Agujeros negros

Por Ramón Rey

El mes pasado el satélite Swift de la Nasa detectó una emisión de rayos X procedente del sistema binario V404 Cygni, a casi 8.000 años luz en la constelación de Cygnus, poco después el experimento japonés MAXI confirmó la detección.

V404 contiene un agujero negro que despierta aproximadamente cada 25 años, habiéndose detectado actividad por última vez en 1989.

Los agujeros negros son tal vez los objetos más extraños y fascinantes que se puedan encontrar en el universo y debido a sus condiciones extremas son también laboratorios teóricos perfectos para que los físicos pongan a prueba sus conjeturas.

Agujero negro emitiendo rayos gamma

Aunque el término fue acuñado en 1967 por el físico de la Universidad de Princeton John Wheeler, el concepto ya existía y en concreto se podía derivar teóricamente como una consecuencia de la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein.

Un agujero negro pese a su nombre no es precisamente una región vacía sino más bien todo lo contrario, ya que según la concepción clásica es un objeto definido de una densidad tan elevada que ningún objeto, ni siquiera la misma luz, puede escapar de su campo gravitatorio. Esta región está limitada por el llamado horizonte de sucesos, que es la barrera a partir de la cual todo aquello que cruza está condenado a precipitarse en su interior.

En el centro de estas regiones, comprimida hasta un volumen nulo y por tanto con una densidad infinita y un campo gravitatorio también infinito toda nuestra física fracasa: nos encontramos ante una singularidad. Utilizando la famosa analogía que compara el tejido espacio-tiempo con una sábana que se curva ante los objetos como la sábana lo haría al ponerle pelotas encima, podemos imaginar que un agujero negro “hunde” la sábana infinitamente, provocándole una discontinuidad de radio nulo.

Uno de los problemas de los agujeros negros es que si efectivamente ningún objeto puede escapar de él se está violando el Segundo Principio de la Termodinámica, aquel que dice que la entropía (el desorden) aumenta con el tiempo y que es el responsable, por ejemplo, de que el calor pase de los cuerpos más calientes a los más fríos y nunca al revés, a pesar de que de esta forma la energía también se mantendría constante.

La solución a esta presumible disminución de la entropía total del universo la hallamos en la radiación de Hawking, una fuente de rayos X que puede escapar del horizonte de sucesos de una forma muy peculiar.

Para explicar el mecanismo debemos echar mano de una de las consecuencias del principio de incertidumbre de Heisenberg (que postula que diversos pares de magnitudes como la posición y el momento lineal no pueden ser conocidas a la vez y con precisión) conocido como fluctuación cuántica del vacío, que consiste en la generación espontánea de pares de partícula-antipartícula. Estas partículas tienen un tiempo de vida ínfimo, pero en un agujero negro existe la posibilidad de que ambas se generen en lados opuestos del horizonte de sucesos.

Así, una de las partículas del par caerá dentro del agujero negro pero la otra podrá escapar. Para el observador parecerá que el agujero negro ha emitido una partícula, provocando que efectivamente escape materia y energía del interior del agujero negro y disminuyendo su tamaño. Tampoco los agujeros durarán eternamente.

Agujeros negros: el origen

El proceso de formación de los agujeros negros comenzó a estudiarse a mediados del siglo pasado siendo algunos de los pioneros científicos como Roger Penrose, Robert Oppenheimer o Stephen Hawking.

La mayor parte de los agujeros negros se forman a partir de los cadáveres de lo que anteriormente fueron estrellas. Las estrellas se mantienen en equilibrio debido a la altísima temperatura y las reacciones nucleares producidas en su interior que tiende a expandir la estrella y se opone a la fuerza de la gravedad que la contrae. Pero cuando una estrella consume todo su combustible no puede resistir el empuje de su propia gravedad y comienza a colapsar sobre sí misma reduciendo su volumen, el resultado final dependerá de cuan masiva sea la estrella original.

En la contracción su estructura atómica se desintegra en electrones, protones y neutrones. La repulsión mutua de estos electrones podría contrarrestar la contracción produciéndose una enana blanca, con un radio de pocos kilómetros y una densidad de varias toneladas por centímetro cúbico.

Si la masa es lo suficientemente grande (superior al límite de Chandrasekhar, unas 1,4 veces la masa de nuestro Sol) el colapso continúa venciendo esta repulsión, los electrones y los protones se combinan generando neutrones que se concentran pudiendo finalmente detener el colapso. El resultado es un extraño objeto astronómico denominado estrella de neutrones.

Pero llegados a un límite másico, de unas 3 veces la masa del Sol, ni siquiera la estructura neutrónica puede oponerse a la contracción y el colapso total se torna inevitable. Es este supuesto el que conduce a la formación de los agujeros negros.

Agujero negro con su disco de acrecimiento

Los agujeros negros más grandes pueden ser el resultado de colisiones estelares, en los últimos tiempos se han recogido evidencias que han llevado a los astrónomos a concluir que ciertas emisiones de rayos gamma observados se pueden atribuir a colisiones entre estrellas de neutrones y agujeros negros para producir agujeros negros más masivos.

Los agujeros negros según su masa

En teoría y según la Relatividad General pueden existir agujeros negros de cualquier tamaño y masa, cualquier objeto puede por tanto convertirse en un agujero negro si se comprime lo suficiente (hasta su radio de Schwarzschild, el radio límite que es particular para cada cuerpo).

En la práctica no se conocen procesos que formen agujeros negros que no posean una masa de al menos 2-3 veces la del Sol.

Además y aunque comprendemos este proceso de formación, persiste un misterio: los agujeros negros se dividen en dos clases radicalmente diferentes, los agujeros negros de masa estelar (generalmente de 10 a 24 veces la masa de nuestra estrella) y los agujeros negros supermasivos, con masas millones o incluso miles de millones de veces mayores a las del Sol.

Agujero negro supermasivo

Existen evidencias que apuntan a la existencia de un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea (Sagitario A). De hecho se piensa que es posible que todas las galaxias posean su propio agujero negro supermasivo que podría jugar un papel importante manteniendo la unidad de la galaxia gracias a su campo gravitatorio.

El origen de los agujeros negros de gran masa sigue siendo controvertido, además de formarse a partir de grandes agujeros negros de masa estelar que crecen por acreción de materia se han propuesto mecanismos alternativos como la posibilidad de que se generen a partir de densos cúmulos de gas o incluso que su origen deba ser buscado en el Big Bang.

A mayores, podemos mencionar los microagujeros negros, objetos hipotéticos que no serían generados de la forma convencional y que podrían evaporarse en periodos cortos debido a la mencionada radiación de Hawking.

Cómo detectarlos

Por supuesto y derivado de todo lo que hemos comentado anteriormente los agujeros negros no pueden ser “vistos”, no al menos directamente. Es por eso que habrá que recurrir a métodos de detección alternativos.

Además de la detección de los rayos X que emiten se puede inferir la existencia de un agujero negro por las perturbaciones gravitacionales que producen o por el efecto que tiene sobre la luz que atraviesa las proximidades de su horizonte de sucesos curvándose. El agujero negro actúa pues como lente gravitacional.

Lente gravitacional

Queda mucho por conocer sobre estos misteriosos objetos que parecen proteger sus secretos del resto del universo. Por una parte parece imposible de “mirar dentro” de ellos, y en caso de que pudiéramos atravesar el horizonte de sucesos y verlo, tampoco podríamos decírselo a nadie, porque la información no podría atravesar el horizonte de vuelta. Esta idea, conocida con el nombre de “hipótesis de la censura cósmica” fue formulada por Roger Penrose en 1969, aunque su validez está en tela de juicio principalmente por dos cuestiones.

Por una parte se ha postulado la posibilidad de que la información sí pueda realmente escapar de los agujeros negros (resolviendo de paso la “paradoja de la pérdida de información en agujeros negros”, que deriva de la disipación de éstos por medio de la Radiación de Hawking).

Además se han propuesto, y simulaciones mediante ordenador sugieren que pueden existir, singularidades “desnudas”, carentes de horizonte de sucesos y por tanto observables.

En cualquier caso y como concluimos siempre, sólo el futuro y los descubrimientos que vaya trayendo nos irán revelando las respuestas a estas cuestiones y las que de seguro se irán planteando a medida que avancemos en nuestra comprensión del universo.