AGUJERO NEGRO
Suele ser una constante en los miembros de
nuestra especie, profundamente curiosa, el que les atraiga todo aquello que
suene a misterioso. Los Agujeros Negros, término acuñado por el físico
estadounidense John Wheeler en 1967, objetos cuya existencia predice la teoría
General de la Relatividad, pertenecen a esa familia, y así se han convertido en
sujeto de atracción e interés público. En el siglo XVIII, cuando se aceptaba la
Teoría de Newton según la cual la luz estaba formada por partículas, John
Michell (1724-1793) y Pierre Simon Laplace (1749-1827), ya especularon con la
posible existencia de “estrellas oscuras”, estrellas de pequeño radio y gran
masa que ejercerían la suficiente atracción gravitacional sobre los corpúsculos
luminosos para no dejarlos escapar del entorno estelar. Nada en las Leyes de la
Física del Siglo de las Luces impedía la existencia de estrellas de este tipo.
Si se abandonó la idea fue debido a que la Teoría Ondulatoria de la luz terminó
desbancando a la corpuscular, y no estaba nada claro cómo una descripción
ondulatoria encajaba con las Leyes de la Gravedad de Newton.
Expresado sucintamente, un Agujero Negro
es un objeto estelar creado por la implosión de una estrella, en el que todo
aquello con masa y/o energía puede caer, pero del que nada puede salir, ni
siquiera la luz, que no tiene masa pero sí energía, que queda también atrapada
en su interior, destinada acaso a perderse en la ruptura del espacio y del
tiempo (singularidad espacio-temporal) que esconde en su seno el Agujero. Y si
la luz no puede salir, tampoco podremos verlo, solamente sentir los efectos
gravitacionales producidos por su enorme masa. No toda estrella está destinada,
cuando su combustible nuclear se agota, a convertirse en un Agujero Negro. Es
preciso que su masa supere un cierto valor, que depende del tamaño de la
estrella. En caso contrario, termina sus días como una fría estrella de
neutrones, objetos de aproximadamente la misma masa que el Sol, pero de sólo 50
a 1000 km de circunferencia, formado por neutrones aprisionados por la fuerza
de la gravedad, algo así como núcleos atómicos gigantes pero sin protones y con
la interacción gravitacional desempeñando el papel de la interacción fuerte,
que es la que reina en el reducido ámbito de los núcleos atómicos. Algunas
estrellas de neutrones, que giran muy rápidamente emitiendo radiación de gran
regularidad, forman lo que se denomina Púlsares.
Teóricamente, sin embargo, pueden existir
Agujeros de todos los tamaños y de todas las masas, combinando ambos de manera
apropiada. Agujeros Negros microscópicos que tienen el tamaño de una partícula
elemental, otros de 10 masas solares y de algunos kilómetros de radio, o
Agujeros Negros gigantes de varios miles de millones de masas solares y tan
grandes como el Sistema Solar. Hay indicios de que pueden existir Agujeros
Negros gigantes en el núcleo de algunas galaxias, incluyendo la Vía Láctea. En
cuanto a Agujeros Negros de tamaño “normal”, parece demostrada su existencia:
se acepta generalmente que Cygnus X-1, un objeto situado en nuestra galaxia, y
que forma parte de un sistema binario (su compañera, HDE 226868, es una
estrella brillante ópticamente oscura en rayos X), es un Agujero Negro. Si ha
sido posible detectarlo es porque Cygnus X-1 atrae gases de HDE 226868, que se
precipitan hacia él; en su camino, estos gases son acelerados, emitiendo rayos
X, que es posible observar mediante radiotelescopios. Los cálculos realizados
indican que el Agujero Negro situado en el centro de Cygnus X-1 tiene una masa probablemente
alrededor de 16 Soles.
En cuanto a los Miniagujeros Negros, su
posible existencia adquiere sentido dentro de formulaciones realizadas en la
década de los años setenta por Stephen Hawking y otros, quien ha intentado
combinar algunos elementos de la Teoría Cuántica con la Relatividad General,
llegando a la conclusión de que, después de todo, los Agujeros Negros pueden
radiar energía (como dice Hawking, no son tan negros). Este efecto sólo es
observable en principio, dada la edad que supuestamente tiene el Universo, para
Agujeros Negros microscópicos (o primordiales), que se formasen poco después
del Big Bang, en los primeros instantes de la vida del Universo. No sabemos, en
cualquier caso, cuántos Agujeros Negros puede contener el Universo. Por el
momento, constituyen un concepto esencialmente teórico, apoyado por algunas
observaciones, extraordinariamente atractivo y sugerente. Un concepto que pone
en tela de juicio la continuidad de aquello que pensábamos era más continuo y
permanente, el espacio y el tiempo, esto es, aquello que hace posible nuestra
propia existencia.
No es sorprendente que ante
características semejantes, haya quien piense que acaso los Agujeros Negros son
puertas de acceso a otros Universos, o que tal vez nuestro Universo no sea sino
un gran Agujero Negro, del que, salvo con la ayuda de la Mecánica Cuántica
(todavía no incorporada en la estructura de la Cosmología Relativista), no
podemos escapar. Los agujeros negros son los objetos más extremos conocidos del
universo. Su gravedad es tan intensa que, una vez que algo cruza un límite
llamado horizonte de sucesos, no puede escapar, ni siquiera la luz. Aunque
durante mucho tiempo fueron considerados una curiosidad matemática, hoy se sabe
que existen realmente y desempeñan un papel fundamental en la evolución de
galaxias, estrellas e incluso del propio universo.
ESQUEMA SIMPLE
¿Qué es un agujero negro?
Un agujero negro es una región del espacio
donde la materia ha sido comprimida hasta alcanzar una densidad enorme. Esa
concentración de masa curva el espacio-tiempo de forma tan intensa que todo lo
que se acerca demasiado queda atrapado. No es un agujero en el sentido
habitual. No existe un túnel vacío, sino una región donde las leyes de la
gravedad dominan absolutamente. La teoría que predijo su existencia fue la
Relatividad General, publicada por Albert Einstein en 1915. Existen varios mecanismos
en su formación:
1. Colapso de una estrella masiva, es el
proceso más conocido. Cuando una estrella con más de unas veinte masas solares
consume todo su combustible nuclear: deja de producir presión hacia el
exterior; la gravedad vence; el núcleo se derrumba; la materia colapsa. Si el
núcleo resultante posee suficiente masa, ni siquiera la presión de neutrones
puede detener el colapso. Entonces nace un agujero negro.
2. Fusión de estrellas de neutrones. Dos
estrellas de neutrones pueden orbitar durante millones de años. Al chocar: liberan
enormes cantidades de energía; producen ondas gravitacionales; pueden originar
un agujero negro.
3. Fusión de agujeros negros. Dos agujeros
negros pueden acercarse lentamente hasta fusionarse. El resultado es un agujero
negro todavía mayor. Durante la colisión se libera energía equivalente a varias
masas solares completamente convertidas en ondas gravitacionales.
4. Agujeros negros primordiales. Son
hipotéticos. Habrían nacido durante los primeros instantes del universo debido
a fluctuaciones extremas de densidad. Hasta hoy no se ha demostrado su
existencia.
Partes de un agujero negro: Horizonte de
sucesos. Es la frontera definitiva. Una vez atravesada: no existe regreso; ninguna
señal puede salir; desaparece toda posibilidad de comunicación con el exterior.
No es una superficie física. Simplemente marca el límite donde la velocidad
necesaria para escapar supera la velocidad de la luz. Singularidad: En el
centro, la Relatividad General predice una singularidad. Sería un punto donde: la
densidad es infinita; el volumen es prácticamente cero; las ecuaciones dejan de
funcionar. La mayoría de los físicos cree que una teoría cuántica de la
gravedad reemplazará esta descripción.
Esfera de fotones: Existe una región donde
incluso la luz puede orbitar temporalmente alrededor del agujero negro. Estas
órbitas son inestables.
Disco de acreción. Cuando el agujero negro
captura materia: gas; polvo; estrellas; planetas. Todo gira formando un disco
extremadamente caliente.
Su temperatura puede superar millones de
grados. Paradójicamente, esta materia es una de las fuentes de luz más intensas
del universo.
Tipos de agujeros negros: Estelares, entre:
3 y 100 masas solares aproximadamente. Proceden del colapso de estrellas. De
masa intermedia, entre: 100 y cientos de miles de masas solares. Son muy
difíciles de detectar. Supermasivos: Se encuentran en el centro de casi todas
las galaxias. Poseen: millones o miles de millones de masas solares. Ejemplos
famosos: el del centro de la Vía Láctea; el de la galaxia M87. Ultramasivos: algunos
superan los: 40.000 millones de masas solares. Son extremadamente raros. ¿Por
qué son negros? Porque la luz no puede escapar. No reflejan luz. No emiten luz
desde su interior. Lo único visible es la materia caliente que cae hacia ellos.
¿Cómo se descubren? Nunca se observan directamente. Se detectan mediante sus
efectos. Movimiento de estrellas: Si una estrella gira alrededor de un objeto
invisible muy masivo, probablemente exista un agujero negro. Rayos X: Cuando el
gas cae: se calienta; emite rayos X. Ondas gravitacionales: Las colisiones
producen ondulaciones del espacio-tiempo. Estas ondas fueron detectadas por
primera vez en 2015, confirmando una predicción de Einstein. Imagen de la
"sombra": En 2019 se obtuvo la primera imagen de la sombra de un
agujero negro. No muestra el agujero en sí. Lo que aparece es el borde
iluminado del gas que lo rodea.
Radiación de Hawking
En 1974, Stephen Hawking propuso que los
agujeros negros no son completamente negros. Debido a efectos cuánticos: pueden
emitir una débil radiación; pierden energía; pierden masa. Con suficiente
tiempo: podrían evaporarse por completo. Para los agujeros negros astrofísicos
este proceso tardaría muchísimo más que la edad actual del universo. El
problema de la información: Una de las mayores cuestiones abiertas es qué
ocurre con la información de los objetos que caen. La mecánica cuántica indica
que la información no debería destruirse. La Relatividad General parece sugerir
lo contrario. Esta aparente contradicción constituye la paradoja de la
información y sigue siendo un tema central de investigación.
Agujeros negros en rotación: La mayoría
gira. Su rotación arrastra el propio espacio-tiempo a su alrededor. Este efecto
se denomina arrastre de referencia (frame dragging). Los agujeros negros que
rotan pueden alimentar enormes chorros de materia que se extienden miles de
años luz. ¿Pueden tragarse una galaxia? No. Aunque sean extremadamente masivos:
la gravedad disminuye con la distancia igual que la de cualquier otro objeto de
la misma masa; las estrellas continúan orbitando normalmente. El agujero negro central de una galaxia no
actúa como una aspiradora cósmica.
¿Existen agujeros blancos? Son soluciones
matemáticas que representarían el proceso inverso: nada puede entrar; solo
puede salir materia. Hasta la fecha no existe ninguna evidencia observacional
de que existan. ¿Pueden ser portales? Algunas soluciones matemáticas permiten
la existencia de agujeros de gusano, que conectarían regiones distintas del
espacio-tiempo. Sin embargo: no se ha observado ninguno; no se sabe si pueden
existir de forma estable; no hay pruebas de que los agujeros negros reales sean
portales. Tamaño: Curiosamente, el tamaño no depende de la densidad sino de la masa.
Un agujero negro de unas pocas masas solares puede tener un horizonte de apenas
decenas de kilómetros. Uno supermasivo puede ser mayor que todo el Sistema
Solar.
Grandes preguntas abiertas
A pesar de los enormes avances, quedan
numerosos interrogantes:
¿Qué reemplaza realmente a la
singularidad?
¿Cómo unificar la Relatividad General y la
mecánica cuántica?
¿Qué ocurre exactamente con la información
que cae?
¿Existen agujeros negros primordiales?
¿Contribuyen a explicar la materia oscura?
¿Cómo crecieron tan rápido los agujeros
negros supermasivos en el universo temprano?
¿Qué sucede en el interior del horizonte
de sucesos?
Curiosidades
Un agujero negro no "aspira"
como un aspirador; atrae por gravedad igual que cualquier otro objeto de la
misma masa.
Los discos de acreción pueden brillar más
que galaxias enteras.
Los chorros relativistas emitidos por
algunos agujeros negros alcanzan velocidades cercanas a la de la luz y pueden
extenderse millones de años luz.
Los agujeros negros supermasivos pueden
permanecer activos durante cientos de millones de años alimentándose de gas
interestelar.
La evaporación por radiación de Hawking de
un agujero negro estelar requeriría un tiempo inmensamente superior a la edad
actual del universo.
En conjunto, los agujeros negros
representan uno de los campos más fascinantes de la astrofísica moderna. Son
laboratorios naturales donde convergen la gravedad extrema, la física cuántica
y la cosmología, y su estudio promete revelar aspectos fundamentales sobre la
estructura del espacio-tiempo y las leyes más profundas de la naturaleza.
© 2002 Javier de Lucas