Resumen:
Oculto en el centro de la Vía Láctea hay un agujero negro supermasivo con una masa de aproximadamente 4 millones de veces la del Sol: Sagitario A*. Aunque está a unos 26.000 años luz de la Tierra y su actividad general actual es relativamente tranquila, puede tener una forma sorprendente de liberar energía: al sacrificar su propia energía de rotación, acelera las partículas circundantes a energías extremadamente altas y proporciona energía para algunos rayos cósmicos en la Vía Láctea.
El 17 de octubre de 2026, SciTechDaily informó sobre un último estudio teórico sobre este mecanismo. Los investigadores proponen que Sagitario A* puede transferir la energía rotacional del agujero negro a protones a través de un mecanismo llamado "Proceso Magnético de Penrose", permitiendo que estas partículas alcancen niveles de energía de varios petaelectronvoltios (PeV). Los resultados de la investigación respaldan aún más la hipótesis de que Sagitario A* puede ser un acelerador natural de partículas de energía ultraalta en la Vía Láctea.
El estudio se publicó como preimpresión el 2 de septiembre de 2026 y se titula "Sagitario A* como acelerador de partículas voltaicas de electrones galácticos: características de múltiples mensajeros del proceso magnético de Penrose". Mediante modelos teóricos, el equipo de investigación analizó cómo las partículas cercanas al agujero negro adquieren una energía extremadamente alta y qué señales puede dejar este proceso que pueden identificarse mediante observaciones astronómicas. Por el momento, esta es todavía una explicación teórica que debe ser comprobada mediante la observación, y no significa que los científicos hayan confirmado que el agujero negro en el centro de la Vía Láctea esté acelerando los rayos cósmicos de esta manera.
Los rayos cósmicos son partículas de alta energía que viajan a través del espacio a velocidades extremadamente altas, incluidos protones, núcleos atómicos y una pequeña cantidad de electrones. Su rango de energía es extremadamente amplio y algunos rayos cósmicos transportan energías mucho más allá de lo que los humanos pueden lograr con los aceleradores de partículas existentes. Los científicos llevan mucho tiempo intentando descubrir de dónde proceden estas partículas y qué mecanismo utiliza la naturaleza para acelerarlas hasta alcanzar energías tan asombrosas.
En la Tierra, los humanos utilizan grandes aceleradores de partículas para aumentar gradualmente la energía de las partículas cargadas a través de campos eléctricos. Pero en el universo, los restos de supernovas, los vientos de púlsar y los entornos extremos alrededor de los agujeros negros pueden convertirse en aceleradores naturales de partículas. El centro de la Vía Láctea es motivo de especial preocupación porque contiene agujeros negros supermasivos, grandes cantidades de gas, fuertes campos magnéticos y un complejo entorno de radiación de alta energía.
Los investigadores estiman que los protones cerca de Sagitario A* pueden acelerarse a energías de varios petaelectrones voltios. Un peta electrón voltio equivale a 1.000 billones de electronvoltios, o 10¹⁵ electronvoltios. Este nivel de energía excede con creces la energía de un solo protón alcanzada por las colisiones de protones en el Gran Colisionador de Hadrones. Por lo tanto, si el mecanismo relevante realmente existe, Sagitario A* puede convertirse en una de las fuentes importantes de partículas de alta energía en la Vía Láctea.
Este tipo de cuerpo celeste que puede acelerar protones al nivel de energía de electronvoltios se llama "PeVatron", que es un acelerador de partículas de nivel de electronvoltios. Los astrónomos han observado rayos gamma de alta energía en el centro de la Vía Láctea, pero aún es controvertido si estas radiaciones provienen de la aceleración de partículas cerca del agujero negro o de la interacción de otros cuerpos celestes con rayos cósmicos de mayor escala.
Normalmente, la radiación brillante alrededor de un agujero negro proviene principalmente del material que cayó en el agujero negro antes de que cayera. El gas se acumula, se comprime y se calienta bajo la atracción gravitacional del agujero negro, formando un flujo de acreción de alta temperatura o disco de acreción, y el material libera una gran cantidad de energía antes de cruzar finalmente el horizonte de sucesos.
Pero los agujeros negros no se limitan a tragar energía. En el caso de los agujeros negros en rotación, la energía transportada por su rotación también se puede extraer bajo determinadas condiciones. Es este mecanismo que utiliza directamente la energía rotacional de los agujeros negros en el que los investigadores se están centrando esta vez.
Esta teoría se remonta al proceso de Penrose propuesto por el físico Roger Penrose en 1969. Según la relatividad general, hay una región llamada "ergosfera" alrededor de un agujero negro en rotación. En este caso, la rotación del agujero negro arrastra el espacio-tiempo circundante con tanta fuerza que los objetos no pueden permanecer estacionarios en relación con un observador distante, sino que deben moverse en la dirección de la rotación del agujero negro.
Bajo determinadas condiciones, si las partículas entran en la capa de energía y se someten a los procesos de división adecuados, algunas de ellas pueden caer en el agujero negro llevando energía negativa definida con relación al infinito, mientras que la otra parte puede escapar con más energía que las partículas originales. La energía adicional obtenida por las partículas que escapan proviene de la energía de rotación del propio agujero negro.
Piense en ello como si se extrajera energía mecánica de una máquina que gira rápidamente: las partículas que escapan obtienen energía adicional, mientras que la energía rotacional del agujero negro se reduce en consecuencia. El "consumir su propia energía" mencionado aquí no significa que el agujero negro arda como combustible, sino que su energía de rotación se transfiere a partículas externas.
Los investigadores consideraron además el papel de los campos magnéticos en este proceso. El proceso magnético de Penrose utiliza el campo magnético alrededor del agujero negro para cambiar el movimiento y la distribución de energía de las partículas cargadas, de modo que la energía rotacional del agujero negro pueda transferirse de manera más efectiva a partículas cargadas como los protones.
En el modelo propuesto en este estudio, el vínculo clave comienza con reacciones nucleares en el gas caliente que rodea el agujero negro. Algunas reacciones nucleares pueden producir neutrones. Después de que estos neutrones ingresan a la capa de energía de un agujero negro, pueden sufrir una desintegración radiactiva, produciendo protones, electrones y antineutrinos.
Los neutrones en sí no están cargados y, por lo tanto, no se ven afectados directamente por la fuerza de Lorentz de un campo magnético como los protones. Pero los protones producidos después de la desintegración del neutrón tienen carga eléctrica y pueden interactuar con el campo magnético circundante. Los investigadores creen que, en las condiciones adecuadas, estos protones podrían obtener energía de la rotación del agujero negro y posteriormente escapar al espacio interestelar más amplio.
Este mecanismo no requiere que el agujero negro sea extremadamente activo. La actividad de acreción actual de Sagitario A* es relativamente débil, pero todavía tiene una masa enorme y una energía de rotación potencialmente considerable. Siempre que el entorno circundante tenga el campo magnético, las condiciones de generación de partículas y la geometría adecuadas, el proceso de extracción de energía es posible.
Sin embargo, si el modelo se puede aplicar al centro real de la Vía Láctea todavía depende de una serie de parámetros que aún no se han determinado completamente, incluida la fuerza del campo magnético alrededor del agujero negro, la tasa de producción de partículas, el estado de rotación del agujero negro y las diversas pérdidas sufridas por las partículas de alta energía durante su escape.
Si los protones de alta energía escapan de las proximidades de un agujero negro, pueden chocar con el gas denso en el centro de la Vía Láctea a medida que se propagan hacia afuera, produciendo rayos gamma y neutrinos de alta energía. Estas partículas secundarias proporcionan a los científicos una forma importante de probar teorías.
Los rayos gamma son radiación electromagnética de energía extremadamente alta que no está cargada, por lo que cuando pasan a través del espacio interestelar, no son redirigidos drásticamente por campos magnéticos como las partículas cargadas en los rayos cósmicos. Su dirección de propagación a menudo ayuda a los astrónomos a rastrear la radiación hasta su fuente. Por el contrario, los protones de los rayos cósmicos se ven afectados por los campos magnéticos interestelares y sus trayectorias pueden curvarse significativamente, lo que dificulta determinar dónde aceleraron inicialmente directamente desde la dirección en la que llegaron a la Tierra.
El equipo de investigación calculó el espectro de energía de rayos gamma que podría producirse mediante el proceso magnético de Penrose y comparó los resultados del modelo con las observaciones existentes. Los investigadores creen que la radiación producida por este mecanismo puede contribuir a algunas de las señales en las observaciones de rayos gamma de alta energía, incluidas las detectadas por el Sistema de Telescopio Estereoscópico de Alta Energía H.E.S.S. y el Observatorio de rayos gamma Cherenkov de agua a gran altitud HAWC.
Si las características del espectro de energía predichas por diferentes modelos teóricos se pueden medir con mayor precisión, los investigadores tendrán la oportunidad de determinar si el mecanismo de extracción de energía de rotación del agujero negro está realmente funcionando en el centro de la Vía Láctea.
Los equipos de observación futuros pueden ser clave para probar esta teoría. El equipo de investigación señaló que se espera que el planeado Observatorio de Rayos Gamma de Campo Amplio del Hemisferio Sur (SWGO) detecte las señales relevantes predichas por su modelo, y que el Observatorio Cherenkov Telescope Array (CTAO) también pueda probar algunos escenarios teóricos.
SWGO planea utilizar una matriz de detección de área grande para monitorear continuamente los rayos gamma de alta energía, que es especialmente adecuada para observar áreas importantes del cielo como el centro de la Vía Láctea. Los instrumentos de campo amplio pueden monitorear los cambios en la radiación de alta energía en el cielo durante períodos de tiempo más largos que los telescopios que sólo pueden apuntar a un objetivo específico durante un tiempo limitado, lo que ayuda a los investigadores a estudiar los procesos de aceleración de partículas en curso.
Sin embargo, el descubrimiento de los rayos gamma de alta energía por sí solo no es suficiente para probar la existencia del proceso magnético de Penrose. El entorno en el centro de la Vía Láctea es extremadamente complejo, con no sólo agujeros negros supermasivos, sino también una gran cantidad de estrellas, densas nubes de gas, otras fuentes potenciales de aceleración de partículas de alta energía y una amplia gama de radiación difusa. Diferentes mecanismos pueden producir señales observadas similares.
Por lo tanto, los científicos necesitan combinar los rayos gamma con otros tipos de observaciones, especialmente señales de neutrinos. Cuando los protones de alta energía chocan con el gas, además de producir rayos gamma, también pueden producir neutrinos. Los neutrinos interactúan extremadamente débilmente con la materia y pueden escapar de entornos celestes densos, lo que proporciona a los investigadores otra pista sobre los procesos de aceleración de partículas.
Pero actualmente, las observaciones de neutrinos en el centro de la Vía Láctea no han dado resultados suficientes para determinar el mecanismo relevante. En septiembre de 2026, un análisis publicado por el Observatorio de Neutrinos IceCube en colaboración con HAWC no encontró ninguna señal significativa de neutrinos en el centro de la Vía Láctea y estableció nuevos límites a la intensidad de la radiación asociada. Los investigadores señalaron que en el futuro, instalaciones de observación de neutrinos más sensibles, como IceCube-Gen2, KM3NeT y P-ONE, podrían ayudar a los científicos a determinar mejor si los rayos gamma de alta energía en el centro de la Vía Láctea provienen principalmente de la interacción entre protones y gas.
Estos antecedentes también muestran que, aunque el mecanismo de extracción de energía del agujero negro tiene una base teórica clara, todavía se necesitan datos más ricos y precisos para conectarlo con las observaciones reales. Los investigadores deben descartar otras posibles fuentes de radiación de alta energía y verificar si las características espectrales predichas por la teoría realmente existen.
La importancia de este estudio es que proporciona una explicación de la fuente de rayos cósmicos de alta energía en el centro de la Vía Láctea que puede probarse más a fondo. Tradicionalmente, los científicos suelen centrarse en cómo las explosiones de supernovas, las ondas de choque y los campos magnéticos aceleran los rayos cósmicos; mientras que el proceso magnético de Penrose dirige su atención a la energía rotacional del propio agujero negro, lo que indica que incluso si el agujero negro se encuentra en un estado relativamente tranquilo, puede transmitir energía a partículas externas a través de mecanismos físicos especiales.
Si futuras observaciones confirman que este proceso realmente ocurre, Sagitario A* no solo será una fuente gravitacional masiva en el centro de la Vía Láctea, sino que también puede ser una importante fuente de energía que afecte el entorno de partículas de alta energía de la Vía Láctea. Esto también ayudará a los científicos a comprender mejor cómo los agujeros negros supermasivos afectan el gas circundante, el entorno de radiación y la evolución de toda la región central de la galaxia a través de la liberación de energía.
En la actualidad, lo que los investigadores han propuesto sigue siendo un modelo teórico, no un proceso de extracción de energía de un agujero negro que haya sido confirmado directamente. Los resultados de observaciones futuras de SWGO, CTAO y equipos de observación de neutrinos de nueva generación ayudarán a determinar si estas predicciones son consistentes con el desempeño del universo real. Para los humanos, el agujero negro en el centro de la Vía Láctea aún esconde muchos misterios, y los rayos cósmicos pueden contener pistas importantes sobre cómo funciona su energía.
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