado haciendo con un número supuesto. La medición de Cygnus X-1 muestra que el número supuesto está en el territorio correcto, basando décadas de trabajo de simulación en una observación real.
¿Es Cygnus X-1 típico de los agujeros negros en general?
Es un sistema bien estudiado, pero no del todo típico. Con aproximadamente 21 masas solares, el agujero negro es relativamente masivo para ser un remanente estelar, y su compañero es una supergigante inusualmente luminosa. El par que orbita estrechamente hace que sea más fácil detectar efectos como la curvatura del chorro que serían invisibles en sistemas más aislados. Dicho esto, se cree que la física de la formación de chorros es invariante en escala en muchos órdenes de magnitud en la masa de un agujero negro, razón por la cual una medición aquí tiene implicaciones para todo, desde binarios de masa estelar hasta quásares.
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