septiembre 2020 - IV Año

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El enigma de los agujeros negros

 

El universo no sólo es más extraño de lo que nos imaginamos. Es más extraño de lo que nos podemos imaginar. (J.B.S. Haldane)

Los agujeros negros son uno de los objetos celestes más asombrosos que podemos encontrar en el universo. Estas increíbles estructuras que rasgan el espacio-tiempo y que no permiten que nada, ni siquiera la luz, se escape de su atracción gravitatoria son casi incomprensibles.

Un agujero negro consta de dos elementos fundamentales: primero, en su interior, lo que en física se denomina singularidad espaciotemporal, un punto de densidad infinita o curvatura ilimitada. Esta singularidad esta oculta tras el horizonte de sucesos y no podemos verla. Solamente si entráramos dentro de un agujero negro sabríamos lo que ocurre en su interior, aunque seguramente no saldríamos con vida de este viaje, ya que sufriríamos el efecto de ‘espagetización’ (nuestro cuerpo se alargaría como un espagueti).

Segundo, el horizonte de sucesos, que es la distancia en torno a la singularidad a partir de la cual la atracción es irreversible y más allá de la cual nos es imposible observar ningún suceso.

Por definición, los agujeros negros son regiones del espacio donde la gravedad es tan fuerte que nada en su interior puede escapar.

La fuerza de la gravedad es tan intensa que desgarra el espacio-tiempo, de tal manera que el espacio y el tiempo dejan de ser tal y como los entendemos, pasando a intercambiar sus papeles: el espacio es tiempo y el tiempo es espacio.

Al atravesar el horizonte de sucesos y acercarnos a la singularidad el tiempo se detiene, el espacio deja de existir y se alcanza la densidad infinita.

Ahora intentemos visualizar como es un agujero negro. En primer lugar, aunque lo vemos representado infinidad de veces como una especie de desagüe o sumidero cósmico, esto sólo es una representación bidimensional para una mejor comprensión de su funcionamiento. Pero un agujero negro es una estructura oscura esferoidal (a veces más parecida a una elipse), como la percibimos desde fuera del horizonte de sucesos, como lo son, solo a modo de ejemplo y salvando las distancias, los planetas y las estrellas.

En el interior de esa esfera esta la singularidad y en el borde exterior el horizonte de sucesos. Una vez que cruzamos este punto de no retorno, las leyes de la relatividad general y las de la mecánica cuántica se entremezclan de una forma desconocida a día de hoy.

Aunque estos objetos son ‘invisibles’, si pueden ser vistos en el rango del espectro electromagnético que corresponde a los rayos x. Cuando la materia cae formando un disco de acreción (agregación de materia a un cuerpo), alrededor del agujero negro se producen chorros de plasma perpendiculares a estos discos, alcanzando millones de años-luz de distancia, formándose así una de las estructuras más espectaculares del cosmos, lo que nos permite captarlo en la frecuencia de onda de los rayos x. Además, será necesario que existan ciertas alteraciones gravitacionales para poder confirmar su presencia.

Pero ¿cómo surgen estos objetos?, ¿qué ha tenido que pasar para poder formarse algo así?

Primero pensemos en una estrella supermasiva, una supergigante azul o una supergigante roja, de unas 30 veces la masa del sol y un tamaño 800 veces mayor que nuestra estrella, donde cabrían cerca de 1.000 millones de tierras. Está al final de su vida y ha agotado su ‘combustible’ interno, el hidrógeno, comenzando a producir elementos más pesados para luchar contra la gravedad que la empuja sobre sí misma.

Agujero negro película ‘Interstelar’

Finalmente cuando el núcleo de la estrella ya no sea capaz de generar la energía necesaria para sostener la estructura, no podrá detener su colapso, comprimiéndose las capas interiores y liberando en una explosión gigantesca, de proporciones cósmicas, las capas exteriores para formar una supernova. La fuerza de la gravedad en otras estrellas menos masivas se equilibra, y dan lugar a enanas blancas o a las fascinantes estrellas de neutrones. Pero en nuestro caso el proceso es irreversible, la materia se sumerge progresivamente hacia el punto central retorciendo el tejido que constituye el espacio-tiempo para generar un agujero negro.

En ese momento aparece la singularidad y en torno a esta una esfera oscura con un radio de decenas de kilómetros, cuyo límite o ‘superficie’ se conoce como horizonte de sucesos o radio de Schwarzschild. Una vez que lo cruzaramos nos sería imposible regresar.

Se producirá una deformación del espacio-tiempo por donde la materia va cayendo. La geometría de la curvatura producida por el agujero negro da lugar a una especie de ‘embudo’ o ‘desagüe’, que va incrementándose hasta el infinito en la región más interna del cono.

Esta distorsión del espacio-tiempo que provocan los agujeros negros ha dado lugar a la hipótesis de la existencia de agujeros de gusano, objetos que conectarían dos regiones del universo o universos paralelos.

Por su origen o formación hay dos tipos de agujeros negros. Los agujeros negros estelares y los agujeros negros galácticos. Los primeros, como ya hemos visto, surgen tras la muerte de una estrella muy masiva. Los segundos son agujeros negros supermasivos con masas de más de 4 millones de soles y un tamaño equivalente o superior a la distancia entre el Sol y la Tierra.

Se desconoce el origen de estos agujeros negros supermasivos, algunas teorías los relacionan con el universo primigenio. Lo que sí se sabe es que están en el centro de la mayoría de las galaxias conocidas.

NASA-Agujero negro supermasivo Sagittarius A* en el centro de nuestra galaxia

También en la Vía Láctea, como en otras galaxias, hay un misterioso objeto en su centro, a unos 26.000 años-luz de la Tierra, oculto tras millones de estrellas y nubes de gas y polvo que giran a su alrededor, existe un lugar con un campo gravitatorio tan gigantesco que solo una fuente de gran masa podría ejercer esa fuerza. Esa fuente indetectable es un gigantesco agujero negro, cuyo nombre es Sagittarius A*, en la dirección del brazo de Sagitario (de la Vía Láctea). Con 4 millones de masas solares y un horizonte de sucesos de 24 millones de kilómetros de diámetro, 17 veces más que el Sol.

Hay agujeros negros supermasivos en el centro de otras galaxias., es el caso de la galaxia M87 a 50 millones de años-luz de nosotros, en donde existe un agujero negro de 6.000 millones de masas solares, que haría que las estrellas y nubes de gas a una distancia de 60 años-luz giraran alrededor de él a 2 millones de kilómetros por hora. Pero, a 220 millones de años-luz, en la galaxia NGC 1277 existiría un agujero negro de ¡17.000 millones de masas solares!. El tamaño hasta su horizonte sería de 2 días-luz. Estos números nos dan una idea de las magnitudes de semejantes objetos, algo inimaginable, y de los lugares más insólitos del universo.

Como curiosidad el Sistema Solar (el Sol, los planetas, las lunas, los asteroides, los plutoides, los cometas, el cinturón de Kuiper, la nube de Oort y demás objetos del sistema) tarda 226 millones de años terrestres en orbitar al centro de la galaxia, donde se encuentra Sagittarius A*, a esto se lo conoce como Año Galáctico o Año Cósmico.

Los agujeros negros pueden ser de diversos tipos por su masa, carga eléctrica y momento angular: agujero negro de Schwarzschild o estático, agujero negro de Keer o en rotación y agujero negro de Reissner-Nordström o con carga eléctrica-estático.

En último lugar nos preguntamos si estos objetos tan increíbles seguirán ahí siempre impasibles e inalterables o de lo contrario tienen algún final. Algunos de ellos se fusionarán tras impresionantes choques entre agujeros negros, culminando con el estallido de ondas gravitacionales y dando lugar a un agujero negro más masivo.

Stephen Hawking y su aportación sobre la evaporación de los agujeros negros explica como los agujeros negros cederían energía, en un complejo proceso entre partículas y antipartículas en el horizonte de sucesos. Y por lo tanto desprenderían temperatura (-273 ºC, casi indetectable). La radiación emitida se conoce como radiación de Hawking.

Pudiera ser que los agujeros negros estelares desapareciesen de aquí a 1065 años, es decir, un millón de billones de billones de billones de billones de billones de años, los agujeros negros supermasivos en 1090 años y los más masivos en 10100 años.

¿Quizas llegue a su fin el Universo, tal como lo conocemos, antes que los agujeros negros?…

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