Agujeros negros: sumideros de secretos en nuestro Universo

Agujeros negros: sumideros de secretos en nuestro Universo

Escondidos en los confines del Universo se encuentran unas regiones con tanta gravedad que incluso la velocidad de la luz es insuficiente para escapar de su tirón, por lo que nada ni nadie puede huir de ellos. Son los agujeros negros y en este Agorapedia descubrirás algunos de sus secretos


“Es como si mirases las puertas del mismo infierno. Una región donde el tiempo y el espacio se detienen y de la que nada y nadie pueden escapar”. De este modo, Heino Falcke, describió uno de los mayores logros de la ciencia de los últimos años: la primera fotografía de un agujero negro.

Para alcanzar la que definió como “una hazaña extraordinaria”, un equipo de más de 200 científicos se unió para utilizar un radiotelescopio del tamaño de este planeta, el conocido como Event Horizon Telescope (EHT), que en realidad es una matriz a escala planetaria formada por ocho radiotelescopios terrestres, entre ellos, el radiotelescopio IRAM 30-M situado en Sierra Nevada, Andalucía.

Con esta estructura, los científicos pudieron al fin enfocar una región oscura del espacio de 40 mil millones de kilómetros de diámetro -cuatro veces el diámetro de la órbita de Neptuno- situada a 55 millones de años luz de nuestro planeta, en concreto, en el centro de la galaxia Messier 87.

Tras varios años lo consiguieron: la primera “imagen” se almacenó en más de cuatro petabytes de datos -unos 4.000.000 gigabytes- que tuvieron que ser simplificados más tarde para componer la imagen que ellos mostraron al mundo. Sin duda, una faraónica labor que a muchos les hizo pensar ¿Realmente es tan difícil captar un agujero negro?

Primera fotografía de un agujero negro | Foto: EHT

Incluso si omitimos el hecho de que se encuentren a millones de años luz de nuestro planeta, la respuesta seguiría siendo un rotundo sí debido a la propia naturaleza de los agujeros negros que son, para muchos, uno de los mayores misterios de nuestro Universo, junto a la existencia de la materia oscura.

Todo empieza con el concepto de “velocidad de escape”, que hace referencia a la velocidad que debe poseer un objeto para separarse de la atracción gravitacional de otro. Cuanto mayor masa posea el objeto que atrae, mayor velocidad se necesitará para escapar de él. Así pues, la Tierra presenta una velocidad de escape de 11,2 kilómetros por segundo, mientras que en el Sol es de 617,5 km/s.

A finales del siglo XVIII, el geólogo John Michell, utilizando la ecuación de la velocidad de escape, planteó la idea de la posible existencia de un cuerpo supermasivo capaz de presentar una velocidad de escape superior a la velocidad de la luz, por lo que incluso esta quedaría atrapada. A este cuerpo lo bautizó como “estrella oscura” y no fue más que el primer precursor teórico de los actuales agujeros negros ya que, por aquel entonces, se pensaba que la luz no poseía masa y, por lo tanto, no podía ser atrapada.

Karl Schwarzschild calculó lo que se conoce como “radio de Schwarzschild” que no es más que el radio mínimo al que debería colapsar o comprimirse un objeto para que obtuviese ese tirón gravitatorio necesario para que la luz no pueda escapar.

El radio de Schwarzschild para la masa del Sol es de 3 kilómetros, mientras que el radio de Schwarzschild de un objeto de la masa terrestre es de tan solo 8,89 milímetros.

Su idea quedó en el olvido incluso después de que Albert Einstein desarrollase su famosa teoría de la relatividad, que demostraba que la luz podía estar influida por la interacción gravitatoria, y de los avances del físico Karl Schwarzschild con respecto a las ecuaciones de Einstein.

Como explica el físico y divulgador Javier Santaolalla, incluso bien entrado el siglo XIX la existencia de los agujeros negros estaba al mismo nivel que los unicornios u otras criaturas mitológicas.

“Tan solo un puñado de científicos se empeñaron en demostrar que estos fenómenos eran realidad porque para muchos era casi inconcebible demostrar la existencia de un cuerpo negro -porque absorbe la luz- de tal densidad sobre un lienzo tan oscuro como lo es el espacio”, detalla el divulgador en uno de sus vídeos.

La solución a todos los interrogantes de los científicos vino de la mano de dos expertos rusos, Yakov Zeldovich e Igor Novikov, que plantearon la idea de que los agujeros negros podrían emitir rayos X, algo totalmente posible si se tiene en cuenta que, en muchos casos, estos agujeros negros están rodeados por un disco de acreción. Este disco no es más que una región alrededor del agujero repleta de gases que antaño fueron estrellas y que, debido a la alta velocidad a la que se desplazan, pueden generar rayos X que se expulsan principalmente por los polos del agujero.

Una estrella que orbita un agujero negro es consumido poco a poco por él. Los gases de la estrella permanecerán alrededor del agujero alcanzado grandes velocidades que, como consecuencia, generarán radiación en forma de rayos X. Esta radiación puede ser expulsada por los polos del agujero negro

Así pues, tan solo habría que buscar estrellas que orbitasen regiones oscuras del universo y que de ellas emanasen fuertes cantidades de rayos X. En la década de los 60 ya se tenía un posible candidato: la estrella HDE 226868, que más tarde se descubrió que orbitaba un agujero negro bautizado como Cygnus X-1, el primero aceptado como tal.

En la actualidad existen distintos métodos para descubrir a estos gigantes invisibles en el espacio, por ejemplo, por la presencia de cuásares o las ondas gravitacionales, pero ninguno de ellos lo hace de forma directa, como es el caso de la fotografía del EHT.

Por este motivo, la fotografía del agujero negro causó tanto revuelo, porque por primera vez se pudo demostrar de forma directa y “palpable” la presencia de estos fenómenos cósmicos.

Formación de un agujero negro

Durante este atípico 2020, los agujeros negros han vuelto a ser noticia, esta vez durante la entrega del Premio Nobel de Física que ha recaído, según la revista Science, sobre Roger Penrose, matemático de la Universidad de Oxford, Reinhard Genzel, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, y Andrea Ghez, de la Universidad de California. Todos ellos protagonistas de grandes estudios sobre la naturaleza de los agujeros negros.

Agujeros negros en nuestras galaxias

El supuesto de la galaxia Messier 87 no es único ya que los científicos saben de la existencia de agujeros negros supermasivos en los centros de muchas galaxias, como la nuestra. Una de las pruebas fehacientes que respaldan su existencia vino de la mano de los científicos Reinhard Genzel y Andrea Ghez.

Andrea Ghez es la cuarta mujer en ganar un Premio Nobel de Física y la segunda en hacerlo durante los últimos tres años

Según detalla Science, los grupos de ambos expertos se focalizaron en el estudio de la estrella S0-2, que es el astro conocido que más cerca de nuestro centro galáctico. Utilizando alguno de los telescopios más potentes de la tierra, los expertos pudieron determinar que las velocidades que alcanzaba la estrella en determinadas fases de su órbita solo podían explicarse si en el centro de la galaxia hubiese un cuerpo con una masa de cuatro millones de soles en un espacio relativamente concentrado.

Ese objeto no podía ser otra cosa que un agujero negro, pero no uno cualquiera, sino uno supermasivo. Para Heino Falcke, ellos “sentaron las base de los agujeros supermasivos”.

Sin restar importancia a Reinhard y Andrea, los trabajos de Roger Penrose, junto Stephen Hawking, durante la década de los 60 fueron decisivos para probar el único nacimiento conocido de los agujeros negros y, por lo tanto, vitales para el futuro estudio de estos fenómenos.

En concreto, Roger Penrose demostró que el colapso de una estrella lo suficientemente masiva puede dar origen a una singularidad gravitacional que conocemos en la actualidad como agujeros negros. Esta idea, no obstante, fue fruto de la genialidad de un físico hindú llamado Subrahmanyan Chandrasekhar.

“Una estrella es un equilibrio estable entre dos fuerzas opuestas: la presión de radiación, que hace brillar a la estrella, y la propia gravedad, que empuja toda la masa hacia dentro. Cuando se gasta el combustible, la estrella deja de lucir y se comprime hasta alcanzar un cierto límite -la presión de degeneración- que vuelve a estabilizarla”, indica Javier Santaolalla.

“De este colapso nacen las enanas blancas, que pueden volver a sufrir ese colapso cuando agoten por completo el combustible que les queda. Chandrasekhar descubrió que, si una enana blanca posee una masa 1,4 veces superior a la del Sol, el colapso final no acabaría con la estrella, sino que se superaría el límite de degeneración hasta formar un ente supermasivo con una fuerza de gravedad sin igual: un agujero negro”, añade el divulgador.

Ese nuevo agujero negro tendría un tamaño similar a su radio de Schwarzschild, que se corresponde con su horizonte de sucesos, es decir, la distancia a la que tendríamos que acercarnos al agujero negro para ser engullidos sin posibilidad de escapatoria.

Partes visibles en un agujero negro | Foto: ESO, ESA / Hubble, M. Kornmesser / N. Bartmann

Dentro de un agujero negro

Aunque no exista una definición exacta para describir un agujero negro, la mayoría de los expertos están de acuerdo en que se tratan de regiones del espacio que poseen tanta gravedad que nada puede escapar de ellos.

Eso sí, solo podrán atrapar aquellos objetos que se encuentren lo suficientemente cerca, en una zona que los científicos como el horizonte de sucesos. “Los agujeros negros no son peligrosos en sí, siempre que no te acerques lo sufriente a ellos”, explica Jeremy Schnittman, astrofísico de la NASA. De hecho, tampoco hay que pensar que se tratan de regiones que se mueven libremente por el espacio, sino que, según la NASA, “siguen las mismas leyes de la gravedad que otros cuerpos en el espacio”, aunque siempre hay excepciones.

En cualquier caso, si una estrella, por ejemplo, sobrepasa el horizonte de sucesos, la materia que esté más cerca al agujero negro comenzará a aproximarse hacia el su centro – la singularidad-, formando unos discos alrededor del agujero que poco a poco irán cayendo hacia su interior.

 

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Si fuésemos nosotros quienes nos aproximemos al agujero negro, Jeremy Schnittman señala que las altas fuerzas gravitacionales nos harían vislumbrar un universo totalmente extraño donde el espacio y el tiempo estarían alterados. Después, sufríamos el mismo destino que el de la estrella: nuestros pies, al estar más cerca del agujero, se aproximarían más deprisa al centro del agujero que nuestro tren superior hasta desgarrarnos por completo.

Una vez despedazados, los átomos de nuestro cuerpo que estén más cerca del agujero se aproximarán más deprisa, obteniendo como resultado una hilera que se precipitarán hacia la singularidad, Ese proceso en el que nos alargaremos hasta el aparente infinito se conoce como “espaguetificación”.

Por suerte, nuestro planeta se encuentra a una distancia más que segura de estas regiones negras del espacio. Algo que, de por sí, es una desventaja ya que solo tenemos de nuestra parte a las matemáticas para destapar todos los secretos que engullen en su interior. Aunque, quien sabe, tal vez alguna vez la tecnología pueda resolver las incógnitas de nuestras ecuaciones.



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