Los agujeros negros son objetos astronómicos de gran interés
tanto para los investigadores profesionales como para el público en
general. Estudiarlos a fondo requiere un
amplio conocimiento de todas las ramas de la física y, ante todo, mucha
imaginación. Es irónico, entonces, que
por mucho tiempo los agujeros negros fueran considerados completamente ficticios:
tan solo una consecuencia curiosa pero imposible de la Teoría de la Relatividad
de Einstein. Hoy en día, sin embargo,
son una fuente de trabajo constante para muchos físicos, y han podido ser
observados directamente por astrónomos—bueno, tan directamente como se puede.
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| Distorsión del espacio provocada por un agujero negro. |
Para poder ver qué es un agujero negro, hay que dar un
vistazo a la Relatividad General de Einstein.
Antes de la teoría, la naturaleza de la fuerza de gravedad era un
misterio, siendo considerada como una acción de atracción a distancia entre dos
masas, pero sin un mecanismo claro. La
mecánica de Newton servía para calcular los efectos de la gravedad, pero decía
poco o nada acerca de los mecanismos mediante los cuáles ésta operaba. Además, a finales del siglo XX se encontró
que había situaciones en las que resultaba insuficiente para explicar observaciones
astronómicas específicas, tales como la precesión del perihelio de la órbita de
Mercurio. De manera paralela, los
físicos se dieron cuenta que las transformaciones galilieanas de la mecánica
newtoniana (la suma simple de velocidades y tiempos a la hora de hacer cálculos
que involucraran movimiento relativo de cuerpos, o de ondas de luz) daban
resultados lógicamente inconsistentes. Tomando
estas disonancias en las teorías y observaciones como punto de partida,
Einstein formuló su Teoría de la
Relatividad, que se divide en Relatividad Especial y Relatividad General.
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| Órbita newtoniana (rojo) comparada con una órbita relativista (azul) para un planta alrededor de una estrella. |
La Relatividad General define a la gravedad como una
deformación del espacio y el tiempo provocada por la masa; objetos más masivos
deforman al espacio más que objetos menos masivos. Siendo el espacio mismo lo que es afectado
por la gravedad, inclusive la luz puede verse atraída por ella (en la mecánica
newtoniana se suponía que la luz era inmune a efectos gravitacionales, por no
tener masa).
Al poco tiempo de ser publicada la teoría de Einstein,
los físicos se dieron cuenta de que
tenía enormes implicaciones. Entre
muchos otros fenómenos predichos por la teoría se encontraban los agujeros
negros: regiones del espacio en donde la gravedad es tan fuerte que nada puede
salir, ni siquiera la luz. Esto sucede
en las ocasiones en las que el campo gravitacional alrededor de un objeto compacto
es tan alto, que ni siquiera la velocidad de la luz es suficiente para poder
escapar de él, en cuál caso se tiene un agujero negro. El objeto en sí podría formarse a partir del
núcleo colapsado de una estrella supermasiva durante una explosión de tipo
supernova, en cual caso se denomina agujero negro estelar. Si acumula más material o inclusive si se
fusiona con otra estrella u otro o
agujero, entonces puede formarse un agujero negro supermasivo.
Inmediatamente surgieron las objeciones a la existencia de
tales objetos; la principal por muchas décadas era que los agujeros negros
violaban las leyes de la termodinámica.
Si se supone que nada puede escapar de un agujero negro, argumentaban
algunos físicos, entonces no pueden tener temperatura ni emitir radiación, por
lo cuál se viola la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que la
entropía de un proceso físico siempre debe ir en aumento. Esto es, que al acumular materia un agujero
negro éste debería calentarse y regresar algo de ese material al espacio en
forma de radiación—cosa imposible si es que nada puede salir.
Este problema fue resuelto en los 70s por Steven Hawking,
que utilizó fenómenos cuánticos para idear un mecanismo de radiación para los
agujeros negros. Existe una región alrededor
del agujero negro, conocida como el horizonte de eventos, a partir de la cuál
ningún objeto (ni la luz) puede escapar.
Tal límite es como el punto a partir del cuál un nadador que se aproxima
a una cascada ya no puede hacer nada para evitar caer; por más rápido que nade
en dirección contraria, la corriente lo arrastrará. Hawking explotó el fenómeno cuántico de las
partículas virtuales: resulta que inclusive en el espacio vacío, todo el tiempo
se están formando pares de partículas que instantáneamente se aniquilan entre
sí, preservando la cantidad total de materia como cero. Sin embargo, si uno de
estos pares de partículas se forma justo en la orilla de un horizonte de
eventos, entonces una de ellas puede caer a través del horizonte—hacia el agujero
negro—y la otra, al no tener una compañera con la cuál aniquilarse, escapa
hacia el espacio. La partícula absorbida
lleva entonces energía negativa hacia el agujero, provocando que éste se encoja
ligeramente. Mediante este mecanismo,
Hawking demostró que los agujeros negros no solamente emiten radiación, sino
que además se pueden evaporar.
Actualmente se cree que en el centro de cada galaxia del
Universo hay uno o varios agujeros negros supermasivos. En nuestra propia Vía Láctea se tiene
identificado un objeto con las características necesarias en la región de
Sagitario A*, en las profundidades del núcleo galáctico. En tal región, se observa docenas de
estrellas orbitando rápidamente alrededor de un objeto invisible. Cálculos hechos por astrónomos indican que el
objeto debe tener más de cuatro millones de masas solares para producir las
órbitas que se observan en las estrellas de la región. Además, en los próximos años, una nube de gas
que se encuentra próxima a este foco de gravitación se acercará lo suficiente
como para poder observar cómo es deformada y engullida en un periodo que
pudiera durar varias décadas.
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| Nube de gas G2 siendo destrozada por el agujero en Sagitario A*. |
Pero, ¿qué pasa al
caer un objeto a un agujero negro? La
respuesta varía según el punto de vista.
Suponiendo que hubiera dos astronautas, uno cayendo al agujero negro y otro fijo y a salvo
en el exterior, se tendrían versiones de los hechos muy distintas. Comenzando por el astronauta que se encuentra
a salvo y que observa cómo su compañero cae al agujero, primeramente observará
que el tiempo de su compañero se hace cada vez más lento a medida que cae. Además, su compañero tendrá un aspecto rojizo
y cada vez más tenue a medida que se acerca al horizonte de eventos, dado que
la luz es estirada por la gravedad del agujero.
Finalmente, una vez que el compañero parezca detenido completamente en
el tiempo y apenas visible, desaparecerá hacia la oscuridad.
El astronauta que cae, sin embargo, tiene una perspectiva
distinta—y hasta ahora los físicos no están del todo de acuerdo en lo que le
sucede. Tal como el nadador que pasa el
punto de no regreso en camino a una cascada, el astronauta no percibe nada
particular al momento de pasar el horizonte de eventos. Por un tiempo, él viaja hacia el centro del
agujero negro (conocido como la “singularidad”) tan sólo viendo oscuridad
adelante, pero fuera de eso nada anormal.
Lo que le sucede después es actualmente debatido ferozmente por los
físicos modernos.
Por un lado, se encuentra el punto de vista de que las
fuerzas de marea alrededor de la singularidad acabarán por destruir al
desafortunado astronauta en un proceso llamado “espaguetificación”: si el
astronauta cae de pie hacia el agujero, entonces la gravedad en sus pies será
mayor que la gravedad a la altura de su cabeza (esto es cierto inclusive en la
mecánica newtoniana y campos gravitacionales más débiles, como el de la Tierra). Esta diferencia se hará tan grande que
últimamente acabará por estirarlo hasta que no sea más que un chorro de partículas
elementales y entonces caerá a la singularidad, destruido y absorbido por
completo.
Por otro lado, otros físicos proponen que fenómenos
cuánticos crean una barrera alrededor de la singularidad, conocida como un
“cortafuegos”. Esto se debe a que las
partículas producidas por la radiación Hawking están entrelazadas
cuánticamente, y romper ese entrelazamiento libera tremendas cantidades de
energía justo dentro del horizonte. El
desafortunado astronauta sería completamente chamuscado por esta barrera mucho
antes de que el proceso de espaguetificación pudiera suceder.
Finalmente, existen teorías—altamente especulativas—de que,
debido a la altísima curvatura del espacio-tiempo alrededor de la singularidad,
los agujeros negros pudieran servir como túneles interespaciales conocidos como
“agujeros de gusano”. El astronauta—o lo
que quedara de él—emergería del agujero negro en otro lugar del espacio y en
otro punto del tiempo. Sin embargo, la
mayoría de los físicos coinciden en que este escenario es altamente
especulativo, debido a que en las regiones próximas a la singularidad las
ecuaciones de Einstein fracasan (algo que también demostró Hawking en los 60s)
y es necesario hacer un tratamiento cuántico de la situación, lo cuál hasta
ahora no ha sido logrado.
En su intento por entender la naturaleza detallada de los
agujeros negros, los físicos esperan encontrar la manera de reconciliar la
Relatividad de Einstein con la Mecánica Cuántica, a través de una Teoría
Unificada que describa apropiadamente a la gravedad desde un punto de vista
cuántico y al mismo tiempo reproduzca los efectos ya conocidos debidos a la
Relatividad. Tal teoría pudiera servir
también para entender mejor los orígenes del Universo, en donde actualmente
también se necesita un tratamiento cuántico de la fuerza de gravedad. Es por esto que el estudio de agujeros negros
impulsa las fronteras de la física—y de todo el conocimiento humano.
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