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Carlos del Porto Blanco

Einstein se equivocaba cuando decía que “Dios no juega a los dados con el universo”. Considerando las hipótesis de los agujeros negros, “Dios no solo juega a los dados con el universo: a veces los arroja donde no podemos verlos”. Stephen Hawking

Los agujeros negros son uno de los fenómenos más fascinantes y enigmáticos del universo. A menudo retratados en la ciencia ficción, esos objetos celestes son mucho más que simples conceptos teóricos; son realidades físicas que desafían nuestra comprensión del espacio y el tiempo. En esta columna abordaré qué son los agujeros negros y sus características.

¿Qué son los agujeros negros?

Un agujero negro es una región del espacio donde la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción. Esa característica se debe a que la velocidad de escape en esa zona supera la velocidad de la luz, que es el límite de velocidad en el cosmos. Se forman cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear interno y colapsa bajo su propia gravedad, y las capas externas de la estrella desaparecen. En estrellas jóvenes, la fusión nuclear crea energía y una presión exterior constante que se encuentra en equilibrio con la fuerza de gravedad interior que produce la propia masa de la estrella. Sin embargo, en los restos inertes de una supernova no hay una fuerza que se resista a la gravedad, por lo que la estrella empieza a replegarse sobre sí misma.

El peso aplastante de la materia constituyente que cae desde todos lados comprime la estrella moribunda hasta un punto de volumen cero y densidad infinita llamado singularidad. Ese colapso puede dar lugar a un agujero negro, que se define por su «horizonte de eventos», el límite más allá del cual nada puede escapar. La gravedad de un agujero negro puede atraer el gas a su alrededor, que se arremolina y calienta a temperaturas de hasta 12 millones de grados Celsius, unas 2000 veces más caliente que la superficie del Sol.

Los agujeros negros se forman en un proceso de colapso gravitatorio que fue ampliamente estudiado a mediados de siglo XX por diversos científicos, particularmente Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking, entre otros. Hawking, en su libro divulgativo “Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros” (1988), repasa algunos de los hechos bien establecidos sobre la formación de agujeros negros. Este es un libro que recomiendo.

En palabras más simples, un agujero negro es el resultado final de la acción de la gravedad extrema llevada hasta el límite posible. La misma gravedad que mantiene a la estrella estable, la empieza a comprimir hasta el punto que los átomos comienzan a aplastarse. Los electrones en órbita se acercan cada vez más al núcleo atómico y acaban fusionándose con los protones, formando neutrones.

Un protón y un electrón se aniquilan emitiendo un neutrón y un neutrino-electrón

Ese proceso provoca la emisión de un número elevado de neutrinos. El resultado final es una estrella de neutrones. En ese punto, dependiendo de la masa de la estrella, el plasma de neutrones dispara una reacción en cadena irreversible, la gravedad aumenta enormemente al disminuirse la distancia que había originalmente entre los átomos. Los neutrones implosionan, aplastándose más, logrando como resultado un agujero negro. En la actualidad todavía se desconoce lo que sucede con la materia que cae en el agujero negro atravesando ese límite, porque para escalas pequeñas solo una teoría cuántica de la gravedad podría explicarlos adecuadamente, pero no existe una formulación completamente consistente con dicha teoría.

Los detalles de la estructura de un agujero negro se calculan a partir de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. La singularidad constituye el centro de un agujero negro y está oculta por la «superficie» del objeto, el horizonte de sucesos. Dentro del horizonte de sucesos, la velocidad de escape (es decir, la velocidad necesaria para que la materia escape del campo gravitacional de un objeto cósmico) excede la velocidad de la luz, de modo que ni siquiera los rayos de luz pueden escapar al espacio. El radio del horizonte de sucesos se llama radio de Schwarzschild, en honor al astrónomo alemán Karl Schwarzschild, quien en 1916 predijo la existencia de cuerpos estelares colapsados que no emiten radiación. El tamaño del radio de Schwarzschild es proporcional a la masa de la estrella en colapso. Para un agujero negro con una masa diez veces mayor que la del Sol, el radio sería de 30 kilómetros.

Sólo las estrellas más masivas (las de más de tres masas solares) se convierten en agujeros negros al final de sus vidas. Las estrellas con menor cantidad de masa evolucionan hacia cuerpos menos comprimidos, ya sean enanas blancas o estrellas de neutrones.

La gravedad de un agujero negro, o “curvatura del espacio-tiempo”, crea una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Eso es previsto por las ecuaciones del campo de Einstein. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del universo, y una vez dentro de él, ningún tipo de partícula, sea material o electromagnética, puede salir, ni siquiera los fotones. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros, y fue su primer indicio.

Los agujeros negros normalmente no se pueden observar directamente debido a su pequeño tamaño y porque no emiten luz. Sin embargo, pueden ser “observados” por los efectos de sus enormes campos gravitacionales sobre la materia cercana. Por ejemplo, si un agujero negro es miembro de un sistema estelar binario, la materia que fluye hacia él desde su compañero se calienta intensamente y luego irradia rayos X copiosamente antes de entrar en el horizonte de sucesos del agujero negro y desaparecer para siempre. Una de las estrellas que componen el sistema binario de rayos X Cygnus X-1 es un agujero negro. Descubierto en 1971 en la constelación de Cygnus, ese binario está formado por una supergigante azul y una compañera invisible de 14.8 veces la masa del Sol, que giran entre sí en un período de 5.6 días.

Algunos agujeros negros aparentemente tienen orígenes no estelares. Varios astrónomos han especulado que grandes volúmenes de gas interestelar se acumulan y colapsan en agujeros negros supermasivos en los centros de cuásares y galaxias. Se estima que una masa de gas que cae rápidamente en un agujero negro emite más de 100 veces más energía que la que libera una cantidad idéntica de masa mediante la fusión nuclear. En consecuencia, el colapso de millones o miles de millones de masas solares de gas interestelar bajo la fuerza gravitacional en un gran agujero negro explicaría la enorme producción de energía de los quásares y ciertos sistemas galácticos.

Uno de esos agujeros negros supermasivos, Sagitario A*, existe en el centro de la Vía Láctea. Las observaciones de estrellas que orbitan alrededor de la posición de Sagitario A* demuestran la presencia de un agujero negro con una masa equivalente a más de 4 millones de soles. (Por esas observaciones, el astrónomo estadounidense Andrea Ghez y el astrónomo alemán Reinhard Genzel recibieron el Premio Nobel de Física 2020).

También se han detectado agujeros negros supermasivos en otras galaxias. En 2017, el Telescopio del Horizonte de Sucesos obtuvo una imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87. Ese tiene una masa equivalente a seis mil quinientos millones de soles, pero sólo tiene 38 mil millones de kilómetros de diámetro. Fue el primer agujero negro del que se obtuvo una imagen directa. La existencia de agujeros negros aún más grandes, cada uno con una masa equivalente a 10 mil millones de soles, puede inferirse de los efectos energéticos sobre el gas que gira a velocidades extremadamente altas alrededor del centro de NGC 3842 y NGC 4889, galaxias cercanas a la Vía Láctea.

La existencia de otro tipo de agujero negro no estelar fue propuesta por el astrofísico británico Stephen Hawking. Según su teoría, numerosos diminutos agujeros negros primordiales, posiblemente con una masa igual o inferior a la de un asteroide, podrían haber sido creados durante el Big Bang, un estado de temperaturas y densidad extremadamente altas en el que se originó el universo hace 13 800 millones de años. atrás. Esos llamados mini agujeros negros, al igual que la variedad más masiva, pierden masa con el tiempo debido a la radiación de Hawking y desaparecen. Si ciertas teorías del universo que requieren dimensiones adicionales son correctas, el Gran Colisionador de Hadrones podría producir un número significativo de mini agujeros negros.

Se tiene poco conocimiento sobre el origen de los agujeros negros supermasivos, pero se sabe que existen desde los primeros días de vida de una galaxia. Una vez formados, los agujeros negros crecen por la acumulación de la materia que atrapan, incluyendo el gas desprendido de estrellas vecinas e incluso otros agujeros negros.

En 2019, astrónomos captaron la primera imagen de un agujero negro utilizando el Telescopio de Horizonte de Sucesos (EHT, por sus siglas en inglés), en una colaboración internacional que conectó a ocho radiotelescopios terrestres bajo una sola antena del tamaño de la Tierra. En la imagen aparece como un círculo oscuro delimitado por un disco en órbita de materia caliente y brillante. El agujero negro supermasivo se encuentra en el corazón de una galaxia llamada M87, ubicada a unos 55 millones de años luz de distancia, y pesa más de 6 mil millones de masas solares. Su horizonte de sucesos se extiende tanto que podría abarcar buena parte de nuestro sistema solar más allá de los planetas.

Los agujeros negros juegan un papel crucial en la evolución de las galaxias y en la dinámica del universo. Estudiarlos ayuda a entender mejor la gravedad, la relatividad general y los límites del conocimiento humano sobre el cosmos.

Existen diferentes tipos de agujeros negros:

  • Agujeros negros estelares: Se forman cuando una estrella de más de 30-70 masas solares se convierte en supernova e implosiona. Tienen más de tres masas solares. Su núcleo se concentra en un volumen muy pequeño que cada vez se va reduciendo más. Ese es el tipo de agujeros negros postulados por primera vez dentro de la teoría de la relatividad general.
  • Agujeros negros supermasivos: Se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias, incluida la Vía Láctea, donde se encuentra Sagitario A*. Su masa puede ser millones o incluso miles de millones de veces mayor que la del Sol. Se forman en el mismo proceso que da origen a los componentes esféricos de las galaxias.
  • Agujeros negros intermedios (IMBH): es una clase de agujero negro con una masa en el rango de 100 a un millón de masas solares, significativamente más grande que los agujeros negros estelares, pero menor que los agujeros negros supermasivos.
  • Agujeros negros primordiales: Son objetos hipotéticos, algo más pequeños que los estelares. Si son suficientemente pequeños, pueden llegar a evaporarse en un período relativamente corto mediante emisión de radiación de Hawking. Ese tipo de entidades físicas es postulado en algunos enfoques de la gravedad cuántica, pero no pueden ser generados por un proceso convencional de colapso gravitatorio, el cual requiere masas superiores a la del Sol.

Durante mucho tiempo los astrónomos han teorizado sobre la existencia de los agujeros negros de masa intermedia, con un peso de entre 100 a más de 10 000 masas solares. Mientras varios candidatos se han identificado por evidencia indirecta, el ejemplo más concreto hasta la fecha se observó el 21 de mayo de 2019, cuando el Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO, por sus siglas en inglés) de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, ubicada en Livingston, Luisiana y Hanford, Washington, detectó las ondas gravitacionales de una fusión entre dos agujeros negros de masa estelar. Ese evento, denominado GW190521, creó un agujero negro que pesaba 142 soles.

Otro hito importante en el estudio de los agujeros negros se dio en 2015 cuando los científicos detectaron por primera vez las ondas gravitacionales, las mismas ondas del tejido del espacio-tiempo que un siglo antes había predicho Albert Einstein, en su teoría general de la relatividad. LIGO detectó las ondas de un evento ocurrido hace 1300 millones de años, conocido como GW150914, en el que dos agujeros negros giraban entre sí, en espiral, mientras se fusionaban. Desde entonces y a través del estudio de las ondas gravitacionales, LIGO y otras instalaciones han observado numerosas fusiones de agujeros negros.

Esas son nuevas técnicas, sin embargo: los astrónomos han estudiado los agujeros negros durante décadas a través de los diversos espectros de luz que emiten. Aunque la luz no puede escapar del horizonte de eventos de un agujero negro, las enormes ondas gravitacionales en sus cercanías hacen que la materia cercana se caliente a millones de grados y emita ondas de radio y rayos X. Parte de la materia que orbita aún más cerca del horizonte de eventos pueden ser expedida, formando chorros de partículas que se mueven cercanas a la velocidad de la luz emitiendo ondas de radio, rayos X y rayos gamma. Los chorros de materia de los agujeros negros supermasivos se pueden extender cientos de miles de años luz.

 

Características de los agujeros negros

 

Los agujeros negros tienen varias características que los hacen únicos:

  • Horizonte de eventos: Ese es el límite que marca el punto de no retorno. Una vez que algo cruza ese umbral, no puede escapar.
  • Singularidad: En el centro de un agujero negro se encuentra la singularidad, un punto donde la densidad es infinita y las leyes de la física tal como las conocemos dejan de aplicarse.
  • Efecto gravitacional: La gravedad de un agujero negro es tan fuerte que puede afectar el movimiento de estrellas.

Otros elementos a considerar son:

  • Radiación de Hawking: Teorizada por Stephen Hawking, esa radiación es emitida por los agujeros negros debido a efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos. Aunque no ha sido observada directamente, es una predicción importante de la física teórica.
  • Disco de acreción: Es una estructura formada por gas y polvo que gira alrededor del agujero negro antes de ser absorbido. Ese material se calienta y emite radiación, lo que puede hacer visible el agujero negro indirectamente.

 

De la historia de los agujeros negros.

En 1915, Einstein desarrolló la Teoría de la Relatividad General y demostró que la luz era influida por la interacción gravitatoria. Unos meses después, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero eso no era bien entendido en aquel entonces. El propio Schwarzschild pensó que no era más que una solución matemática, no física.

En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró que un cuerpo con una masa crítica (ahora conocida como límite de Chandrasekhar) y que no emitiese radiación, colapsaría por su propia gravedad porque no habría nada que se conociera que pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de atracción gravitatoria sería mayor que la proporcionada por el principio de exclusión de Pauli). Sin embargo, Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzara un tamaño nulo, lo que implicaría una singularidad desnuda de materia, y que debería haber algo que inevitablemente pusiera freno al colapso, línea adoptada por la mayoría de los científicos.

En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podría sufrir un colapso gravitatorio y, por tanto, los agujeros negros podrían ser formados en la naturaleza. Esa teoría no fue objeto de mucha atención hasta los años 60, porque, después de la Segunda Guerra Mundial se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica.

En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en determinados casos no se podría impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso. La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsares. Poco después, en 1969, John Wheeler acuñó la locución “agujero negro” durante una reunión de cosmólogos en Nueva York, para designar lo que anteriormente se llamó “estrella en colapso gravitatorio completo”.

En la década de 1970, Stephen Hawking, Ellis y Penrose demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros. Antes, en 1963, Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometría cuasiesférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y su momento angular L.

Aquí termino esta entrega sobre uno de los cuerpos más fascinantes y atrayentes para el ser humano. En los últimos años a sido portada y titular en muchos medios de prensa. Y paso de ser tema para físicos teóricos y astrofísicos a motivo de conversación cotidiano. Espero tengan más elementos de juicio para la próxima charla sobre el tema entre amigos.

Referencias

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