¿Qué son los agujeros negros?

• Los agujeros negros son puntos en el espacio de alta concentración de gravedad. Una vez que algo entra en el horizonte de eventos, no puede escapar de él.
• Existen distintos tipos de agujeros negros. Los más comunes son formados por la implosión de estrellas muy masivas al no poder luchar contra su gravedad.
• Existe evidencia que sugiere que hay una relación estrecha entre las galaxias y los agujeros negros supermasivos.
• Debido a que el tiempo se dilata de manera infinita en el horizonte de eventos, podríamos decir que dentro de los agujeros negros se dan eventos que, para los observadores de afuera, nunca suceden.
• Esta imagen nos ha brindado evidencia a favor de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. 

Nadie ha visto directamente un agujero negro hasta ahora. De hecho, no sabemos a ciencia cierta cómo se vería si nos topamos cara a cara con uno. Sin embargo, distintos artistas han utilizado datos científicos para crear representaciones que tratan de retratar lo que podríamos ver.

La imagen de arriba es justamente una de estas representaciones: una región circular completamente oscura que distorsiona la luz de las estrellas a su alrededor debido a su potente gravedad. Parece, en efecto, un agujero vacío contra el paisaje estrellado.

Los agujeros negros, no obstante, son objetos extraños. Mucho más extraños de lo que usualmente imaginamos. No siempre vamos a ver un círculo negro que distorsiona el espacio a su alrededor. En realidad, si nos topáramos cara a cara con un agujero negro, podríamos ver algo muy distinto. Podríamos ver que tiene un disco alrededor (ya entenderemos esto más adelante) y que, además, este disco se dobla, produciendo una imagen más parecida a la del hoyo negro de la película «Interstellar»:

(Foto: https://eliot1019.github.io/Black-Hole-Raytracer/)

Pero comencemos por lo básico. Como explica la NASA, no debemos dejar que su nombre nos engañe: los agujeros negros no son hoyos vacíos, sino todo lo contrario. Dentro de ellos hay una cantidad enorme de materia concentrada en una pequeña área. Por ejemplo, un agujero con el mismo diámetro que la ciudad de Nueva York puede contener una masa 10 veces mayor que la de nuestro Sol. Pero, ¿qué son estos agujeros y por qué se ven de esta manera?

Según la Enciclopedia Británica, los agujeros negros son cuerpos cósmicos que poseen una gravedad tan intensa que nada que entre en ellos, ni siquiera la luz, puede escaparse, de ahí que su nombre sea agujeros negros.

Cualquier cosa que se acerque a ellos lo suficiente puede ser tragado para nunca regresar. ¿Por qué? Porque para regresar uno tendría que moverse más rápido que la luz, lo cual es imposible en nuestro universo. Ni siquiera un planeta o una estrella podría salvarse de ser engullido por estos monstruos.

(Representación de un agujero negro absorbiendo a una estrella. Foto: ESO / L. Calçada)

¿Esto significa que son como aspiradoras monstruosas que van por el universo tragándose todo a su paso? Tampoco. Los agujeros negros no son aspiradoras. De hecho, como explica la NASA, si uno cambiara al Sol por un agujero negro que tuviera la misma masa que este, la Tierra no sería aspirada por él, sino que lo empezaría a orbitar (aunque se congelaría al ya no haber Sol).

Al igual que cualquier otro objeto con masa del universo, los agujeros negros pueden ser orbitados, así como los satélites orbitan la Tierra y los planetas las estrellas. Sin embargo, si nos acercáramos directamente a este, sin tratar de orbitarlo de manera segura, entonces sí nos podría absorber. De hecho, al centro de la Vía Láctea, se encuentra un agujero negro supermasivo orbitado por varias estrellas.

De manera similar, el primer agujero que se encontró, el Cygnus X-1, es parte de un sistema en el que una estrella orbita alrededor de este agujero, pero que está tan cerca que poco a poco está siendo devorada por su agujero negro. Pero, ¿cómo se forman estas entidades cósmicas?

Para responder a esta pregunta, primero habría que preguntarnos, ¿a qué tipo de agujero negro nos referimos? Existen distintos tipos: los estelares, los supermasivos, los intermedios (más grandes que los estelares, pero más pequeños que los supermasivos) y los miniatura. De ellos, el más conocido es el tipo estelar. Estos agujeros negros se forman a partir de la muerte de una estrella. ¿Cómo sucede esto? Veámoslo.

Las estrellas más comunes, como nuestro Sol, están destinadas a convertirse en enanas blancas (pequeñas estrellas blancas) al final de su vida. Sin embargo, las estrellas más grandes de nuestro universo ―aquellas tan masivas que tienen de 10 a 20 veces la masa de nuestro Sol― pueden convertirse en agujeros negros.

Stephen Hawking, en su libro «Brief answers to the big questions«, explica que estas estrellas son tan masivas que la gravedad las comprime con una fuerza descomunal. Sin embargo, al mismo tiempo, en su núcleo, estas estrellas realizan un proceso llamado fusión nuclear al comprimir los átomos de hidrógeno a presiones increíbles. Este proceso produce que el hidrógeno se convierta en otros elementos, como el helio. Además, genera una cantidad enorme de energía que expulsa en forma de radiación. Esta energía contrarresta la fuerza de gravedad que comprime la estrella, como se puede ver en el siguiente gráfico:

Mientras estas dos fuerzas se mantengan en balance, la estrella sigue su vida de manera normal. Sin embargo, a medida que pasa el tiempo, cada vez hay menos hidrógeno en la estrella. Esto produce que la fusión nuclear se deba hacer con otros elementos, como el helio. Luego, con el carbono y así sucesivamente hasta llegar al hierro. El hierro produce muy poca energía al ser fusionado, por lo cual la estrella pierde fuerza para contrarrestar a la gravedad: el balance se rompe.

Cuando esto sucede, el núcleo colapsa y la estrella implosiona. El proceso de implosión es tan violento que, así como parte de la materia de la estrella colapsa sobre sí misma, otra parte puede ser expulsada en una gigantesca explosión que los científicos llaman supernova. Esta materia estelar es arrojada a grandes velocidades al espacio con la excepción del núcleo. Este último, sin embargo, ya no puede luchar contra la gravedad. Su masa colapsa (se contrae) hasta un punto infinitesimalmente pequeño: este es el nacimiento de un agujero negro.

(Supernova y nacimiento de un agujero negro, animación de la NASA)

En el centro del agujero negro se cree que hay un punto sin dimensiones (sin alto, ancho y largo) llamado “la singularidad”. ¿Qué es la singularidad? No lo sabemos, pero en ese punto dejan de funcionar las leyes físicas que tenemos. Por otro lado, alrededor de la singularidad se encuentra el horizonte de eventos. Podemos entender el horizonte de eventos como una frontera en el espacio: cualquier cosa que cruce el horizonte de eventos debe moverse más rápido que la luz para poder escapar, lo cual, según lo que sabemos hasta hoy, es imposible.

Aparte de esta clase de agujeros negros, están los otros tres tipos de agujeros. Los agujeros miniatura son entidades teóricas; no hay evidencia de que existan. Por otro lado, con respecto a los agujeros negros intermedios, aún no tenemos evidencia suficiente para afirmar que existen, pero tenemos algunos candidatos de cuerpos celestes que podrían serlo. Por último, están los supermasivos, de los cuales sí tenemos evidencia y es aceptado que existen. A continuación, te explicamos qué son y qué papel juegan.

Los agujeros negros supermasivos pueden tener masas equivalentes a miles de millones de estrellas como nuestro Sol y por lo general se encuentran en los centros de las galaxias. Los astrónomos aún no saben cómo se forman, pero hay diversas teorías. Por ejemplo, se piensa que pueden provenir de estrellas masivas colapsadas o de nubes de gas gigantes que existieron en los primeros años de las galaxias. Si bien no sabemos exactamente cómo aparecen, sí tenemos evidencia de su existencia.

De hecho, como explican los científicos de The Event Horizon Telescope Collaboration, los primeros en fotografiar a un agujero negro (veremos esto más adelante), se cree que en el centro de prácticamente todas las galaxias existen agujeros negros supermasivos. Como mencionamos anteriormente, al centro de nuestra galaxia (la Vía Láctea) también hay un agujero negro: el Sagitario A*, que es más de cuatro millones de veces más masivo que nuestro Sol.

Los científicos han descubierto que parece haber una relación entre la forma de la galaxia y el agujero negro supermasivo que la compone. De la misma manera, también parece haber una relación entre ellos y la velocidad en que las estrellas en el centro de las galaxias rotan alrededor de estos cuerpos cósmicos. La relación entre las galaxias y sus agujeros negros supermasivos parece ser tan importante que incluso puede influir e impedir la formación de nuevas estrellas en las galaxias. Sin embargo, aún es necesario encontrar más evidencia de esta relación.

Ahora que ya sabemos qué son los agujeros negros, queda una pregunta importante: ¿qué pasaría si entramos a un agujero negro? No sabemos realmente qué pasaría porque los seres humanos nunca hemos podido observar ninguno de cerca. Sin embargo, es probable que muramos.

Existen distintas teorías que describen qué pasaría si nos acercáramos o entráramos a uno de estos monstruos. Además, también depende de las propiedades particulares del agujero negro al que nos acercáramos, como su tamaño.

Una opción es que las fuerzas gravitatorias estiren nuestro cuerpo en un proceso que algunos llaman, de forma pintoresca, espaguetificación. La fuerza gravitatoria cerca a un agujero negro puede aumentar millones de veces por cada centímetro de aproximación hacia él. De esta manera, las partes de nuestro cuerpo más cercanas serían jaladas a grandes velocidades, lo que produciría que nuestro cuerpo se estire como si fuera un espagueti (si te interesa este proceso, puedes revisar este video del canal Kurzgesagt).

Esta respuesta, no obstante, no es tan interesante. Por lo tanto, imaginemos por un momento que somos indestructibles y que podemos entrar a un agujero negro sin temer a la muerte. Digamos que partimos en una nave espacial hacia el interior del agujero negro. Supongamos que nuestra nave tiene un reloj y que, desde una distancia segura, hay otra nave con un reloj que nos está viendo entrar al agujero negro.

A medida que nos acercamos, la nave que nos mira empieza a observar un fenómeno extraño: el reloj que lleva nuestra nave empieza a correr más lento que el suyo. A este fenómeno se le llama dilatación del tiempo gravitacional. Esto sucede porque la gravedad distorsiona el tiempo.

Por otro lado, nosotros veremos que el reloj de la nave que nos observa empieza a ir más rápido. Aunque esto suene sumamente extraño es algo que sucede en nuestro universo: la gravedad distorsiona el tiempo. Mientras más gravedad posea un objeto, más lento transcurrirá el tiempo sobre él. ¿Por qué? No se sabe, pero es algo probado.

Aunque no lo creas, esto también sucede con la Tierra, solo que, como su gravedad no es tan fuerte, el efecto es mínimo. Sin embargo, este fenómeno existe en nuestro planeta. Por ejemplo, si tenemos un reloj atómico orbitando la Tierra y otro en el suelo, veremos que el reloj que orbita la Tierra (que está más lejos) se adelanta por microsegundos. Es decir, el tiempo pasa más lento cerca de la Tierra que en su órbita. Si bien este fenómeno no nos afecta a nosotros, sí es algo que se debe tener en cuenta para algunos sistemas, como los GPS.

Volvamos a nuestro ejemplo. Después de un tiempo, al estar más cerca del agujero, la nave que nos observa vería que nuestro acercamiento hacia al agujero se empieza a volver más lento, hasta que finalmente nos vería flotar sobre la orilla del horizonte de eventos como si estuviéramos detenidos. Incluso, si la gente de la nave espacial fuera inmortal, nunca nos vería entrar al agujero negro (si quieres ver un video sobre esto puedes revisar el canal PBS Space Time). Esto sucede porque los agujeros negros poseen tanta gravedad que la dilatación del tiempo vuelve al tiempo no solo más lento, sino que lo dilata infinitamente.

Desde nuestra perspectiva, al acercarnos a la orilla del agujero negro, veríamos hacia afuera que el tiempo corre más rápido. Eventualmente, cruzaríamos la orilla y, probablemente, veamos la luz que alguna vez entró al agujero negro y que ahora no puede salir. Esto es súmamente interesante, pues para nosotros ha ocurrido un evento que para los que nos observan nunca ocurrió. Nosotros hemos entrado al agujero negro, mientras que para las personas fuera de él, nunca ha pasado tal cosa.

De hecho, según Gabriel Perez-Giz, astrofísico de la National Science Foundation en Washington, podríamos decir que un agujero negro es una colección de eventos que para ciertos observadores (los que están fuera de él) nunca suceden, mientras que para aquellos dentro de él sí suceden. El horizonte de eventos, en este contexto, representa los últimos eventos a los que los observadores externos le pueden asignar un cuándo. En otras palabras, los eventos que se dan dentro del horizonte de eventos nunca sucederán para los observadores externos. Incluso si fuéramos inmortales, nunca veríamos esos eventos suceder.

Cabe resaltar que esto no es una cuestión de mera visibilidad. No es que no podamos ver qué ocurre dentro del agujero negro; es que estos eventos nunca ocurren para los observadores de afuera. 

Los agujeros negros son tan extraños que se han creado muchas teorías con respecto a ellos. Algunos físicos han teorizado que los agujeros negros incluso podrían ser puertas a otros universos. Sin embargo, realmente no sabemos mucho de ellos.

Finalmente, ya dentro del agujero, nuestro futuro será llegar a la singularidad. La única forma de escapar, como mencionamos, es movernos más rápido que la luz, lo cual es imposible. Lamentablemente, aún no sabemos qué es la singularidad y qué pasa si algo llega a ese punto. Sin embargo, los científicos siguen estudiando los agujeros negros con esperanzas de alguna vez entenderlos por completo. De hecho, hace poco logramos tomar por primera vez una foto de una de estas entidades.

Los astrónomos no pueden ver directamente a los agujeros negros, pues la luz que ingresa a ellos no puede salir. Sin embargo, en el 2012, 200 científicos empezaron una colaboración para lograr crear la primera imagen de uno de estos monstruos: en la galaxia M87.

(Foto: Event Horizon Telescope Collaboration)

Este proyecto usó ocho radiotelescopios en seis puntos distintos de la Tierra para crear un “lente observacional del tamaño del planeta”. La imagen obtenida del equipo validó, además, las predicciones de la teoría de la relatividad sobre cómo se vería un agujero negro.

La imagen que obtuvimos no nos muestra el horizonte de eventos (el área negra del centro es conocido como la «sombra» del agujero negro y es más grande que el horizonte de eventos), pero sí nos muestra el plasma que orbita alrededor de este agujero negro supermasivo: el disco de acreción. Un disco de acreción es un flujo de gas, plasma, polvo o partículas que orbitan alrededor de un objeto astronómico.

En el caso del agujero negro de M87, el disco de acreción es un flujo de plasma que, a medida que gira hacia nosotros a casi la velocidad de la luz, lo vemos más brillante, como se muestra en la imagen. De la misma manera, a medida que se aleja se ve menos brillante. A partir de la información recabada por el proyecto Event Horizon, los científicos han determinado que este plasma órbita en sentido de las agujas del reloj y tarda aproximadamente dos días en completar una órbita.

Esta imagen es importante, porque nos ha permitido testear satisfactoriamente las predicciones de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein sobre el tamaño y la forma de la sombra de los agujeros negros. Cabe resaltar que esta teoría es una de las teorías científicas más importantes que tenemos.