Agujeros negros: una historia densa

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El concepto de los agujeros negros es fascinante desde la concepción. Imagina que, en algún lugar de la galaxia, los restos de una estrella extremadamente densa perforan el tejido del espacio-tiempo. Hay tanta densidad en ese punto que cualquier materia que se aproxima demasiado termina devorada, empujada por una cantidad de gravedad que nada, ni siquiera la luz, puede librar. Y una vez que la materia llega al horizonte de eventos, el punto sin retorno, caerá sin esperanzas en una espiral rumbo a un punto casi infinitamente pequeño. Un punto donde el espacio-tiempo se curva tanto que todas nuestras teorías se rompen: la singularidad. Nada sale vivo de aquí.

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Los agujeros negros son algo extremadamente extravagante que no encaja en esta realidad, pero irónicamente son muy comunes en el espacio. Existen decenas de agujeros negros conocidos y probablemente millones más en la Vía Láctea, eso sin mencionar los miles de millones que probablemente pululen el Universo allá afuera.

Los científicos también sospechan que puede existir un agujero negro supermasivo en el centro de casi todas las galaxias, incluso en la nuestra. Las características y dinámicas de estas aberraciones monstruosas del espacio-tiempo han provocado auténticos dolores de cabeza a los científicos desde hace siglos.

El descubrimiento de los agujeros negros.​

En 1665 un manzano dejó caer uno de sus frutos al suelo. El manzano se encontraba en el jardín de Woolsthorpe Manor, en Inglaterra, y un curioso Isaac Newton, que observaba la escena, inmediatamente comenzó a pensar en la caída de aquella manzana: un pensamiento que, 20 años después, concluyó que debería existir algún tipo de fuerza universal rigiendo el movimiento de las manzanas, balas de cañón y hasta de los cuerpos planetarios. La llamó gravedad.

El legendario manzano en Woolsthorpe Manor en Woolsthorpe-by-Colsterworth, Lincolnshire, Inglaterra.​

Newton se dio cuenta que cualquier objeto con masa tiene atracción gravitacional. Descubrió que entre mayor es la masa, mayor es la gravedad. Para escapar de la gravedad de cierto objeto, necesitas alcanzar su velocidad de escape. Para escapar de la gravedad de la Tierra, necesitas acelerar hasta aproximadamente 11 km/s.

Un siglo después, este descubrimiento de Newton sobre las leyes de la gravedad y el movimiento, llevaron al reverendo John Michell, un británico bastante polémico, a teorizar que si existía una estrella mucho más masiva o mucho más compacta que el Sol, su velocidad de escape podría superar incluso a la de la luz. Tuvo el tino de llamarlas “estrellas oscuras”.

Una docena de años después Pierre Simon de Laplace, un científico y matemático francés, llegó a la misma conclusión y ofreció evidencia matemática sobre la existencia de lo que ahora conocemos como agujeros negros.

La relatividad general y los agujeros negros.​

En 1915, Albert Einstein estableció la revolucionaria teoría de la relatividad general, donde se considera al espacio-tiempo como un objeto curvo de cuatro dimensiones. En lugar de apreciar a la gravedad como una fuerza, Einstein la consideró una distorsión del espacio-tiempo. Un objeto masivo, como el Sol, crearía una deformación en el espacio-tiempo, un pozo gravitacional, provocando que cualquier objeto circundante, como los planetas del Sistema Solar, siguieran un camino curvo a su alrededor.

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Un mes después de la publicación de estas teorías por Einstein, el físico alemán Karl Schwarzschild encontró algo fascinante en las ecuaciones de Einstein. Se trataba de una solución que llevó a los científicos a concluir que una región del espacio podría distorsionarse tanto que generaría un pozo gravitacional del que ningún objeto podría escapar.

Hasta 1967, estas misteriosas deformaciones en el espacio-tiempo no tenían un término universal. Los científicos llegaron a referirlas como “colapsar” o “estrella congelada” al discutir sobre las tramas oscuras de la gravedad ineludible. Sería el físico John Wheeler que, tras una conferencia en Nueva York, popularizó el término “agujero negro”.

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Cazando agujeros negros.​

Cuando se forma una estrella, la gravedad comprime la materia hasta que es interrumpida por la presión interna de la estrella. Si la presión interna no llega a interrumpir esa compresión, podría formarse un agujero negro. Algunos agujeros negros se forman cuando las estrellas masivas colapsan. Otros, según los científicos, se formaron muy temprano en el Universo, mil millones de años después del Big Bang.

NASA/ESA/ESO/Wolfram Freudling et al. (STECF)​

No existen límites sobre la inmensidad de un agujero negro, puede tener una masa mil millones de veces superior a la del Sol. Según la relatividad general, tampoco existe un límite para lo diminutos que pueden llegar a ser (aunque la mecánica cuántica sugiere lo contrario). Los agujeros negros incrementan su masa a medida que devoran la materia circundante. Los pequeños agujeros negros roban materia de una estrella compañera, mientras que los más grandes se alimentan de cualquier materia que se encuentre muy próxima.

Los agujeros negros presentan un horizonte de eventos, a partir del cual ni siquiera la luz puede escapar. Dado el hecho de que ni siquiera la luz puede salir, resulta imposible ver más allá de esta superficie en un agujero negro. Pero que no podamos ver un agujero negro, no significa que no podamos detectarlo.

Descubriendo lo invisible.​

Los agujeros negros pueden detectarse al observar el movimiento de las estrellas y el gas en las proximidades, así como el aumento de materia en su entorno. Dicha materia gira en torno al agujero negro, dando lugar a un disco plano llamado disco de acreción. La materia que gira pierde energía y libera radiación en forma de rayos x y otras radiaciones electromagnéticas antes de atravesar el horizonte de eventos.

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Fue con este método que los astrónomos identificaron Cygnus X-1 en 1971. Cygnus X-1 fue descubierto como parte de un sistema de estrella binario en que una estrella extremadamente candente y brillante conocida como supergigante azul generó un disco de acreción en torno a un objeto invisible.

Este sistema binario estaba emitiendo rayos x, que generalmente no se producen en las supergigantes azules. Al calcular la distancia y velocidad a la que esta estrella visible se desplazaba, los astrónomos pudieron calcular la masa del objeto no visible. Aunque fue comprimido en un volumen inferior al de la Tierra, la masa del objeto era 6 veces mayor a la de nuestro Sol.

Los enigmáticos pozos gravitacionales.​

Varios experimentos diferentes analizan los agujeros negros. El telescopio Event Horizon escudriñará los agujeros negros en el núcleo de nuestra galaxia y en una galaxia cercana, la M87. Cuenta con una resolución lo suficientemente alta como para generar flujo de imagen en torno al horizonte de eventos.

Los científicos también cuentan con la posibilidad de hacer el mapeo de reverberación, donde se emplean telescopios de rayos X para identificar diferencias horarias entre las emisiones de varios puntos cerca del agujero negro con la finalidad de entender las órbitas de gas y fotones alrededor.

El Lasser Interferometer Gravitational-wave Observatory, o LIGO, busca identificar la fusión de los agujeros negros, que emiten radiación gravitacional, u ondas gravitacionales, a medida que los dos se funden.

NASA/JPL-Caltech​

Además de los discos de acreción, los agujeros negros presentan vientos y chorros increíblemente brillantes que emanan a lo largo de los ejes de rotación, disparando materia y radiación a velocidades cercanas a la de la luz. Los científicos aún procuran entender cómo se forman estos chorros.

Lo que no sabemos sobre los agujeros negros.​

Los científicos descubrieron que los agujeros negros no son tan negros como se pensaba. Cierta información puede escapar de ellos. En 1974, Stephen Hawking publicó resultados donde mostraba que los agujeros negros deben irradiar energía o “radiación Hawking”.

Pares de materia-antimateria se producen de forma constante en todo el Universo, incluso fuera del horizonte de eventos de un agujero negro. La teoría cuántica supone que una partícula puede ser arrastrada antes que el par tenga la posibilidad de aniquilarse, y la otra puede escapar en forma de radiación Hawking. Esto va contra la imagen que la relatividad general tiene de un agujero negro, donde nada puede escapar.

X-ray: NASA/CXC/University of Alberta/A.Bahramian et al.; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss​

Pero como un agujero negro irradia radiación Hawking, se evapora lentamente hasta desaparecer. ¿Entonces, qué sucede con toda la información codificada en su horizonte? ¿Desaparece violando las leyes de la mecánica cuántica? ¿O es preservada como lo prevé la propia mecánica cuántica? Una de las teorías es que la radiación Hawking contiene toda esta información. Cuando un agujero negro se evapora y desaparece, ya ha preservado toda la información de todo lo que cayó dentro de él, irradiándola al Universo.

Mecánica cuántica vs relatividad general.​

Los agujeros negros ofrecen a los científicos la oportunidad de poner a prueba la relatividad general en campos gravitacionales muy extremos. Los agujeros negros son vistos como la oportunidad para responder una de las mayores cuestiones en la teoría de la física de partículas: ¿por qué no podemos unir la mecánica cuántica con la relatividad general?

Además del horizonte de eventos, los agujeros negros se encaminan como uno de los misterios más sombríos de la física. Los científicos no pueden explicar lo que sucede cuando los objetos atraviesan el horizonte de eventos y viajan en espiral en dirección a la singularidad.

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La relatividad general y la mecánica cuántica chocan y las ecuaciones de Einstein explotan en el infinito. Los agujeros negros incluso pueden guardar caminos a otros universos, conocidos como agujeros de gusano, y fuentes violentas de energía y materia llamadas agujeros blancos, aunque parezca muy improbable que la naturaleza permita la existencia de estas estructuras.

A veces, la realidad es mucho más extraña que la ficción.

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