Agujeros negros, un problema de Física

Todo cuerpo produce un campo gravitacional. Nosotros y el resto de cosas de La Tierra nos mantenemos pegados a la misma por esta fuerza. Sin embargo, hemos evolucionado lo suficiente como para escapar del campo gravitacional de nuestro planeta. Es lo que hacen los cohetes, para ello tienen que alcanzar una velocidad suficiente, que en el caso de la Tierra es de 11 km/s. Esa es la velocidad de escape.

El Sol (como todos los cuerpos), produce también un campo gravitacional. Como esta estrella es más grande que la Tierra, su campo gravitacional es mayor. Para huir de la “gravedad” del Sol es necesario alcanzar una velocidad de 620 km/s. Hasta ahora estamos todos los presentes en el blog de acuerdo, ¿verdad? Al fin y al cabo es la Ley de la Gravitación Universal de Newton.

Juguemos un poco con la imaginación, pensemos que el Sol, en vez de tener 700.000 kilómetros de radio sólo midiera 1,5 kilómetros. Se ha vuelto tan denso y tan compacto que la física newtoniana no llega a explicar los fenómenos extraños que en él se producen. La relatividad general prevé que la luz, aunque no tiene masa, es sensible a la gravitación. Y precisamente, sobre este Sol de 3 km de diámetro la velocidad de escape, que era de 620 km/s sobre el Sol, se vuelve superior a 300.000 km/s, es decir, mayor que la de la luz. Ahora bien, según Einstein, es imposible superar la velocidad de la luz. Por lo tanto, no solamente la materia no puede escaparse, sino la luz tampoco.

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Imagen: Nasa

Este objeto, que desafía las leyes de la física clásica, es lo que solemos llamar un agujero negro. El término fue inventado en 1967 por el físico americano John Wheeler. Un agujero negro es una concentración de masa y energía tan compacta que incluso los fotones no pueden escaparse de su fuerza gravitacional.


Cualquier cuerpo en el Universo podría convertirse en un agujero negro, incluso tu propio cuerpo querido lector, bastaría con contraerlo hasta una densidad crítica.

El “radio de Schwarzschild”, que es universal, determina el volumen que el cuerpo debe ocupar para retener la luz en virtud de su atracción gravitacional. ¡Por ejemplo, el radio de Schwarzschild del Sol es casi de 3 kilómetros, mientras que el de la Tierra es de 8 milímetros! Tales niveles de compresión sólo existen en los agujeros negros.

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Imagen Agujero Negro de Dan Gardner procedente del telescopio Hubble

Un agujero negro no es un “asesino de galaxias” insaciable que atrae todo lo que pasa a su alcance, incluida la luz. ¿A su alcance? En astrofísica, este “alcance” se denomina el horizonte de los acontecimientos. Se trata del límite máximo crítico, punto de no retorno, de ahí la materia y la luz no pueden escaparse. Si nos imaginamos el agujero negro como una bola negra (lo que es una imagen falsa puesto que un agujero negro no tiene superficie), el horizonte es el límite a partir del cual la luz sigue siendo prisionera del pozo gravitacional.

Nos gustaría que quedar muy claro que un agujero negro no es, como se podría pensar cuando vemos algunas películas, un “aspirador cósmico” que se traga porciones enteras del espacio: sólo captura lo que pasa cerca él. ¡Y si nuestro Sol se convirtiera en un agujero negro, no notaríamos ninguna diferencia en términos de gravedad! ¡Las órbitas de los planetas no serían perturbadas, aparte de que haría más frío!

En cambio, si un cuerpo cruza el horizonte de los acontecimientos, no tiene ninguna posibilidad de dar marcha atrás. Será atraído irremediablemente hasta el centro del agujero negro, lo que se llama la singularidad espaciotemporal, una zona donde la densidad es infinita. Ésta no tiene dimensión sino determinada por su masa los límites y el tamaño del horizonte. Para poder ser incluida en nuestra comprensión del universo, esta singularidad necesita nuevas teorías físicas.

¿De qué está hecho un agujero negro? Los físicos establecieron que un agujero negro está caracterizado como mucho por tres parámetros: su masa, su carga eléctrica y su rotación (su momento cinético). En cuanto a lo que ocurre en su interior no tenemos ni idea…

¿De dónde vienen los agujeros negros? Los agujeros negros de origen estelar estarían formados por el hundimiento gravitacional de una estrella al final de su vida. Los astrofísicos conocen perfectamente qué ocurre con una estrella al final de su vida. Después de una fase de expansión, las estrellas se contraen. Las que son suficientemente grandes, al menos 1,44 veces la masa del Sol se contraen tanto que la presión termina por hacerlas estallar: son las supernovas. La mayor parte de las estrellas que explotan se pulverizan en el espacio mientras su núcleo se hunde sobre sí mismo. Su es relativamente poco densa el resultado es una estrella de neutrones. Si la densidad es demasiado importante, no se compensa el hundimiento gravitacional. El resultado es un cuerpo inestable que absorbe todo lo que pasa a su alrededor. Es un agujero negro estelar.

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Existe otro tipo de agujeros negros, los supermasivos. Es un agujero negro con una masa de centenares de millones de masas solares y se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias, incluida la Vía Láctea. Y es que nuestro agujero negro supermasivo tiene una masa equivalente a 2,6 millones de veces la del Sol. Estos agujeros negros habrían nacido antes que las galaxias cuyo núcleo ocupan.

En la familia de los agujeros negros hay sitio para agujeros negros primordiales. Stephen Hawking propuso la existencia de estos objetos teóricos. Minúsculos, tendrían el tamaño de una partícula, y serían residuos del tiempo en que el Universo era aún muy denso y caliente, poco después el Big Bang.

Pero entonces, hay algo al final de la singularidad ¿de un agujero negro? Algunos investigadores mantienen que estas singularidades pueden desembocar en agujeros blancos o fuentes blancas de las que brotaría la materia, que volvería a ser “libre”.

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Agujero de gusano. Autor: Arado.

Un agujero de gusano consistiría en una singularidad (un agujero negro) opuesta y que se comunica con un agujero blanco: poniendo en contacto dos universos.

El término de “agujero de gusano” fue propuesto en 1956 por John Wheeler. Einstein y Rosen proponen igualmente que las singularidades puedan conducir a otros lugares del Universo, otras regiones del espacio y del tiempo. Estas conexiones espacio-temporales se conocen bajo el nombre de “puentes de Einstein-Rosen”. Serían precisamente esas puertas espacio-temorpales que conducen a otros universos.

Pero, ¿qué interés tienen estas especulaciones? Pues ni más ni menos que los viajes en el espacio. Las 2 extremidades del agujero de gusano pueden unir dos puntos muy distantes en el universo: ¡pasar a través del agujero de gusano permitiría viajar más rápidamente que la velocidad de luz!

Imaginaros por un momento que el universo es una manzana, podemos viajar a través de la piel o cavar un “agujero de gusano” en lo que sería un camino mucho más corto. Pero es que además, hay teorías que afirman que sería posible viajar en el tiempo gracias a los agujeros de gusano.

¿Por qué crecen los agujeros negros? Si los agujeros negros captan todo lo que hay a su alrededor sin posibilidad de escapar, el universo sería finalmente engullido por estos.

En primer lugar, el aumento de un agujero negro no es infinito: necesita materia que tragar. Una vez que hace vacío a su alrededor, el agujero negro se “duerme”, no se muere. Eso es lo que explica que el centro de algunas galaxias, en particular, la mayoría de galaxias cercanas parecen no tener cerca un agujero negro super-masivo. Al contrario que las galaxias lejanas de las que vemos la imagen de su “juventud”.

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Como nada puede escapar a un agujero negro, su evolución depende de un aumento de su masa. La evaporación, definida por Stephen Hawking, es la idea según la cual un agujero negro puede perder de la masa y disminuir de importancia. “Los agujeros negros se evaporan lentamente si son muy grandes, pero mucho más rápidamente si es pequeño”.

¿Cómo? Es necesario recurrir a la física cuántica. En proximidad de la superficie, la energía gravitacional puede ser bastante importante para que se creen partículas virtuales. La mayoría serán absorbidas por el agujero negro. Sin embargo algunos escaparán de nuevo, y en consecuencia de una determinada manera extraerán de la masa y la energía al agujero negro.
Esta emisión de partículas, llamada la radiación Hawking, explica que los agujeros negros se evaporen con el tiempo. Lentamente si son muy masivos, pero mucho más rápidamente si se trata de pequeños agujeros negros. Se considera así que los agujeros negros residuos de estrellas desaparecerán de aquí a 10exp65 años, los agujeros negros supermassifs en 10exp90 años y más masivos en 10exp100 años.

¿Cómo ver lo invisible? ¡Buscar un agujero negro en el espacio es intentar distinguir una mancha negra sobre un fondo negro! Puesto que no se escapa nada de los agujeros negros, imposible de observarlos “directamente”.

Con todo, algunos agujeros negros son responsables de una liberación de energía colosal. Por supuesto, esta energía no viene de ellos (no sale nada de un agujero negro) sino de gases que están en órbita alrededor (en un disco llamado “disco de aumento”), en una espiral que termina en el agujero negro.

Existe otro fenómeno luminoso mucho más simple de observar cerca de un agujero negro activo: el desfase de la luz hacia el rojo, llamado desfase gravitacional. Este fenómeno se debe al hecho de que el tiempo en un espacio-tiempo curvo, como al enfoque de un agujero negro, “se retrasa”. El horizonte de un agujero negro activo parece pues “rojo”.

Los agujeros negros pueden ser detectados por los efectos que causan sobre las estrellas circundantes. Un agujero negro es en efecto tan compacto que la diferencia de aceleración gravitacional entre dos puntos puede inducir una fuerza, dicha “marea” tiende a estirar los objetos que pasan cerca del horizonte. Una estrella puede así dislocarse acercándose a un agujero negro, liberando una gran cantidad de gas.

Para rematar el artículo al valiente que haya leído hasta aquí viene mi pregunta, ¿de verdad existen los agujeros negros? Una concentración de una masa terminada de materia en un volumen de valor nulo y densidad infinita… es un concepto difícil de aceptar para un físico.

¡Todo depende del sentido otorgado al verbo existir! Matemáticamente hablando, un agujero negro es definido perfectamente por las ecuaciones ligadas a la teoría de Einstein. En la práctica, los indicios de la existencia de agujeros negros se acumulan, pero no tenemos pruebas formales.

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Foto: Nasa

Además, a nivel de observación, los candidatos a agujeros negros se revelan todos ser estrellas de neutrones. Ya no sigue siendo más que los candidatos agujeros negros súper-masivos que se encontrarían en el centro de galaxias. Y por el momento, todos los fenómenos observados (emisiones de rayos X y gamma, de zonas muy densas…) son explicables por teorías diferentes a la de los agujeros negros.

Por eso los físicos intentan arreglar la teoría de los agujeros negros para explicar sus bizarradas: una fuerte concentración de materia, daría lugar a la existencia de “otra física”. Eso parece legítimo: muy a pequeña escala, la teoría de la gravitación no es ya pertinente, es necesario entonces recurrir a la física cuántica.

Por último, algunos científicos desearían que se hablara de “casi agujero negro”. Se trataría de objetos que emiten un campo muy fuerte pero que no se puede identificar con el objeto límite (matemáticas) agujero negro. De la misma manera que el concepto de masa específica es un objeto límite (físicamente irrealista) pero útil para estudiar cuerpos esféricos.

Es como el que niega la existencia del astro rey tapándose bajo un toldo. ¡Resumidamente, otra manera de escaparse a los problemas planteados por la teoría de los agujeros negros consiste en decir que no existen en la práctica!

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