Artículo publicado por Ali Sundermier el 12 de enero de 2016 en Symmetry Magazine
Déjate introducir en el enigmático mundo de los agujeros negros.
Imagina, en algún lugar de la galaxia, el cadáver de una estrella tan densa que rasga el tejido del espacio y del tiempo. Tan densa que devora cualquier materia a su alrededor que esté lo suficientemente cerca, atrayéndola en un remolino de gravedad del que nada, ni siquiera la luz, puede escapar.
Y una vez que esta materia cruza el punto de no retorno, el horizonte de sucesos, cae en una espiral sin remedio hacia un punto infinitamente pequeño, un punto donde el espacio-tiempo está tan curvado que todas nuestras teorías colapsan: la singularidad. Nadie sale vivo de allí.
Los agujeros negros suenan a algo demasiado extraño como para ser verdad, pero en realidad son bastante comunes en el espacio. Hay docenas de ellos conocidos y, probablemente, millones más en la Vía Láctea, y miles de millones merodeando por ahí fuera. Los científicos también creen que podría haber agujeros negros supermasivos en el centro de cada galaxia, incluyendo la nuestra. La formación y dinámica de estas monstruosas curvaturas del espacio-tiempo ha desconcertado a los científicos desde hace siglos.
Agujero negro Crédito: April Hobart
Una historia de agujeros negros
Todo empezó en Inglaterra en 1665, cuando una manzana cayó de la rama de un árbol e impactó en el suelo. Al observar esto desde su jardín en Woolsthorpe Manor, Isaac Newton empezó a pensar en el descenso de la manzana: un hilo de pensamiento que, dos décadas más tarde, terminó con la conclusión de que debe haber algún tipo de fuerza universal que gobierne el movimiento de las manzanas y las balas de cañón, e incluso de los cuerpos planetarios. La llamó gravedad.
Newton se dio cuenta de que cualquier objeto con masa tendría un tirón gravitatorio. Halló que, conforme aumenta la masa, la gravedad también lo hace. Para escapar de la gravedad de un objeto se necesita alcanzar la velocidad de escape. Para escapar de la gravedad terrestre, tendrías que viajar a unos 11 kilómetros por segundo.
Fue el descubrimiento de Newton de las leyes de la gravedad y el movimiento lo que, 100 años más tarde, llevó al Reverendo John Michell, un erudito británico, a la conclusión de que si hubiese una estrella mucho más masiva, o mucho más comprimida, que el Sol su velocidad de escape podría sobrepasar incluso la velocidad de la luz. Llamó a estos objetos “estrellas oscuras”. Doce años después, el científico y matemático francés Pierre Simon de Laplace llegó a la misma conclusión, y ofreció una demostración matemática de la existencia de lo que ahora conocemos como agujeros negros.
En 1915, Albert Einstein propuso se revolucionaria teoría general de la relatividad, que consideraba al espacio y al tiempo como un objeto tetradimensional curvado. En lugar de ver la gravedad como una fuerza, Einstein la vio como una curvatura del propio espacio y tiempo. Un objeto masivo, como el Sol, crearía una mella en el espacio y el tiempo, un pozo gravitatorio que provocaría que cualquier objeto a su alrededor, como los planetas de nuestro Sistema Solar, siguieran un camino curvado a su alrededor.
Un mes más tarde de que Einstein publicase su teoría, el físico alemán Karl Schwarzschild descubrió algo fascinante en las ecuaciones de Einstein. Schwarzschild encontró una solución que llevó a los científicos a la conclusión de que una región del espacio podría curvarse tanto que crearía un pozo gravitatorio del que ningún objeto podría escapar.
Hasta 1967 estas misteriosas regiones del espacio-tiempo no tenían un nombre universal. Los científicos usaban algunos como “colapsar”, o “estrella helada” cuando debatían sobre los puntos oscuros con una gravedad de la que nada podía escapar. En una conferencia en Nueva York, el físico John Wheeler popularizó el término “agujero negro”.
Cómo encontrar un agujero negro
Durante la formación de una estrella, la gravedad comprime la materia hasta que se ve detenida por la presión interna estelar. Si la presión interna no detiene la compresión, puede darse como resultado la formación de un agujero negro.
Algunos agujeros negros se forman en el colapso de estrellas masivas. Otros, según piensan los científicos, se formaron en los inicios del universo, mil millones de años después del Big Bang.
No hay límites a lo inmenso que puede ser un agujero negro, a veces de más de mil millones de veces la masa del Sol. De acuerdo con la relatividad general, tampoco hay límite a lo pequeños que pueden ser (aunque la mecánica cuántica sugiere otra cosa). Los agujeros negros aumentan su masa cuando devoran la materia que se encuentra a su alrededor. Los agujeros negros más pequeños acretan materia de una estrella compañera, mientras que los más grandes se alimentan de cualquier materia que se acerque demasiado.
Los agujeros negros contienen un horizonte de sucesos, más allá del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Dado que no puede salir la luz, es imposible ver más allá de esta superficie del agujero negro, pero sólo porque no puedas verlo, no significa que no puedas detectarlo.
Los científicos pueden detectar agujeros negros observando el movimiento de las estrellas y el gas cercano, así como la materia acretada en sus alrededores. Esta materia cae hacia el agujero negro creando un disco plano conocido como disco de acreción. La materia pierde energía y emite radiación en forma de rayos-X y otra radiación electromagnética antes de que finalmente pase el horizonte de sucesos.
Así es como los astrónomos identificaron Cygnus X-1 en 1971. Cygnus X-1 se halló formando parte de un sistema estelar binario en el cual una estrella extremadamente brillante y caliente, de un clase conocida como supergigantes azules, formó un disco de acreción alrededor de un objeto invisible. El sistema estelar binario emitía rayos-X, que normalmente no se producen en las supergigantes azules. Calculando la distancia a la que se encontraba y la velocidad a la que se movía la estrella visible, los astrónomos pudieron calcular la masa del objeto invisible. Aunque se encontraba comprimida en un volumen menor que el de la Tierra, la masa del objeto era de seis veces la de nuestro Sol.
Hay distintos experimentos para estudiar los agujeros negros. El Telescopio de Horizonte de Sucesos buscará agujeros negros en los núcleos de nuestra galaxia y una galaxia cercana, M87. Su resolución es lo bastante alta como para tomar imágenes del gas que fluye alrededor del horizonte de sucesos.
Los científicos también pueden hacer mapas de reverberación, usando telescopios de rayos-X para buscar diferencias de tiempo entre las emisiones de distintas zonas cercanas al agujero negro para comprender las órbitas del gas y los fotones alrededor del agujero negro.
El observatorio LIGO busca identificar fusiones de dos agujeros negros, lo cual emitiría radiación gravitatoria, u ondas gravitatorias, al unirse ambos objetos.
Además de los discos de acreción, los agujeros negros también tienen vientos y chorros increíblemente brillantes que surgen de su eje de rotación, disparando materia y radiación casi a la velocidad de la luz. Los científicos aún están trabajando para comprender cómo se forman estos objetos.
Lo que no sabemos
Los científicos han aprendido que los agujeros negros no son tan negros como se pensaba en una época. Parte de la información podría escapar de ellos. En 1974, Stephen Hawking publicó unos resultados que demostraban que los agujeros negros debería irradiar energía, conocida como radiación de Hawking.
Constantemente se producen pares de materia-antimateria en todo el universo, incluso en el borde exterior de un horizonte de sucesos de un agujero negro. La teoría cuántica predice que una partícula podría ser arrastrada al interior antes de que el par pueda aniquilarse y, por tanto, podría escapar en forma de radiación de Hawking. Esto contradice la descripción de la relatividad general en la que nada puede escapar de un agujero negro.
Pero conforme el agujero negro emite radiación de Hawking, se evapora lentamente hasta que, finalmente, se desvanece. Entonces, ¿qué sucede con toda la información codificada en su horizonte? ¿Desaparece, lo cual violaría la mecánica cuántica, o se conserva, como ésta predice? Una teoría propone que la radiación de Hawking contiene toda la información. Cuando un agujero negro se evapora y desaparece, ya se ha conservado toda la información que cayó en su interior, irradiándola al universo.
Los agujeros negros dan a los científicos una oportunidad de poner a prueba la relatividad general en campos gravitatorios extremos. Ven estos objetos como una oportunidad de dar respuesta a una de las mayores preguntas de la física de partículas: ¿Por qué no podemos hacer que encajen la mecánica cuántica y la relatividad general?
Más allá del horizonte de sucesos, los agujeros negros se curvan en uno de los misterios más oscuros de la física. Los científicos no pueden explicar qué sucede cuando un objeto cruza el horizonte y cae hacia la singularidad. La relatividad general y la mecánica cuántica colisionan y las ecuaciones de Einstein explotan con soluciones infinitas. Los agujeros negros podrían incluso alojar portales, conocidos como agujeros de gusano, hacia otros universos. y violentas fuentes de materia y energía, conocidas como agujeros blancos, aunque parece muy improbable que la naturaleza permita la existencia de estas estructuras.
A veces, la realidad supera a la ficción.
