El secreto de los
agujeros negros

Protagonistas de una variedad de historias de ciencia ficción y generalmente rodeados de un aura de misterio, mitos y teorías sorprendentes, los agujeros negros, han cautivado la imaginación desde que en el siglo XVIII surgió la idea de su existencia. Aquí echamos un vistazo a lo que realmente crea un agujero negro, qué efectos se generan cerca de los agujeros negros, qué tipos de agujeros negros existen en el universo y qué otros rumores, teorías y mitos giran en torno a ellos.

¿Qué es un agujero negro?   

Un agujero negro es un área en el espacio donde hay una masa de estrellas concentradas en un radio de unos pocos kilómetros. Dado que la masa de un agujero negro es tan grande y su gravedad tan intensa, que cualquier cosa que se acerca lo suficiente es absorbida por él, incluso la luz. Toda la masa concentrada del agujero negro cae hacia su centro, denominado su singularidad gravitacional. En este punto hay una densidad infinita. A pocos kilómetros de la singularidad existe el "horizonte de eventos", un límite matemático que marca el "punto de no retorno", es decir, el punto en el que la velocidad necesaria para escapar del campo gravitacional del agujero negro es mayor que la velocidad de la luz. Este punto es también el límite fundamental, desde aquí es imposible retirar material, luz o cualquier tipo de "información". Lo que cae se pierde para siempre, y nunca sabremos su destino. El horizonte de eventos (o también llamado horizonte de sucesos) representa la "superficie" del agujero negro, que en realidad no es física ni tangible. Desde el exterior, el horizonte aparece como una bola completamente oscura.

Incluso la luz es absorbida por ella. Simulación de un agujero negro | Fuente: Science Photo Library

la historia del estudio de los agujeros negros

Usando la mecánica y la teoría de la gravedad de Newton, se puede calcular una "velocidad de escape" para cada estrella con una masa y radio conocidos, que es la velocidad más baja que debe tener un planeta para escapar de la atracción gravitacional de otro planeta.

A principios del siglo XX, Einstein formuló su teoría general de la relatividad, que explica a fondo el fenómeno de la gravedad en comparación con la que había formulado Newton en el siglo XVII. La teoría de la relatividad produjo los mismos resultados que la teoría de la gravedad de Newton al referirse a una gravedad débil y a que los cuerpos se mueven relativamente lento en comparación con la velocidad de la luz. Las diferencias comienzan a aparecer solo a altas velocidades y en campos gravitacionales muy fuertes.

Ya en 1917 (dos años después de la publicación de Einstein), el físico y astrónomo Karl Schwarzschild publicó una solución a las ecuaciones de la relatividad cerca de un cuerpo masivo y denso (compacto). En sus ecuaciones, había un límite claramente visible más allá del cual la luz no podría escapar. Según la teoría de la relatividad, la luz y la materia se comportan de la misma manera en un campo gravitacional, lo que proporcionaba una explicación más natural acerca de la existencia de un agujero negro que fuese capaz de atraer la luz en primer lugar. El agujero negro fue una buena demostración teórica de la situación en la que la teoría de la relatividad se comporta de manera muy  diferente a la gravedad newtoniana debido a los fuertes campos gravitacionales que existen cerca del horizonte de eventos.

Already in 1917 (two years after Einstein’s publication) physicist and astronomer Karl Schwarzschild published a solution to the equations of relativity near a massive and dense (compact) body. In his equations, there was a clearly visible boundary beyond which light could not escape. According to the theory of relativity, light and matter behave the same way in a gravitational field, which supplied a more natural explanation for the existence of a black hole that was capable of attracting light in the first place. The black hole was a good theoretical demonstration of the situation where the theory of relativity behaves quite differently from Newtonian gravity due to the strong gravitational fields that exist near the event horizon.

Desde entonces, las teorías han avanzado para incluir agujeros negros rotatorios y con cargar eléctricas. Ahora incluso incluyen una serie de fenómenos fascinantes que ocurren en la proximidad de los agujeros negros.

Los efectos de la gravedad

Cuando se está lejos del agujero negro, no hay diferencia entre su gravedad y la de una estrella normal. Entonces, si reemplazariamos nuestro sol por un agujero negro de la misma masa, la Tierra continuaría en su órbita sin interferencia (la falta de luz solar nos afectaría como criaturas vivientes, quienes necesitamos la luz y el calor para vivir, y en realidad dependemos de é.). La formidable fuerza gravitacional de un agujero negro proviene de su pequeño tamaño. La atracción gravitacional aumenta a medida que uno se acerca a la masa concentrada en el centro. Debido a esto y al hecho de que el agujero negro puede tener la masa de una estrella, pero con un radio de solo unos pocos kilómetros (en lugar de millones de kilómetros), ello permite que la materia se acerque al agujero negro y sea arrastrada por el enorme campo gravitacional.

El radio del horizonte de eventos, llamado "radio de Schwarzschild", representa el tamaño físico del agujero negro. Pero dentro de unos pocos radios de Schwarzschild, la fuerte atracción gravitacional ya se puede sentir y se requiere una gran fuerza para evitar caer adentro. Para una partícula o una nave espacial que orbita el agujero negro, ya a una distancia de solo tres radios de Schwarzschild será imposible encontrar  una orbita estable para evitar que caiga en el agujero negro. A una distancia de 1.5 radios de Schwarzschild, por ejemplo, la atracción gravitacional es tan fuerte que los rayos de luz se mueven en una trayectoria circular, de modo que si uno se pusiera a observar un agujero negro desde esta distancia, podría ver el atraz de su cabeza del otro lado.

Según la teoría de la relatividad, un cuerpo masivo distorsiona el espacio y el tiempo a su alrededor. Un agujero negro es un ejemplo extremo. Para un observador externo, la luz emitida proximal al horizonte parece más roja (su frecuencia disminuye), en tanto que los pulsos de radio emitidos a intervalos regulares parecerán emitidos a intervalos crecientes a medida que su fuente se acerca al horizonte de eventos. Para un observador externo, un reloj arrojado al agujero negro mostrará que el tiempo se hace más lento a medida que el reloj se acerca al horizonte, y de hecho desde el exterior parecería que el reloj tarda una cantidad infinita de tiempo en pasar el horizonte de eventos. Sin embargo, a medida que se acerca al horizonte, la luz emitida por él se desvanecerá y aparecerá más roja, hasta que no podamos medirlo, ni siquiera a la frecuencia de ondas de radio más baja.

La luz que proviene de una fuente detrás del agujero negro puede rodearlo, porque la gravedad distorsiona los rayos de luz y los desvía. El agujero negro puede servir como lente que concentra la luz de las estrellas de fondo. En este sentido, no solo es posible ver estrellas que están del lado opuesto del agujero negro, también es posible en ciertas situaciones ver el mismo planeta reflejado varias veces alrededor del agujero, e incluso un anillo de luz enteró que proviene de una fuente donde los rayos de luz rodean todos los lados del agujero negro.

En ciencia ficción, a menudo nos encontramos con agujeros negros que son la clave para un universo diferente o una puerta de entrada para viajar en el tiempo. Más allá de los extraños fenómenos ya mencionados, hay otras ideas basadas en la teoría de la relatividad para la posibilidad de "agujeros de gusano" en tales agujeros negros. Por supuesto, estas son solo teorías que en realidad no tienen ninguna base científica, y de todos modos parece que no hay manera de que podamos verificar si son correctas o no.

Absorbiendo a sus vecinos. Un agujero negro que absorbe el gas de una estrella cercana | Simulación: Science Photo Library

¿Cómo se forman los agujeros negros?

¿Cómo se crean los agujeros negros y qué es lo que causa que toda la masa de un planeta se comprima en un radio tan pequeño? La respuesta radica en la gravedad de estrellas masivas que logran comprimir continuamente todo el gas dentro del núcleo de la estrella, hasta que la masa se colapsa al tamaño de un punto.

Las estrellas producen mucho calor y radiación durante sus vidas, la presión interna creada en su núcleo evita que colapsen bajo su propio peso. Cuando se agota el combustible nuclear en el núcleo de una estrella, el gas se colapsa hacia adentro en un violento proceso que libera al exterior grandes cantidades de materia y energía. Si la estrella  es suficientemente masiva, este proceso de explosión se llama supernova. El gas de la antigua estrella permanece, pero ya no hay una fuente de energía para ayudar a presionar contra su propia gravedad, por lo que la estrella colapsa a un tamaño mínimo. Si la masa sigue siendo lo suficientemente grande, los desechos colapsarán en una estrella de neutrones, donde todos los electrones se unen con los protones y se forma un núcleo de neutrones. Si la masa de este núcleo es demasiado grande incluso para la repulsión entre los neutrones, la estrella colapsará hacia adentro. En esta etapa, ninguna fuerza conocida por la ciencia puede resistir el peso del gas. La masa se concentra en un punto y se crea un agujero negro.

Mecánica cuántica

Cuando pensamos en el espacio entre las estrellas, lo imaginamos casi completamente vacío. Pero en el mundo de las leyes cuánticas, el vacío está lleno de pares de partículas y antipartículas que aparecen y desaparecen a intervalos tan pequeños que no se pueden medir. Si ese par se crea exactamente en el horizonte de eventos, una partícula podría caer en el agujero y liberar la otra partícula, tomando una pequeña cantidad de energía del agujero negro. Este fenómeno se llama radiación de Hawking y lleva el nombre de un físico que la describió por primera vez en la década de 1970. Esta radiación es muy débil para los agujeros negros "ordinarios" con la masa de una estrella, pero un agujero negro muy pequeño puede perder una gran cantidad de energía como resultado de ello.

.La naturaleza del punto singular en el centro del agujero negro- no es describida bien por las existentes teorias . El éxito futuro en conectar la mecánica cuántica con la relatividad (también conocida como gravedad cuántica) puede que de dar mejores respuestas a la naturaleza de este problemático punto. Dado que estas teorías aún no se han desarrollado, nadie sabe realmente lo que está sucediendo hoy en el centro de los agujeros negros.

Tipos de agujeros negros

Además de los agujeros negros estelares que tienen una masa equivalente a unas cuantas veces la de nuestro sol, existen otros tipos de agujeros negros que pueden ser importantes para nuestra comprensión del universo. Un ejemplo sorprendente son los agujeros negros supermasivos, con una masa de millones de soles, que existen en el centro de la mayoría de las galaxias. Estos agujeros negros se alimentan de gas y estrellas cercanas en los centros de las galaxias, a veces causan la emisión de ondas de radio muy brillantes a partir de la materia que se comprime gradualmente a medida que cae en el agujero negro. No se sabe cómo se crearon estos masivos agujeros negros, incluso dada la gran cantidad de gas y estrellas a su alrededor, ya que la materia que cae en un agujero negro tiende a hacer círculos en torno a él, como el agua que fluye por el desagüe, por lo tanto llevaría mucho tiempo para que esa cantidad de material se acumule en un agujero negro. Las mediciones realizadas muestran un vínculo entre el tamaño del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia y el número de estrellas dentro de él, lo que indica una estrecha relación entre la formación de galaxias y la formación de agujeros negros en su centro.

Otro tipo de agujero negro que puede existir es el microagujero negro. Las colisiones de alta energía entre partículas pueden llevar a una densidad suficiente para crear un pequeño agujero negro. En teoría, también puede haber agujeros negros con una masa ligeramente mayor, similar a la de nuestra luna, del tamaño de algo menos que un milímetro. Estos minúsculos agujeros negros emitirían radiación de Hawking, lo que los haría perder  energía (y masa) y finalmente desaparecer por completo. Mientras tanto, se desconoce si existen tales entidades, cómo se crean o cuál es su impacto en la formación del universo. Todas estas son preguntas abiertas en la investigación actual

No está claro que existan. Simulación de la creación de un microagujero negro en un acelerador de partículas | Fotografía: Science Photo Libr

Observaciones de agujeros negros

Los agujeros negros son cuerpos exóticos que, naturalmente, son muy difíciles de ver en el espacio. No emiten luz, lo que significa que es muy difícil descubrir y detectar agujeros negros, y se depende de mediciones indirectas

En la década de 1990, científicos de la Universidad de California en Los Ángeles midieron el movimiento de 90 estrellas en el centro de nuestra galaxia y descubrieron que orbitaban una masa cuatro millones de veces mayor que nuestro Sol, con un radio de alrededor de una milésima parte de un año luz. Es difícil imaginar una cantidad de masa tan grande en un área tan pequeña que no esté centralizada en un agujero negro supermasivo. En esa misma área en el espacio también hay una fuerte fuente de ondas de radio, conocida como Sagitario A. Hoy se supone que las ondas de radio se emiten desde el gas que rodea el agujero negro, que se calienta a medida que cae hacia adentro

Los agujeros negros estelares (con una masa equivalente a varias masas solares), fueron descubiertos indirectamente usando observaciones de rayos X. En los sistemas binarios donde un agujero negro o una estrella de neutrones y una estrella normal orbitan entre ellos, el cuerpo más pesado aspira el gas del compañero. El gas rodea el agujero negro, calentándose por la fricción al girar alrededor y cae dentro de éste, alcanzando millones de grados y emitiendo una fuerte radiación X.

Observacionesde  las propiedades de tales sistemas pueden sugerir si el cuerpo compacto es una estrella de neutrones o un agujero negro.

El año pasado, un experimento de LIGO detectó ondas gravitacionales que aparentemente fueron emitidas debido a una colisión entre dos agujeros negros, cada uno unas 300 veces más pesado que nuestro sol. El descubrimiento en sí es importante, principalmente porque fue la primera vez que se descubrieron estas evasivas ondas gravitacionales, pero también sugiere (indirectamente) la existencia de agujeros negros en el universo.

Estos descubrimientos han hecho avanzar el estado de los agujeros negros, de fenómenos teóricamente interesantes a realidad astrofísica. Actualmente, los agujeros negros son parte integral de nuestra comprensión de la evolución de las galaxias y el ciclo de vida de las estrellas. Proporcionan una plataforma para nuevas teorías de la gravedad y la mecánica cuántica, y la variedad de fenómenos que los rodean permiten el avance de nuestros conocimientos de la física en una variedad de campos.