Publican en New Scientist un artículo monográfico sobre agujeros negros titulado Instant Expert: Black holes (by Michael Marshall). Este extenso artículo o más bien, monografía, pretende ser un compendio divulgativo sobre agujeros negros, algo así como la guía definitiva para el público no experto. Y como creo que se trata de un ejemplar artículo divulgativo lo traduzco para que el público que no entiende el inglés no se quede sin poder disfrutar de esta joyita. Vamos a ello.

En las profundidades del espacio y en el corazón de las galaxias acechan monstruos: agujeros en el espacio que atrapan a los incautos que se atreven a acercarse. Esa es la visión popular de los agujeros negros. Pero estas bestias cósmicas son incluso más fascinantes – y temibles- de lo que su reputación sugiere.

Visiones oscuras

El concepto de un objeto tan masivo que ni tan siquiera la luz es capaz de escapar su atracción gravitatoria fue modelado inicialmente el 1783. El geólogo John Michell escribió una carta a la Royal Society contando que si una estrella fuera lo bastante masiva un cuerpo cayendo desde una altura infinita hacia él habría adquirido en su superficie una velocidad superior a la de la luz, y toda la luz emitida desde tal cuerpo sería obligada a retornar por su propia gravedad.

Este punto de vista fue rechazado por más de un siglo, porque los físicos creían que la luz no podía ser desviada por la gravedad. A pesar de ello, la teoría de la relatividad general de Einstein de 1915 predijo que esta desviación sí que ocurre tal como se demostró experimentalmente. Esto implica que estos cuerpos capturadores de luz sugeridos por Michell podían ser posibles, aunque Einstein se mostraba reacio a aceptar que un objeto tan extraño pudiera existir en realidad.

El término “agujero negro” fue acuñado por el físico cuántico John Wheeler, que también ideó el término “agujero de gusano”. Los físicos teóricos han dedicado décadas a demostrar que los agujeros negros son consistentes con las ideas de Einstein y que se comportan tal y como deberían hacerlo. Entonces el desafío consiste en encontrar uno.

A la caza de los agujeros negros

Habida cuenta de que los agujeros negros son negros, tal y como es el espacio, deberíamos esperar que sean difíciles de localizar. Pero de hecho, hay astrónomos que los pueden buscar.

Por ejemplo, los agujeros negros provocan un enorme empuje gravitacional en las estrellas de sus inmediaciones. Este empuje, y la existencia de los agujeros negros, pueden inferirse de la observación del movimiento de las estrellas. En algunos casos las estrellas aparecen orbitando un compañero invisible y, si los cálculos demuestran que su masa es superior a cierta cantidad, es probablemente un agujero negro.

La intensidad gravitatoria de un agujero negro también tiende a atraer gas y polvo, que forma un “disco de acreción” a su alrededor. La fricción producida en el disco calienta el material, haciendo que se emitan inmensas cantidades de radiación, que los telescopios pueden detectar. Algunos modelos sugieren que los discos de acreción pueden alcanzar el tamaño de un sistema solar y brillar tanto como una estrella.

Otro tema es que la luz de las estrellas que se encuentra detrás de un agujero negro, visto desde la Tierra, debería ser desviada por la gravedad. Este proceso se llama lente gravitacional, y las mediciones de la desviación de la luz pueden ser utilizadas para inferir la existencia de un agujero negro.

Esto podría sonar a evidencia circunstancial, pero la mayoría (aunque no todos) de los astrónomos convienen en que la evidencia es lo bastante fuerte para aceptar que los agujeros negros existen. Y están cada vez más cerca de obtener una imagen directa de la bestia evasiva. En los últimos años, han encontrado evidencia de materia que se desvanece en una región donde se sospecha que hay un agujero negro, sugiriendo que ha sido devorada, y los telescopios más potentes podrían ser capaces de tomar imágenes directas de las trazas de un agujero negro en los próximos años.

Persiguiendo el calor

Puede que haya muchas otras maneras de captarlos. Parece contradictorio: todo el mundo “sabe” que los agujeros negros no permiten que nada, ni tan siquiera la luz, se escape. Pero hace 30 años Stephen Hawking sugirió que deberían emitir calor.

Incluso en el espacio vacío, pares de partículas (una de materia y otra de antimateria) pueden pasar a existir por un instante antes de aniquilarse entre sí y desaparecer. Si esto sucede cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro, uno de los compañeros puede ser succionado por el agujero negro mientras que el otro escapa. Desde el punto de vista del mundo exterior, el agujero negro ha emitido una partícula.

Esto nunca se ha observado en la realidad, pero los investigadores han desarrollado modelos de horizontes de sucesos y simulaciones por ordenador que sugieren que debería ocurrir.

Y si la radiación de Hawking existe, los agujeros negros, con su inmenso poder, deberían evaporarse lentamente.

Como crear un agujero negro

Los agujeros negros se forman cuando las estrellas más masivas colapsan sobre sí mismas. A medida que la gravedad empuja las capas más externas hacia el interior, la estrella aumenta su densidad cada vez más. Eventualmente su campo gravitatorio se vuelve tan intenso que la luz emitida por la estrella se ve afectada, volviéndose hacia la superficie en vez de salir al exterior.

Una vez la estrella ha pasado por este punto crítico, toda la luz es devuelta, sin posibilidad de escapar.

El colapso final es un evento sucio y caótico que puede llevar más de un día. Esto puede producir espectaculares chorros de rayos gamma o explosiones de supernova. Pero en algunos casos al menos, ocurre sin acompañamiento de fuegos artificiales, y es en estos casos en los que parecería que la estrella se desvanece sin dejar rastro.

Hay otras maneras en las que un agujero negro puede formarse, al menos en teoría. Por ejemplo, podrían formarse pequeños agujeros negros cuando los rayos cósmicos de altas energías colisionan con moléculas en las capas altas de la atmósfera. (El hecho es que esto no tiene ningún tipo de efecto catastrófico sobre la Tierra, y si ocurre, es una de las razones por las que los físicos del CERN en Ginebra, Suiza, están tan seguros de que las historias de miedo sobre agujeros negros producidas en el Large Hadron Collider no tienen fundamento).
Una forma, múltiples tamaños

El proceso de colapso destruye cualquier característica original de la estrella salvo la masa, el momento angular y la carga eléctrica: cualquier otra cosa es radiada en forma de ondas gravitatorias. El agujero negro resultante se dice que “no tiene pelo” para indicar que no hay trazos de su existencia anterior. Así que los agujeros negros únicamente pueden cambiar en términos de estas cantidades, y la más obvia es su masa.

Los agujeros negros varían enormemente en tamaño, desde Goliats con la masa de un millón de estrellas a otros literalmente microscópicos. Los astrónomos los clasifican en cuatro clases, a saber:

• Agujeros negros supermasivos poseen como mínimo 100.000 veces la masa de nuestro sol. Se encuentran a menudo en el centro de las galaxias pero no está claro cómo alcanzan semejante tamaño: el mayor conocido tiene la masa de 18.000 millones de soles. Y se sugiere que existe un límite superior. Ningún agujero negro podría tener más de 50.000 millones de masas solares.
• Agujeros negros intermedios son la oveja negra de la familia. Su masa está entre centenares y miles de veces la de nuestro sol, hasta que recientemente ha habido una pequeña evidencia de que existen. Aunque, ciertas fuentes de rayos X y misteriosas estrellas errantes han aumentado la credibilidad. Los agujeros negros intermedios podrían haberse formado cuando estrellas errantes colisionan entre sí, y fundiéndose con varias estrellas sucesivamente.
• Agujeros negros de masa estelar tienen masas del orden de la de nuestro Sol. El mayor conocido tiene 33 masas solares, mientras que el más pequeño tan sólo 3.8 masas solares.
• Los Micro agujeros negros son hipotéticos. Muchísimo más pequeños que una estrella, deberían ser presa fácil de la radiación de Hawking y evaporarse muy deprisa, así que no podemos esperar encontrar ninguno ahora mismo. Aunque, podrían haberse formado inmediatamente después del big bang, cuando el cosmos era extremadamente caliente y denso. Este tipo de objetos ancestrales se llaman agujeros negros primigenios y deberían existir en un amplio rango de tamaños, desde microscópicos hasta supermasivos. Únicamente el más masivo de todos ellos podría haber sobrevivido hasta la actualidad.

La carga de un agujero negro y su rotación pueden afectar a su comportamiento. Por ejemplo, la rotación puede causar que algunos agujeros negros expulsen violentos chorros de materia, tal y como se describe en la siguiente sección, podría además revelarnos su mayor secreto.

Anatomía de un agujero negro

A pesar de numerosos intentos de modelar lo que ocurre en un agujero negro, nadie lo sabe con seguridad. El modelo que predomina sobre el interior de un agujero negro sugiere que su corazón es una región infinitamente densa conocida como singularidad.

Si la idea de infinitamente denso te resulta difícil de entender, no te preocupes: este concepto que suena tan paradógico aparece porque las leyes de la física se rompen en ese extremo. Mientras no tengamos una teoría que integre la mecánica cuántica y la gravedad, los físicos teóricos están igual de desconcertados que cualquier otro sobre lo que ocurre dentro de un agujero negro, aunque no han cesado en el empeño de averiguarlo.

Dado que las singularidades rompen las conocidas leyes de la física de forma tan espectacular, Roger Penrose y otros propusieron la “hipótesis del censor cósmico” según la cual, toda singularidad ha de estar rodeada por un horizonte de sucesos. No es una barrera física sino un punto de no retorno: los objetos que pasan a través de ella nunca pueden escapar del agujero negro (ver a continuación para entender cómo la mecánica cuántica fundamenta esta idea). Por tanto la singularidad está escondida del resto del universo: nunca veremos una singularidad “desnuda”.

La hipótesis del censor cósmico nunca se ha demostrado, y con el paso de los años han habido intentos de mostrar que las singularidades desnudas pueden existir. De hecho, algunos sugieren que los agujeros negros con carga y que rotan muy rápido podrían ser persuadidos a revelar la singularidad, y otros han mostrado que esto no funcionaría.

Destruyendo un agujero negro

Cada vez que un agujero negro “emite” una partícula de radiación de Hawking, debe perder parte de su masa. A lo largo de miles de millones de años, incluso los agujeros negros más masivos deberían adelgazar y eventualmente desaparecer. Y esto nos conduce a un enorme problema.

Si conoces la masa, carga eléctrica y el momento angular de un agujero negro, sabes absolutamente todo lo que necesitas conocer (N. del T. Con tres números es suficiente). Para describir completamente a una estrella, en el extremo opuesto, deberías conocer absolutamente todo acerca de cada una de las partículas que la constituye. Por tanto una inmensa cantidad de información se desvanece aparentemente cuando el agujero negro se forma. Y esta información no puede escaparse sencillamente del agujero negro, porque esto implicaría viajar más deprisa que la luz.

Si el agujero negro fuese a existir para siempre, la información quedaría almacenada en su interior. Pero si el agujero negro termina por evaporarse, tal y como obliga la radiación de Hawking, entonces la información se destruye irremediablemente y las leyes de la mecánica cuántica no lo permiten. Esta es la llamada paradoja de la información (N. del T: El principio holográfico y la paradoja de la información).

Muchas de las soluciones propuestas involucran el replantearse los agujeros usando la teoría de cuerdas. Estas soluciones llevan hacia consecuencias extrañas pero físicamente plausibles: por ejemplo, un objeto lanzado en el interior de agujero negro podría existir en dos lugares al mismo tiempo, o que la singularidad se convertiría en un “pelusón” de cuerdas subatómicas.
La paradoja también se puede resolver si los agujeros negros no contienen una singularidad verdadera, o si tal como Stephen Hawking sugiere, la radiación de Hawking contiene dicha información, aunque en un enmarañado e ilegible estado. Incluso se ha sugerido que los agujeros negros podrían ser agujeros de gusano: puertas hacia otros universos.

Cuando los agujeros negros colisionan

Pese a la imagen popular de los agujeros negros como monstruos que acechan para capturar a los desprevenidos, al menos algunos han sido observados surcando velozmente el espacio. Esto eleva la posibilidad de que colisionen entre ellos, si las condiciones son las apropiadas.

Si lo hicieran, las simuladores por ordenador sugieren que podrían fundirse para formar un agujero negro más grande. Hay tres tipos de situaciones que han sido simuladas con éxito.

Este tipo de agujeros negros podrían revelarse por su efecto en la forma de las galaxias que los contienen, y en los restos infrarrojos y ultravioletas.

No se han visto colisiones directamente, pero los astrónomos han encontrado varios agujeros negros muy cerca unos de otros e incluso algunos que se orbitan entre sí y otros que de hecho se encuentran en rumbo de colisión.

Viviendo con un agujero negro

El vecindario de un agujero negro puede ser un lugar muy ocupado. Tal como ya se mencionó antes, un agujero negro puede acumular todo el polvo en un disco de acreción, pero esto es sólo el comienzo.

Se ha observado materia cayendo en espiral en un agujero negro, y la gravedad de un agujero negro puede ocasionar que los fotones temporalmente orbiten a su alrededor.

En una escala mayor, muchos agujeros negros podrían disparar inmensos chorros de materia muy energética, alimentados por potentes campos magnéticos. En un caso, estos chorros han demostrado producir burbujas de hasta 300.000 años luz de diámetro.
Aunque resulte sorprendente, las simulaciones demuestran que las estrellas se pueden formar en la vecindad de un agujero negro, aunque las que se aventuren demasiado cerca serían destruídas.

Tal y como podríamos esperar, algunas estrellas sin suerte son devoradas por agujeros negros. Algunos agujeros negros lo hacen visiblemente, liberando explosiones de rayos gamma y rayos X, cada vez que se alimentan, mientras que otros son de comer menos y emiten muy poca radiación a la hora de comer.

Galaxias y agujeros negros

Los astrónomos generalmente están de acuerdo en que los agujeros negros acechan en el centro de muchas galaxias, y han identificado candidatos plausibles en muchas de ellas, incluyendo nuestra vecina la galaxia enana M32 y nuestra propia, La Vía Láctea.

El agujero negro del centro de la Vía Láctea ha sido estudiado a fondo. En estos momentos se encuentra en periodo de ayuno sin devorar ningún trozo de materia significativo desde hace varias décadas, pero si encuentra alguna presa nueva volverá a hacerlo de nuevo.

Han habido además declaraciones sobre si existe un segundo agujero negro más pequeño en el centro galáctico, pero la evidencia actual es insuficiente. Además, se ha propuesto que el mayor agujero negro devoró a su hermano pequeño.

Cuando las galaxias colisionan, sus agujeros negros centrales deberían colisionar igualmente. Hay razones para creer que estas colisiones podrían eyectar a uno o a ambos agujeros negros, mandándolos hacia el espacio intergaláctico.

Se ha sugerido que estos agujeros negros deben estar ahí cuando se forme una galaxia o incluso, que directamente siembran la formación de galaxias. Aunque, algunas galaxias parecen no tenerlos, con lo que el asunto no está zanjado todavía.

La conexión cósmica

Incluso si los agujeros negros no son responsables de formar las galaxias, siguen siendo extremadamente importantes para nuestro entendimiento del universo como un todo.

Puede que hayan sido los responsables de burbujas cósmicas en el universo primitivo. Han podido ser además la fuente de poder detrás de quasars increíblemente luminosos y también de explosiones de rayos cósmicos de muy alta energía. Incluso si se evaporasen de forma violenta podrían ayudarnos a revelar dimensiones espaciales adicionales.

Y pese a su formidable naturaleza, puede que incluso lleguen a estar al servicio del hombre, actuando como el acelerador de partículas definitivo. Los teóricos han sugerido incluso que podrían llegar a servir de motor para naves interestelares.

Es un camino largo, pero puede que los agujeros negros ayuden a nuestros descendientes a explorar el universo, además de ayudarnos a entenderlo.