“Si miras fijamente al abismo, el abismo te devuelve la mirada”
-friedrich nietzsche
Los agujeros negros son, sin lugar a duda, uno de los objetos más fascinantes de la física moderna, incluso llegando a inmiscuirse en la cultura pop a través del cine y la ciencia ficción. Sin embargo, hubo un tiempo en el que no se les consideraba más que una artimaña matemática sin lugar en la realidad. Y aun así, hoy, más de un siglo después, hemos logrado detectarlos, “escucharlos” y observarlos directamente.
¿Que es un agujero negro?
Antes que nada, es esencial comenzar con las definiciones. Un agujero negro es un cuerpo compuesto por mucha masa comprimida a un tamaño muy pequeño; son los objetos más densos del universo. Sabemos que la fuerza de la gravedad es más fuerte entre más masa tenga un objeto y más cerca estemos del mismo. Los agujeros negros llevan esto al extremo.
La gravedad en estos objetos es tan intensa que crean una región a partir de la cual nada puede escapar, el horizonte de eventos. Más allá de ese punto, ni siquiera la luz, viajando a 300,000 kilómetros por segundo, tiene la velocidad suficiente para liberarse. Es por eso que los llamamos agujeros negros.
El origen
La historia de los agujeros negros arranca en 1916, cuando Karl Schwarzschild, científico en medio de la primera guerra mundial y encontrándose en el frente del ejército alemán, logró encontrar la primera solución a las ecuaciones de Einstein. Esta solución revelaba que, en teoría, podrían existir objetos con una gravedad tan intensa que ningún objeto sería capaz de escapar de ellos, ni siquiera lo más rápido del universo: la luz. Solo se observaría un vacío en el espacio… un agujero negro.
“La guerra me trató con suficiente bondad, a pesar del intenso fuego de artillería, para permitirme alejarme de todo y dar este paseo por la tierra de tus ideas.”
— Carta de Karl Schwarzschild a Albert Einstein
Sin embargo, en ese entonces la comunidad científica tomó aquello como mera teoría, sin equivalente en el mundo real. Pues para que existiese un objeto así, tendría que acumularse muchísima masa en un espacio extremadamente pequeño. Para hacerse una idea, para que la Tierra se convirtiese en un agujero negro, tendríamos que tomar toda su masa y apretarla hasta reducirla al tamaño de una canica. ¿Cómo podrían crearse tales objetos en la naturaleza?
Esta respuesta llegaría más tarde, en 1939, cuando el científico Robert Oppenheimer (conocido como el padre de la bomba atómica) y Hartland Snyder demostraron una manera en la que podrían surgir los agujeros negros en la naturaleza. Con sus ecuaciones demostraron que las estrellas más masivas, al quedarse sin combustible, comienzan a colapsar sobre sí mismas, creando en su centro un agujero negro. He aquí una animación del proceso.
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¿Como detectamos los agujeros negros?
Aunque los agujeros negros no emitan luz por sí mismos, estos afectan su entorno de manera abrumadora. La interacción con la materia cercana, e incluso con el mismo espacio-tiempo, delata la presencia de estos objetos.
El primer agujero negro detectado fue Cygnus X-1, perteneciente a un sistema binario compuesto por el agujero negro y su compañera, una estrella. El agujero negro absorbe parte del material de la estrella, un proceso que libera muchísima energía en forma de rayos X. Son estas emisiones las que nos permitieron detectar por primera vez la presencia de este agujero negro.
En escalas mayores encontramos agujeros negros tan grandes que podemos detectar la luz proveniente de la materia incandescente que orbita a su alrededor, su disco de acreción.
las ondas gravitacionales:
Según la teoría de la relatividad de Einstein, el espacio-tiempo no es un escenario estático, sino uno dinámico, capaz de cambiar y deformarse. Esto hace posible un fenómeno muy especial: las ondas gravitacionales. Podemos imaginarlas como las olas del mar, pero en lugar de la superficie del agua, el medio es el espacio-tiempo mismo.
El 14 de septiembre de 2015 se detectaron por primera vez ondas gravitacionales; estas provenían de la fusión de dos agujeros negros de 36 y 29 veces la masa del Sol. En menos de una fracción de segundo liberaron tanta energía como tres soles enteros, pero emitida en forma de ondas gravitacionales. Fue la primera vez que “escuchamos” el universo deformarse de esta manera.
La foto de un agujero negro
En 2019, el Event Horizon Telescope logró lo que parecía imposible: obtener la primera imagen de la sombra de un agujero negro. La observación de M87* mostró un anillo brillante de plasma caliente rodeando una región oscura: la sombra producida por el horizonte de eventos.
El tamaño y la forma coincidían exactamente con lo que predicen los modelos de un agujero negro en rotación. Al comparar los datos con simulaciones, se determinó que M87* tiene una masa aproximada de 6500 millones de soles. Fue la transición definitiva del agujero negro como idea matemática a objeto observable.
Los agujeros negros… ¿emiten luz?
En los años 70, Jacob Bekenstein propuso un concepto que parecía una locura: los agujeros negros tienen entropía (y por lo tanto deben emitir radiación), y esta es proporcional al área de su horizonte de eventos.
Stephen Hawking confirmo esta idea poco despues, al combinar mecánica cuántica con relatividad general, demostró que los agujeros negros deben emitir radiación térmica. lo que implica que tienen temperatura, y que poco a poco pierden energía, desapareciendo muy lentamente
Con esto, los agujeros negros se convirtieron en puentes entre tres grandes pilares de la física: la relatividad, la mecánica cuántica y la termodinámica.
Tipos de agujeros negros
La masa del Sol (M⊙) es la unidad estándar para clasificar agujeros negros.
Los agujeros negros de masa estelar nacen cuando estrellas gigantes, al morir, dejan remanentes con entre 5 y 20 masas solares.
En el otro extremo están los agujeros negros supermasivos, con millones o incluso miles de millones de masas solares. Se encuentran en los centros de casi todas las galaxias, incluida la Vía Láctea, cuyo núcleo alberga un gigante de 4 millones de M⊙.
Entre estos dos extremos están los agujeros negros de masa intermedia, que durante mucho tiempo fueron un misterio. Hoy sabemos que existen gracias a observaciones como la del cúmulo 47 Tucanae, donde se identificó uno de unos 2000 M⊙.
Los agujeros Negros…
Cada vez que descubrimos algo nuevo sobre ellos, las piezas más profundas de la realidad comienzan a encajar. Se han convertido en una pieza esencial de la física moderna, la ciencia ficción y la cultura pop. Es curioso pensar que en algún momento se les consideró imposibles. ¿Qué otros misterios nos aguardará el universo?
Fuentes
Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration). (2016). Observation of gravitational waves from a binary black hole merger. Physical Review Letters, 116(6), 061102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
Bekenstein, J. D. (1973). Black holes and entropy. Physical Review D, 7(8), 2333–2346. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.7.2333
Encyclopaedia Britannica. (s. f.). Black hole. https://www.britannica.com/science/black-hole
Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 event horizon telescope results. The Astrophysical Journal Letters, 875(1), L1–L6. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0ec7
Hawking, S. W. (1974). Black hole explosions? Nature, 248, 30–31. https://doi.org/10.1038/248030a0
Hawking, S. W. (1975). Particle creation by black holes. Communications in Mathematical Physics, 43(3), 199–220. https://doi.org/10.1007/BF02345020
LIGO Scientific Collaboration. (s. f.). What are gravitational waves? https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw
National Aeronautics and Space Administration. (s. f.). Black holes. NASA Science. https://science.nasa.gov/universe/black-holes/
National Aeronautics and Space Administration. (s. f.). Illustration of black hole Cygnus X-1 [Ilustración]. NASA Science. https://science.nasa.gov/asset/webb/black-hole-cygnus-x-1-illustration/
Penrose, R. (1965). Gravitational collapse and space-time singularities. Physical Review Letters, 14(3), 57–59. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.14.57