Agujeros Negros

Es cierto que los agujeros negros son unos objetos muy peculiares, con propiedades extrañas, pero la mayoría de los libros y artículos enfatizan sus aspectos exóticos, ignorando que su naturaleza es fundamentalmente simple. La descripción que ofrecemos más adelante fue realizada por el matemático francés Pierre Laplace en 1796, de modo que ni siquiera son un invento moderno.

Antes de discutir los agujeros negros, es necesario considerar brevemente la gravedad.

¿Qué es la gravedad?

Los físicos reconocen que el mundo físico puede ser descrito en su totalidad utilizando cuatro fuerzas básicas. Dos de ellas están relacionadas con la estructura interna de los átomos y una tercera, la fuerza electromagnética, domina la interacción de los átomos entre sí. La cuarta, la más débil de estas fuerzas, es la gravedad, por lo tanto sólo es significativa cuando hay una enorme cantidad de átomos juntos en objetos del tamaño de la Tierra o mayores. La gravedad es la fuerza dominante en la vida y la muerte de las estrellas y galaxias.

Cualquier átomo, o colección de átomos, tiene una propiedad llamada masa, que define cuánto material hay en el objeto. En la superficie de la Tierra la fuerza de gravedad produce un tirón hacia abajo en todas las masas, lo que genera la sensación de peso. En la superficie de la Luna este esfuerzo —o peso— es de sólo un sexto del que habría en la Tierra, de modo que el peso depende de dónde se está, mientras que la masa es una propiedad intrínseca de todos los objetos.

Isaac Newton describió la gravedad en el siglo 17 diciendo que cada masa atrae a toda otra masa en el Universo con una fuerza que depende de cuánto material está presente y de qué tan lejos está. En 1915 Albert Einstein cambió dramáticamente nuestra idea de lo que es la gravedad, pero la descripción de Newton es adecuada para este artículo.

Así que la gravedad es una fuerza de atracción universal que causa que los objetos 'caigan', en el sentido más amplio, y que trata de juntar los objetos como estrellas y galaxias. Es probable que tenga éxito, a menos que se le oponga alguna otra fuerza.

¿Qué es un Agujero Negro?

Si se lanza hacia arriba una bola de hierro desde la superficie de la Tierra, ésta alcanza cierta altura y luego cae de regreso. Al lanzarla con más fuerza, alcanza mayor altura. Laplace calculó la altura que puede alcanzar un cuerpo dada una velocidad inicial. Encontró que la altura aumenta más rápidamente que la velocidad, de modo que la altura se hace enorme para una velocidad no demasiado grande. A una velocidad de 40.000 Km/h (sólo unas veinte veces más veloz que el avión Concorde) la altura que se alcanza se hace realmente muy grande: tiende a ser infinita, como dirían los matemáticos. A esta velocidad se le llama 'velocidad de escape' desde la superficie de la Tierra y es la velocidad que debe alcanzar una nave espacial que ha de llegar a la Luna o a cualquiera de los planetas. Siendo un matemático, Laplace resolvió el problema para todos los cuerpos esféricos, no sólo para la Tierra.

Laplace encontró una fórmula muy simple, que nos dice que la velocidad de escape, V, está dada por V=(2GM/R)^1/2, donde G es una constante que define qué tan fuerte es la gravedad, M es la masa, o cantidad de material en el cuerpo, y R es su radio. Esta fórmula dice que objetos pequeños pero masivos (o sea R pequeño y M grande) tienen velocidades de escape grandes.

Esta fórmula sorprendentemente simple produce la misma respuesta que la obtenida usando la Teoría de la Relatividad.

La luz viaja a algo más de 1.000 millones de Km/h y en 1905 Albert Einstein demostró que nada puede viajar más rápido que la luz. La fórmula de arriba puede ser despejada para mostrar qué radio debe tener un objeto para que la velocidad de escape desde su superficie sea ni más ni menos que la velocidad de la luz. La respuesta es R=(2G/c²)M, donde c es la velocidad de la luz.

Este radio en particular, R, es llamado el 'radio de Schwarzschild', en honor del astrónomo alemán que lo derivó por primera vez a partir de la teoría de la relatividad de Einstein. La fórmula nos dice que el radio de Schwarzschild para una masa como la de la Tierra es de menos de un centímetro, comparado con su radio de 6.357 Km.

En la tabla de abajo se dan los valores para otros objetos astronómicos.

Radio de Schwarzschild para algunos objetos astronómicos

Podría parecer sorprendente que pueda concebirse que la luz se comporte como un cohete o una bola de billar.

Fue Einstein quien demostró que la luz puede ser considerada como una colección de partículas, llamadas fotones, que tienen masa, o más correctamente, energía, por virtud de la famosa fórmula E=Mc², que relaciona la energía E con la masa M.

Los fotones siempre viajan a la misma velocidad, la velocidad de la luz, pero cuando se alejan de un objeto con gravedad pierden energía, y para un observador externo, parecen ser más rojos. Es este 'corrimiento hacia el rojo' lo que implica que los fotones que parten de un agujero negro pierden al fin toda su energía y se hacen completamente invisibles.

Si ni siquiera la energía de la luz viaja lo suficientemente rápido como para escapar (y nada puede viajar más rápido), entonces ninguna señal de ningún tipo puede escapar, y el objeto sería 'negro'. La única indicación de la presencia de tal objeto es su atracción gravitacional. Lejos de su superficie es como si un objeto ordinario de la misma masa estuviera allí.

La presencia de su gravedad significa que otros objetos pueden caer en él, de allí el nombre de 'agujero'.

Y así, un agujero negro es un objeto tan compacto que la velocidad de escape desde su superficie es mayor que la velocidad de la luz.

¿Dónde podremos encontrar agujeros negros?

Es imposible observar directamente un agujero negro, de modo que cualquier candidato a ser un agujero negro tiene que ser identificado por su efecto sobre la materia que lo rodea.

Si ninguna otra explicación es válida para los fenómenos observados, entonces es probable que esté presente un agujero negro.

Hay algunos objetos que son buenos candidatos para la presencia de un agujero negro.

1. Toda estrella brilla y sobrevive debido a la fuerza de la gravedad, que está tratando de comprimirla y que balancea justo la presión generada por el horno nuclear en su centro, que está tratando de expandirla. Una vez que el horno se queda sin combustible, algo que a la fuerza ha de ocurrir con el tiempo, la presión decrece, pierde su batalla contra la gravedad y la estrella colapsa.
   Los astrónomos piensan que a una estrella en esta situación sólo le puede ocurrir una de tres cosas, dependiendo de su masa. Una estrella menos masiva que el Sol colapsa hasta formar una 'enana blanca', con un radio de sólo unos pocos miles de kilómetros. Si la estrella tiene entre una y cuatro veces la masa del Sol, puede producir una 'estrella de neutrones', con un radio de unos pocos kilómetros. Tal estrella podría ser reconocida como una 'pulsar'. Las relativamente escasas estrellas que tienen masas de más de cuatro veces la masa del Sol no pueden evitar colapsar más allá de sus radios de Schwarzschild y convertirse en agujeros negros.
   Es decir que los agujeros negros podrían ser los cadáveres de estrellas masivas.

2. La mayoría de los astrónomos piensa que las galaxias como la Vía Láctea fueron formadas a partir de una gran nube de gas que colapsó, formando estrellas individuales. Ahora vemos a las estrellas concentradas más fuertemente en sus centros, o núcleos. Es posible que justo en el centro hubiese demasiada materia para formar una estrella ordinaria, o que las estrellas que se formaron allí estaban tan cerca unas de otras que se unieron y formaron un agujero negro.
   Por eso se argumenta que en los centros de algunas galaxias podrían existir agujeros negros verdaderamente masivos, de masas equivalentes a cien millones de estrellas como el Sol.

¿Cómo podremos ver un agujero negro?

Debido a que los agujeros negros son pequeños y a que ninguna señal escapa de ellos, encontrarlos podría parecer una tarea imposible. Sin embargo, la fuerza de la gravedad permanece, de modo que si detectamos gravedad donde no hay una fuente visible de luz, el responsable podría ser un agujero negro. Este tipo de argumento no es muy convincente por sí solo, de modo que debemos buscar otras pistas.

Si hay materia alrededor de un agujero negro en posición de caer en él, sin duda lo hará. Surge entonces una buena chance de que produzca alguna señal detectable mientras cae, no desde el propio agujero negro, sino desde justo fuera de él.

La mayoría de las estrellas no son individuales, como el Sol, sino que se las encuentra en parejas, pequeños grupos, o en grandes cúmulos. Si las estrellas de una pareja tienen masas diferentes, entonces la más masiva quemará su combustible con más rapidez y podría convertirse en un agujero negro, mientras que la otra permanece como una estrella normal, consumiendo su combustible más despacio. El gas de esa estrella puede ser absorbido desde la estrella hacia el agujero negro. En estas condiciones el gas se vuelve muy caliente, con una temperatura de millones de grados, por lo que brillará no con luz visible sino con rayos-X. Estos rayos-X tendrán un efecto observable en la producción de luz de la estrella ordinaria. Puesto que la estrella y el agujero negro giran uno alrededor del otro en pocos días, podríamos esperar ver variaciones regulares en el brillo y en la producción de rayos-X.

Hay algunas fuentes de rayos-X que tienen todas las propiedades descritas arriba. Desafortunadamente, es imposible distinguir entre un agujero negro y una estrella de neutrones, a menos que podamos comprobar que la masa del objeto invisible es demasiado grande como para que sea una estrella de neutrones.

Los astrónomos encontraron importante evidencia de que una de estas fuentes, llamada Cyg X-1 (lo que significa que es la primera fuente de rayos-X descubierta en la constelación de Cygnus), realmente contiene un agujero negro.

Las cosas son muy diferentes si hay un agujero negro masivo en el centro de una galaxia. Allí es posible que el agujero negro se trague una estrella. La atracción de la gravedad sobre tal estrella será tan fuerte como para desintegrarla en sus átomos componentes y para lanzarlos a altas velocidades en todas direcciones. Algunos de los fragmentos caerán en el agujero, incrementando su masa, mientras que otros producirán un estallido de ondas de radio, luz y rayos-X.

Este es exactamente el comportamiento observado en las galaxias del tipo llamado 'cuásares', y podría muy bien estar ocurriendo en una forma más moderada —cada vez hay más certeza de esto— en el centro de nuestra propia Vía Láctea.

Los astrónomos encontraron también que en la galaxia NGC 4151 hay una masa de cerca de 1.000 millones de veces la del Sol concentrada en una región central cuyo diámetro no es mayor que 4.000 veces la distancia entre la Tierra y el Sol. La explicación más plausible hoy en día es que la mayor parte de esta masa corresponde a un agujero negro ubicado en el centro.