12 de abril de 2019

Agujeros negros: Respuestas sencillas a algunas de las grandes preguntas . . .

Los agujeros negros son los protagonistas indiscutibles de cientos de ensayos científicos. Y en el futuro, con total certeza, lo serán de muchos más.

Agujeros negros: Respuestas sencillas a algunas de las grandes preguntas planteadas por los objetos más misteriosos del Universo.

JUAN CARLOS LÓPEZ. Los agujeros negros son los protagonistas indiscutibles de cientos de ensayos científicos. Y en el futuro, con total certeza, lo serán de muchos más. Pero estos enigmáticos objetos cósmicos no interesan solo a los astrofísicos. También nos hemos topado con ellos en muchas películas y novelas de ciencia ficción, una prueba contundente de que ejercen un magnetismo irresistible sobre una parte del gran público.

Nuestro conocimiento acerca de los agujeros negros aún no nos permite entender todos sus secretos, pero poco a poco los cosmólogos han ido desvelando algunos de sus misterios, de manera que ya tenemos algunas respuestas que nos ayudan a conocerlos un poco mejor. Precisamente, estas respuestas son las auténticas protagonistas de este artículo, en el que no encontraréis ni una sola ecuación debido a que tenemos la intención de que sea lo más asequible posible. Si os gusta y queréis saber más acerca de los agujeros negros nos encantará preparar otras entregas que nos ayuden a conocerlos un poco mejor.

Qué es un agujero negro y de dónde sale

Por sí sola la definición de agujero negro no nos dice gran cosa, pero es un buen punto de partida sobre el que podemos ir desarrollando el resto del artículo. Podemos describir uno de estos objetos cósmicos como una región del espacio finita, y, por tanto, con un tamaño determinado, que aglutina en su interior la suficiente masa para ser capaz de generar un campo gravitatorio tan intenso que ninguna partícula es capaz de escapar de él. Ni siquiera los fotones, que son las partículas elementales que transportan la luz.

Esta definición apunta algunas ideas interesantes que desarrollaremos en los siguientes párrafos del artículo, pero antes de abordarlas es una buena idea que repasemos brevemente cuál es el origen de uno de los tipos de agujeros negros que los científicos conocen mejor: los agujeros negros cósmicos que proceden del colapso de estrellas muy masivas. Hay otros tipos de agujeros negros, pero como nuestro objetivo es no complicar en exceso este artículo por el momento hablaremos de esta variedad, que sin duda es una de las más apasionantes.

Os propongo que comencemos repasando brevemente la vida de las estrellas (en este otro artículo hemos intentado explicaros con bastante detalle cuáles son sus etapas vitales). Las estrellas nacen a partir de nubes de polvo y gas que están esparcidas por el Universo, y que comenzaron a formarse poco después del Big Bang, hace casi 14.000 millones de años. La vida de cualquiera de ellas está íntimamente ligada a su composición inicial, pero su masa también tiene un impacto enorme en la manera en la que va a evolucionar.

Las estrellas nacen a partir de nubes de polvo y gas que están esparcidas por el Universo, y que comenzaron a formarse poco después del Big Bang, hace casi 14.000 millones de años

Alrededor del 70% de la masa de las estrellas es hidrógeno, entre el 24 y el 26% es helio, y el 4 al 6% restante es una combinación de elementos químicos más pesados que el helio, a los que los astrofísicos llaman de manera genérica «metales». Ya tenemos los ingredientes necesarios para fabricar una estrella (todos ellos están contenidos en las nubes de polvo y gas de las que acabamos de hablar), pero nos falta un elemento fundamental: el «motor» que se encarga de mezclar estos componentes y calentarlos para, así, dar forma a la estrella y «encenderla».
Estrellaroja

El fenómeno natural que origina la formación de las estrellas a partir de los ingredientes que acabamos de citar es la gravedad. La misma gravedad que nos mantiene pegados a la superficie de nuestro planeta. Esta fuerza se encarga de ir reuniendo y compactando estos elementos mediante un fenómeno conocido como contracción gravitacional. Y, mientras tanto, también los va calentando poco a poco. Si la cantidad de materia acumulada mediante la contracción gravitacional es lo suficientemente grande, y la temperatura alcanzada lo suficientemente elevada, se encenderá el horno nuclear. Y nacerá una nueva estrella.

Las estrellas se mantienen en equilibrio debido a que la presión de radiación y de los gases contrarresta la contracción gravitacional

A partir de ese momento se inicia un tira y afloja entre dos fuerzas que van a mantener a la estrella en perfecto equilibrio. Por un lado en el centro de la estrella los núcleos de hidrógeno comenzarán a fusionarse, liberando una enorme cantidad de energía y permitiendo, así, que emita una gran cantidad de radiación. Precisamente, la presión generada por la radiación y los gases genera la fuerza que, de alguna manera, «tira» de la estrella hacia fuera. Intenta que se expanda. Pero esta fuerza queda contrarrestada por la contracción gravitacional, que «tira» de la materia de la estrella hacia dentro.

Mientras la presión ejercida por la radiación y los gases siga produciéndose, y la contracción gravitacional continúe contrarrestándola, la estrella se mantendrá en un estado de equilibrio conocido como «equilibrio hidrostático». Curiosamente, las estrellas pasan la mayor parte de su vida consumiendo sus reservas de hidrógeno, aunque las más masivas agotan su combustible con mucha más rapidez que las más ligeras. La fase durante la que la estrella va consumiendo sus fuentes de energía se conoce como secuencia principal.

A medida que el hidrógeno va agotándose la estrella va reajustándose, comprimiendo su núcleo para incrementar su temperatura, de manera que sea posible iniciar la combustión del siguiente elemento químico más ligero: el helio. Si la estrella tiene la masa suficiente se iniciará la ignición del helio. Y así irá, poco a poco, reajustándose y quemando un elemento tras otro hasta agotar completamente sus fuentes de energía. ¿Qué sucederá cuando agote todo su combustible? Sencillamente, que la presión de radiación y de los gases que tiraba de la estrella hacia fuera cesará, lo que provocará que la contracción gravitacional no sea contrarrestada.

La masa de la estrella determina cómo será su final. Las menos masivas darán lugar a nebulosas, en cuyo centro perdurará una enana blanca, que es una estrella degenerada que ha agotado todo su combustible y tiene un tamaño muy inferior a su volumen inicial. Y las estrellas más masivas se transformarán en estrellas de neutrones, de quarks, o, si tienen la masa suficiente, en agujeros negros. Para que una estrella ponga fin a sus días bajo la forma de una estrella de neutrones es necesario que tenga una masa de al menos 1,44 masas solares. Este valor se conoce como «límite de Chandrasekhar», y se lo debemos al astrofísico indio Subrahmanyan Chandrasekhar.

Para que una estrella acabe sus días bajo la forma de una estrella de quarks o un agujero negro es necesario que su masa sea aún mayor. Este valor lo fija el «límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff», establecido actualmente por los astrofísicos en aproximadamente 2,17 masas solares. Todo lo que hemos visto hasta ahora acerca de la vida de las estrellas es muy importante porque puede ayudarnos a entender el fenómeno que provoca la formación de un agujero negro.

Cuando la estrella agota su combustible pierde el equilibrio hidrostático y la contracción gravitacional comprime su núcleo.

Cuando la estrella agota su combustible, como hemos visto, no puede mantener el equilibrio hidrostático que solo era posible cuando la presión de radiación y de los gases quedaba contrarrestada por la contracción gravitacional. En el instante en el que se terminan sus fuentes de energía el núcleo se contrae súbitamentepor el efecto de la gravedad y las capas superiores de la estrella caen sobre él, rebotando y saliendo despedidas hacia el espacio en un fenómeno muy energético conocido como supernova.

Pero si la masa de la estrella es lo suficientemente elevada su núcleo de hierro continuará contrayéndose debido a la fuerza de la gravedad. Cuando sucede esto, la descomunal presión a la que se ve sometido provoca cambios muy importantes en la estructura de la materia, que ya no está constituida por protones, neutrones y electrones, como la materia ordinaria, sino solo por neutrones. El resultado de este proceso será una estrella de neutrones, pero si la masa de la estrella alcanza el «límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff» lo que obtendremos, como hemos visto, será una estrella de quarks, o, incluso, si es terriblemente masiva, un agujero negro.

Nubespolvo

Este misterioso objeto cósmico es el resultado de la acción incesante de la contracción gravitacional, que consigue, debido a que ya no hay ninguna fuerza que sea capaz de contrarrestarla, aglutinar toda la masa de la estrella en un espacio muy pequeño. Tan pequeño y con una densidad tan alta que un objeto que quisiese escapar de su campo gravitatorio tendría necesariamente que superar la velocidad de la luz, que es de unos 300.000 km/s en el vacío. Este parámetro se conoce como «velocidad de escape».

Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad especial de 1905 que ningún objeto puede superar la velocidad de la luz debido, sin entrar en detalles complicados, a que es el parámetro que conecta el espacio y el tiempo en nuestro universo. De hecho, este fenómeno es el que da sentido a la idea de espacio-tiempo como un todo en el que el espacio y el tiempo están profundamente entrelazados. Es más, la velocidad de la luz es también la velocidad a la que se expande el espacio-tiempo en el interior de los agujeros negros, como veremos un poco más adelante. Así que más nos vale no caer dentro de uno de ellos.

Si son negros, ¿por qué podemos verlos?

Esta es una buena pregunta. Y su respuesta es interesante debido a que, en realidad, no podemos verlos. Lo que los astrofísicos consiguen ver son los efectos que la descomunal gravedad de los agujeros negros tiene en su entorno. De hecho, lo que podemos ver en la fotografía que han hecho pública hace unas horas los responsables del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) es el disco de acrecimiento, que es una nube de materia atrapada en el campo gravitatorio del agujero negro que está muy caliente, y que, por esta razón, emite radiación.

Esta es la fotografía de un agujero negro real tomada por el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT).

Este material se va calentando y, poco a poco, una parte de él se va precipitando hacia el interior del agujero negro, que ocupa la porción central de la imagen, la que permanece completamente oscura. Afortunadamente, esta no es la única pista que permite a los científicos identificar dónde podría alojarse un agujero negro. Y es que su enorme tirón gravitacional puede tener un impacto muy claro sobre otros objetos de su entorno, como, por ejemplo, las estrellas y los planetas. Si los astrofísicos identifican un conjunto de estrellas y planetas orbitando en torno a un punto central claramente definido, y a priori en esa ubicación no hay nada, es probable que se trate de un agujero negro.

Qué forma tiene un agujero negro.

La imagen que nos han ofrecido de ellos algunas películas, en las que parecen tener una estructura plana parecida a un umbral que es posible atravesar, es errónea. Posiblemente la que mejor los describe es ‘Interstellar’ debido a que Christopher Nolan, el director de esta película, fue asesorado por Kip S. Thorne, el brillante físico teórico estadounidense galardonado con el premio Nobel de Física en 2017 por su contribución al descubrimiento de las ondas gravitacionales.

A diferencia de lo que nos muestran algunas películas, los agujeros negros son objetos cósmicos esféricos.

En realidad, los agujeros negros son objetos esféricos, y, como hemos visto, tienen un volumen perfectamente definido. De hecho, su límite queda fijado por el horizonte de sucesos, que es la región del espacio que envuelve al agujero negro más allá de la cual cualquier objeto que la atraviese caerá irremisiblemente hacia su interior sin posibilidad alguna de salvación.

Afortunadamente, la gravedad es una fuerza que decrece rápidamente con la distancia, por lo que es necesario acercarse mucho a un agujero negro para quedar atrapado en su campo gravitatorio. Pero esta es otra historia, una en la que indagaremos un poco más a continuación.

No es (demasiado) peligroso acercarse a un agujero negro.

A pesar de lo que parece sugerir el nombre que les hemos dado, los agujeros negros son relativamente mansos. Su tirón gravitatorio es cada vez más fuerte a medida que nos acercamos a la singularidad, o, al menos, eso es lo que creen los científicos. La singularidad no es más que una región del espacio-tiempo alojada en su interior en la que no podemos definir el valor que tienen magnitudes físicas como la curvatura u otros conceptos geométricos. Es difícil imaginar algo así, pero podría ser una especie de limbo que no sigue las reglas del espacio-tiempo que conocemos.

La buena noticia es que a medida que nos alejamos de su horizonte de sucesos, el tirón gravitatorio del agujero negro pierde mucha intensidad. Tanto es así que incluso podríamos vivir en un planeta que orbita a cierta distancia alrededor de uno de ellos sin que ni el planeta ni nosotros fuésemos devorados por el agujero negro. De nuevo nos viene bien recurrir a la película ‘Interstellar’ (y probablemente no será la última vez que lo hagamos) debido a que en ella, precisamente, hay un planeta que orbita alrededor de Gargantua. Los protagonistas de la cinta llegan a descender a la superficie de ese planeta, y, en principio, y dejando a un lado los spoilers, no tienen mayor problema. Aunque se encuentran con un imprevisto: el tiempo.

Qué sucede con el tiempo en las proximidades de un agujero negro.

Unos párrafos más arriba hemos descubierto que el tiempo y el espacio forman parte de un todo, lo que provoca que ambas magnitudes estén profundamente entretejidas. La intensidad de la gravedad en el interior de los agujeros negros es tan alta que el continuo espacio-tiempo se deforma, por lo que el tiempo no transcurre de la misma forma para un observador externo situado relativamente cerca del agujero negro, pero más allá del horizonte de sucesos, que para una persona próxima a esta última región.

La gravedad en las proximidades de los agujeros negros es tan intensa que el continuo espacio-tiempo se deforma.

Echemos de nuevo un vistazo a ‘Interstellar’, pero aquí sí viene un spoiler, así que, si no has visto la película, quizá prefieras saltarte los dos próximos párrafos. El tiempo no transcurre a la misma velocidad para las personas que descienden a la superficie del planeta próximo a Gargantua que para el miembro de la tripulación que permanece en la nave y no llega a poner sus pies en el planeta.

Para las personas que descienden transcurren horas, mientras que para el miembro de la tripulación que se queda en la nave pasan varios años mientras espera el regreso de sus compañeros. Esto se debe a que la gravedad ejercida por la enorme masa del agujero negro deforma el continuo espacio-tiempo más a medida que te acercas más a él. Otro fenómeno que la película de Nolan ilustra correctamente.

Los agujeros negros no son eternos.

Son poderosos, sí. Colosales incluso. Pero no son eternos. Stephen Hawking fue el primer físico que se dio cuenta de que los agujeros negros, si somos realmente rigurosos, no son completamente negros. Y no lo son porque emiten un poco de radiación, conocida, en honor a su descubridor, como «radiación de Hawking». Esta forma de radiación se produce en el horizonte de sucesos y tiene su origen en efectos cuánticos bastante complejos en los que no es necesario que profundicemos para no complicar más de la cuenta el artículo.

Los agujeros negros emiten radiación, conocida, en honor a su descubridor, como «radiación de Hawking», por lo que pierden masa y energía poco a poco

Lo realmente importante es que conocer la presencia de esta forma de radiación nos ayuda a intuir que, efectivamente, los agujeros negros pierden masa y energíacon el transcurso del tiempo, por lo que llegará un momento en el que la perderán toda y se desvanecerán. O se evaporarán. Lo curioso es que el tiempo que es necesario esperar hasta que uno de ellos alcanza este punto es enorme. Tanto como la edad que tiene actualmente el Universo, por lo que los científicos creen que esto aún no le ha sucedido a ningún agujero negro cósmico.

Cómo veríamos a una persona que cae dentro de un agujero negro.

No cabe duda de que sería toda una experiencia, sobre todo para la persona que tiene el valor de atravesar el horizonte de sucesos. El observador externo que mira hacia el agujero negro a una distancia prudencial del horizonte de sucesos vería que la persona que se precipita hacia él nunca acaba de entrar en su interior. Poco a poco iría quedando inmóvil hasta llegar a detenerse del todo en una región próxima al horizonte de sucesos.

No obstante, si siguiese observando aún más tiempo comprobaría que la persona atrapada en el agujero negro se desvanecería poco a poco hasta desaparecer del todo debido a que la luz que refleja iría perdiendo energía a causa de la gravedad extrema hasta que no pudiese ser detectada. Para el observador externo la víctima del agujero negro quedaría inmóvil y se desvanecería. Pero, ¿qué le pasa a la persona que se adentra más allá del horizonte de sucesos? Nada apetecible. Lo Nebunasa

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Esto es lo que nos pasaría si entrásemos dentro de un agujero negro.

Los científicos no tienen una certeza absoluta acerca de este suceso, pero las matemáticas y la física nos permiten predecirlo con cierta exactitud. Al principio no tendría por qué ser desagradable, al menos si no conociésemos el final al que estaríamos abocados. Caeríamos y caeríamos hasta rebasar el horizonte de sucesos, y poco a poco la gravedad iría aumentando hasta que la diferencia de intensidad entre la gravedad a la que están sometidos nuestros pies y nuestra cabeza fuese importante. Llegados a este punto nuestro cuerpo comenzaría a estirarse hasta desgarrarse completamente, por lo que llegaría nuestro final.

A medida que nos acercásemos a la singularidad el espacio-tiempo del interior del agujero negro comenzaría a colapsar sobre nosotros .

Además, a medida que nos acercásemos a la singularidad el espacio-tiempo del interior del agujero negro comenzaría a colapsar sobre nosotros, estirándose y generando más espacio entre nosotros y el horizonte de sucesos. Ese espacio crecería a la velocidad de la luz, por lo que, por mucho que acelerásemos, seríamos incapaces de alcanzar la salida del agujero negro para escapar.

Por otro lado, la creación de nuevo tejido espacial sobre nosotros contribuiría a estirarnos aún más en un proceso al que los físicos llaman «espaguetificación». Es evidente de dónde sale este nombre. En realidad, acabaríamos siendo estirados en una dirección y comprimidos en otra hasta el punto de que los átomos de los que estamos hechos acabarían alineándose y perdiendo la coherencia que nos permite mantenernos con nuestra forma actual. No parece una experiencia demasiado apetecible, ¿verdad?

Imágenes | NASA Goddard Space Flight Center | NASA/JPL-Caltech | M. Helfenbein, Yale University / OPAC