Agujeros negros

Devorador de estrellas

Albert Einstein consideraba que el concepto de agujero negro –una estrella colapsada tan densa que ni siquiera la luz puede escapar de su atracción– era demasiado absurdo para ser real.

11 de abril de 2014

El Sol es de dimensiones medianas para ser una estrella, y cuando dentro de unos 5.000 millones de años haya consumido todo el hidrógeno que le sirve de combustible, se desprenderá de las ca­­pas exteriores y su núcleo se volverá cada vez más compacto hasta convertirse en una enana blanca: un ascua del cosmos del tamaño de la Tierra.

Para una estrella diez veces mayor que el Sol, la muerte es bastante más espectacular. Sus capas externas salen despedidas al espacio en una explosión de supernova, que durante un par de semanas es uno de los objetos más brillantes del universo, mientras que el núcleo se comprime por efecto de la gravedad hasta formar una estrella de neutrones: una esfera giratoria de unos 20 kilómetros de diámetro. El fragmento de una estrella de neutrones del tamaño de un terrón de azúcar pesaría 1.000 millones de toneladas en la Tierra. La atracción gravitatoria de una de esas estrellas es tan intensa que si dejáramos caer sobre ella una bola de algodón, el impacto generaría tanta energía como una bomba atómica.

Pero eso no es nada en comparación con la agonía final de una estrella 20 veces más masiva que nuestro Sol. Si detonáramos una bomba como la de Hiroshima cada milisegundo de todo el tiempo de vida del universo, no llegaríamos a igualar la energía liberada en los momentos finales del colapso de una estrella gigante. El núcleo de la estrella implosiona. Las temperaturas alcanzan los 55.000 millones de grados. Nada puede contrarrestar la aplastante fuerza de la gravedad. Trozos de hierro más grandes que el Everest quedan compactados casi al instante en simples granos de arena. Los átomos se disgre­gan en electrones, protones y neutrones, partículas diminutas que también son trituradas en quarks, leptones y gluones. Y así sucesivamente, adquiriendo un volumen cada vez más pequeño y más denso, hasta…
Hasta no se sabe qué. En los intentos de explicar tan crucial fenómeno, las dos grandes teorías que describen el funcionamiento del universo –la relatividad general y la mecánica cuántica– parecen volverse locas.

La estrella se ha convertido en agujero negro.

Lo que hace de un agujero negro el abismo más oscuro del universo es la velocidad que se necesita para escapar de su campo gravitatorio. Para huir de la gravedad de la Tierra hay que acelerar hasta lograr una velocidad de unos 11 kilómetros por segundo. Es mucho (unas seis veces más rápido que una bala), pero desde 1959 existen cohetes capaces de hacerlo. El límite universal de la velocidad es 299.792 kilómetros por segundo: la velocidad de la luz. Pero ni siquiera esa velocidad es suficiente para escapar de la atracción de un agujero negro. Por lo tanto, nada que esté dentro de un agujero negro puede salir, ni siquiera un rayo de luz. Y a causa de ciertos efectos de la gravedad extrema, ni siquiera es posible asomarse y mirar. Un agujero negro es un lugar aislado del resto del universo. La línea divisoria entre el interior y el exterior se denomina horizonte de sucesos. Cualquier cosa que atraviese ese horizonte –una estrella, un planeta, una persona– se pierde para siempre.
Albert Einstein, uno de los pensadores más imaginativos de la historia de la física, nunca creyó que los agujeros negros fuesen reales. Sus fórmulas permitían su existencia, pero su intuición le decía que la naturaleza no podía albergar semejantes objetos. Desde su punto de vista, lo más contra natura era que la gravedad fuese ca­paz de derrotar a las otras fuerzas supuestamente más poderosas –la electromagnética y la nuclear–, hasta el punto de borrar del universo el núcleo de una estrella enorme.
Einstein no era el único escéptico. En la primera mitad del siglo XX la mayoría de los físicos rechazaba la idea de que un objeto pudiera alcanzar una densidad tal que no dejara escapar la luz.
Aun así, ya en el siglo XVIII algunos científicos se planteaban esa posibilidad. El filósofo inglés John Michell mencionó la idea en un informe a la Royal Society de Londres en 1783, y el matemático francés Pierre-Simon Laplace predijo su existencia en un libro publicado en 1796. Nadie llamaba agujeros negros a esas curiosidades superdensas, sino estrellas congeladas, estrellas oscuras, estrellas colapsadas o singularidades de Schwarzschild. El nombre de «agujero negro» se usó por primera vez en 1967, durante una conferencia impartida por el físico estadounidense John Wheeler en la Universidad de Columbia.
Hacia la misma época se produjo un cambio radical en las ideas sobre los agujeros negros, básicamente debido a la invención de nuevas for­mas de ver el firmamento. Desde los albores de la humanidad, nuestras observaciones se habían visto limitadas al espectro visible de la luz. Pero en la década de 1960 empezaron a usarse teles­copios de rayos X y radiotelescopios, los cuales, al captar la luz en longitudes de onda que atraviesan el polvo interestelar, nos permiten ver el interior de las galaxias del mismo modo que vemos los huesos en una radiografía.
Se descubrió entonces que la mayoría de las galaxias (¡y hay más de 100.000 millones en el universo!) tienen en el centro un abigarrado bulbo de estrellas, gas y polvo. Y en el corazón de ese caótico bulbo, prácticamente todas las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, albergan un objeto tan masivo y compacto, caracterizado por un campo gravitatorio tan feroz, que se mida como se mida, solo puede ser un agujero negro.
Esos agujeros son enormes. El del centro de la Vía Láctea tiene la masa de 4,3 millones de soles. En Andrómeda, una de nuestras galaxias vecinas, hay uno 100 millones de veces más masivo que el Sol. Se cree que otras galaxias contienen agujeros negros de masa equivalente a 1.000 millones de soles, y que incluso hay monstruos 10.000 millones de veces más masivos que nuestro Sol. Pero ninguno comenzó su existencia con esas dimensiones desmesuradas, sino que fueron ganando masa con cada «comida».
En el transcurso de una sola generación de astrofísicos, los agujeros negros pasaron de ser prácticamente una broma –la reducción al ab­­surdo de unas cuantas fórmulas matemáticas– a convertirse en hechos ampliamente aceptados. Incluso han resultado ser bastante comunes. Probablemente hay billones en todo el universo.

Nadie ha visto nunca un agujero negro, y nadie lo verá jamás, porque no hay nada que ver. No es más que una laguna en el espacio, «una enorme cantidad de nada», dicen los físicos. Su presencia se deduce por los efectos que causan en el espacio circundante. Es como asomarse a una ventana y ver todos los árboles inclinados en la misma dirección. Será forzoso suponer que está soplando un viento fuerte, aunque invisible.
Cuando preguntamos a los expertos qué probabilidad hay de que los agujeros negros realmente existan, la respuesta generalizada es un 99,9 %. Si no hay agujeros negros en el centro de la mayoría de las galaxias, entonces tiene que haber algo mucho más raro e increíble. Pero todas las dudas pueden quedar disipadas en cuestión de meses, cuando los astrónomos consigan espiar a uno de esos monstruos mientras come.
El agujero negro del centro de la Vía Láctea, situado a 26.000 años luz de la Tierra, se conoce como Sagitario A* (abreviado Sgr A*). Actualmente es una bestia tranquila y nada voraz, pero hay otras galaxias que contienen auténticos Godzillas destructores de estrellas y devoradores de planetas, llamados quásares.
Sin embargo, Sgr A* se está preparando para la cena. Está atrayendo una nube de gas llamada G2 a una velocidad de unos 3.000 kilómetros por segundo. Dentro de apenas un año G2 se acercará al horizonte de sucesos, y en ese mo­­mento los radiotelescopios de todo el mundo estarán apuntando a Sgr A*. Mediante la sincronización de todos esos instrumentos para formar un observatorio que tendrá el tamaño del planeta y se llamará Telescopio del Horizonte de Sucesos, es de esperar que se pueda captar la imagen de un agujero negro en acción. En reali­dad no veremos el agujero en sí, sino probablemente lo que se conoce como disco de acreción, un anillo de residuos que traza el contorno del agujero, algo así como las migas que quedan en el mantel después de una comida suculenta. Esta prueba debería ser suficiente para disipar prácticamente todas las dudas respecto a la existencia de los agujeros negros.
Además de confirmar su existencia, quizá nos ayuden a determinar la composición del universo. La materia que se precipita hacia un agujero negro produce gran cantidad de calor a causa de la fricción. Por otro lado, los agujeros negros giran sobre sí mismos –de hecho, son profundos remolinos en el espacio–, y la combinación de fricción y rotación hace que una parte importante de la materia dirigida hacia el agujero negro, a veces más del 90 %, no llegue a atravesar el horizonte de sucesos sino que salga despedida en otra dirección, como las chispas que saltan de la rueda de un afilador.
Esa materia caliente es canalizada en chorros que se alejan del agujero negro a velocidades extraordinarias, normalmente apenas algo in­­feriores a la velocidad de la luz. Los chorros pueden extenderse a través de millones de años luz y cruzar de parte a parte una galaxia. Dicho de otro modo, los agujeros negros revuelven y agitan las estrellas viejas del centro galáctico y proyectan hacia la periferia los gases calientes generados en el proceso. Con el tiempo, los gases expulsados se enfrían, se amalgaman y forman nuevas estrellas, lo que constituye para la galaxia una especie de fuente de la juventud.

Es importante aclarar un par de cuestiones respecto a los agujeros negros. En primer lugar está la idea, popularizada por la ciencia ficción, de que estos objetos «engullen» todo cuanto está a su alrededor. En realidad, un agujero negro no tiene más poder de «succión» que una estrella corriente, lo que ocurre es que posee una atracción gravitatoria extraordinariamente intensa para el tamaño que tiene. Si de pronto nuestro Sol se convirtiera en un agujero negro (no va a pasar, pero imaginémoslo), seguiría teniendo la misma masa, pero su diámetro se reduciría de 1.392.000 kilómetros a menos de 6,5. La Tierra sería un mundo frío y oscuro, pero su órbita alrededor del Sol no sufriría ningún cambio. El Sol convertido en agujero negro ejercería la misma atracción gravitatoria sobre nuestro planeta que si mantuviera su tamaño actual. Del mismo modo, si la Tierra se convirtiera en un agujero negro, conservaría su masa actual de 6.000 trillones (un 6 seguido de 21 ceros) de toneladas, pero concentrada en el volumen de una canica. Sin embargo, la Luna seguiría orbitando como siempre a su alrededor.
Así pues, los agujeros negros no «succionan» lo que tienen a su alrededor. Hasta aquí, fácil. El siguiente tema –el tiempo– es un poco más complicado. La relación entre el tiempo y los agu­jeros negros es bastante extraña. De hecho, el concepto de tiempo (olvidemos por un momento los agujeros negros) ya es de por sí un poco raro. Todos hemos oído la frase: «El tiempo es relativo». Eso significa que el tiempo no avanza al mismo ritmo para todos. El tiempo, como des­cubrió Einstein, se ve afectado por la gravedad. Si colocamos relojes extremadamente precisos en las distintas plantas de un rascacielos, todos funcionarán a diferente velocidad. Los de los pisos más bajos (más cercanos al centro de la Tierra, donde la gravedad es más fuerte) serán algo más lentos que los de las plantas superiores. Nosotros no notamos el efecto porque la diferencia es infinitesimal, de apenas billonésimas de segundo. Los relojes de los satélites de posicionamiento global se regulan para que su funcionamiento sea ligeramente más lento que el de los que están en la superficie de la Tierra; de lo contrario, los GPS serían menos precisos.
Los agujeros negros, con su increíble campo gravitatorio, son básicamente máquinas del tiempo. Imaginemos que nos subimos a un cohete rumbo a Sgr A* y nos acercamos todo lo posible al horizonte de sucesos, pero sin atravesarlo. Por cada minuto que pasemos allí, transcurrirán mil años en la Tierra. Es difícil creerlo, pero es lo que pasaría. La gravedad vence al tiempo.
Y si cruzamos el horizonte de sucesos, ¿entonces qué? Una persona que nos observara desde fuera no nos vería caer en el agujero. Le parecería que estamos congelados justo al borde del mismo, por un período infinito de tiempo.
Pero técnicamente no sería un tiempo infinito. Nada dura eternamente, ni siquiera los agujeros negros. El físico británico Stephen Hawking demostró que los agujeros negros tienen fugas –escapes que reciben el nombre de radiación de Hawking–, y que transcurrido el tiempo suficiente, se evaporarían por completo. Claro que estamos hablando de trillones y trillones de años. Tanto tiempo que probablemente en un futuro lejano los agujeros negros serán los únicos objetos que aún queden en el universo.

Un observador externo, como ya hemos visto, no nos vería escurrirnos en el agujero negro, ¿pero qué nos pasaría a nosotros? Sgr A* es tan grande que su horizonte de sucesos tiene un radio de unos 13 millones de kilómetros. Los físicos no se ponen de acuerdo respecto a lo que sucedería en el momento de atravesarlo. Es posible que dié­ramos con una especie de «cortafuegos» y quedáramos reducidos a cenizas nada más tocarlo.
Sin embargo, la teoría de la relatividad general predice que ocurriría otra cosa al traspasar el horizonte de sucesos: absolutamente nada. Lo atravesaríamos sin notar nada, sin darnos cuenta de que hemos desaparecido para el resto del universo. Al principio estaríamos bien, y nuestro reloj de pulsera seguiría funcionando como siempre. Suele decirse que los agujeros negros son infinitamente profundos, pero no es cierto. Tienen fondo, pero no viviríamos para verlo. Al caer, la gravedad se haría más intensa. Si cayéramos con los pies por delante, el tirón gravitatorio sería muchísimo más fuerte en los pies que en la cabeza, hasta el punto de que nos estiraría y acabaría desgarrándonos. Los físicos dicen que la fuerza gravitatoria nos «espaguetizaría».
Pero nuestros pedazos alcanzarían el fondo. En el centro de un agujero negro existe una cosa misteriosa llamada singularidad. Entender una singularidad sería uno de los mayores avances científicos de la historia. Primero habría que in­­ventar una nueva teoría, una que fuese más allá de la relatividad general de Einstein, que explica el movimiento de las estrellas y las galaxias, y más allá de la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de las partículas subatómicas. Ambas teorías son buenas aproximaciones de la realidad, pero en un lugar tan extremo como el interior de un agujero negro, ninguna de las dos es aplicable.
Imaginamos las singularidades como algo extremadamente pequeño, más que diminuto. Si ampliáramos una singularidad un trillón de veces, ni siquiera el microscopio más potente estaría cerca de distinguirla. Pero dentro del agujero negro hay algo, al menos en un sentido matemático. Y ese algo no solo es pequeñísimo, sino también increíblemente masivo. Sin embargo, no tratemos de entenderlo. Aunque la inmensa mayoría de los físicos cree que los agujeros negros existen, los consideran el enigma definitivo. Son impenetrables. Nunca sabremos qué hay en el interior de una singularidad.
Pero un par de pensadores poco ortodoxos disienten. En los últimos años cada vez son más los físicos teóricos que aceptan la idea de que nuestro universo no es lo único que existe. Según ellos, vivimos en lo que se conoce como un multiverso: una vasta colección de universos, cada uno comparable a una burbuja o un agujero en el queso Emmental de la realidad. Este debate es sumamente especulativo, pero es posible que para crear un universo nuevo haya que coger una cantidad de materia de otro ya existente, compactarla y separarla definitivamente del resto.
¿Os suena? Después de todo, sabemos lo que sucedió por lo menos con una singularidad. Nuestro universo comenzó hace 13.800 millones de años con una tremenda explosión, el Big Bang. Un instante antes, todo estaba concentrado en una mota increíblemente pequeña y masiva: una singularidad. Tal vez el multiverso se pueda comparar con un roble, que de vez en cuando deja caer una bellota. Si la bellota cae en suelo idóneo, germina de golpe. Quizá suceda lo mismo con una singularidad, la semilla de un nuevo universo. Y lo mismo que un roble joven, nunca enviaremos una nota de agradecimiento al universo que nos produjo. De hecho, para que el mensaje saliera de nuestro universo, tendría que viajar a mayor velocidad que la luz. ¿Os suena también?
Las pruebas de lo que podría haber en el interior de un agujero negro son convincentes. Mirad a la izquierda y a la derecha. Pellizcaos. Quizá se haya originado un agujero negro en otro universo. Y es posible que nosotros estemos viviendo en su interior.

Haz clic en este enlace para conocer la última teoría de Stephen Hawking sobre los
agujeros negros.

Universo Agujeros negros Estrellas Física
Outbrain