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Con su misterioso nombre y sus peculiarísimas
características, los agujeros negros son, seguramente, los objetos cósmicos
más fascinantes del Universo; su nombre es conocido, incluso, por los
profanos en Astronomía. Los agujeros negros surgieron hace unos doscientos
años, como una mera especulación intelectual del tipo: "¿qué pasaría
si...?, durante una época en la que las únicas herramientas científicas
de las que disponía la Astronomía eran las leyes de Kepler y la Ley de
la gravitación universal de Newton. Sin embargo, aunque como idea tiene
tan venerable antigüedad, la expresión fue acuñada más recientemente,
en la década de 1970, cuando hacía más de medio siglo que se habían elaborado
las teorías actualmente aceptadas sobre la naturaleza de la luz y la famosa
Teoría de la Relatividad, ambas debidas a Albert Einstein. Aún hoy día,
la existencia de los agujeros negros no es una evidencia científica, y
tan sólo alcanza el rango de "suceso bastante probable".
Albert Einstein, padre de la Teoría de la Relatividad |
Un agujero negro es, utilizando una sencilla definición,
un objeto cósmico cuya gravedad es tan grande que nada puede escapar
de su superficie y, por lo tanto, tampoco la luz puede eludir esa
atracción gravitatoria. Es decir, que observado desde fuera se vería
como una gran mancha negra sobre el fondo del firmamento de estrellas.
Para que un cohete -por poner un ejemplo- abandone
la superficie de la Tierra y se sustraiga a su atracción gravitatoria
debería alcanzar, durante su ascenso, una velocidad llamada "velocidad
de escape", que depende de dos parámetros fundamentales: la
masa y el radio del cuerpo celeste del que se quiere escapar. Cuanto
mayor sea la masa y menor el tamaño del objeto celeste, mayor es
la fuerza gravitatoria ejercida por éste, y por tanto, se requiere
una velocidad de escape mayor. Dado que, según la teoría de Einstein
y de acuerdo con todas las evidencias científicas, ningún objeto
puede superar la velocidad de la luz -evidentemente, tampoco la
propia luz-, cuando la velocidad de escape iguala a la velocidad
de la luz la proporción entre la masa y el radio (tamaño) del objeto
celeste es tal que atrae todo lo que hay a su alrededor, de manera
irremediable. En este caso, estaríamos ante un agujero negro.
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En cuanto a su naturaleza, un agujero negro
no es más que un tipo muy peculiar de estrella que se encuentra en un
estado muy avanzado de su ciclo vital; analicémoslo más detalladamente.
La formación de una estrella comienza por una nube de gas que comienza
a contraerse, debido a la atracción gravitatoria que se ejercen mutuamente
los átomos y moléculas que la componen. La gran mayoría de átomos que
constituyen el Universo corresponden al elemento químico más simple: el
hidrógeno. Al comenzar a juntarse entre sí los átomos de hidrógeno, las
colisiones entre ellos se hacen mucho más numerosas, lo que hace que aumente
la temperatura de la nube. Cuando la densidad de átomos alcanza cierto
valor, esta temperatura es de varios miles de grados, de forma que comienzan
a suceder reacciones de fusión entre los núcleos, y se forman átomos de
helio. En cada una de estas fusiones se desprende una gran cantidad de
energía, de hecho son auténticas bombas de hidrógeno. En este estado,
la nube de gas puede ser llamada, con toda propiedad, "estrella":
se establece un equilibrio entre la atracción gravitatoria, que tiende
a reducir el tamaño de la estrella, y la energía desprendida en las reacciones
termonucleares. Esta etapa es conocida como "secuencia principal";
en ella se encuentra actualmente -y se encontrará durante los próximos
cinco mil millones de años, aproximadamente- nuestro Sol. Cuando la proporción
de helio frente a la de hidrógeno alcanza el 10% el núcleo colapsa gravitacionalmente
-se encoge- y las capas externas, de hidrógeno, se expanden, y se pasa
al estado de "gigante roja", donde el número de reacciones termonucleares
se incrementa notablemente. Cuando el hidrógeno se agota, comienza a consumirse
el helio como combustible nuclear, dando lugar a un nuevo colapso gravitatorio;
la estrella es, entonces, una esfera de gas enormemente denso que se conoce
con el nombre de "enana blanca", estado relativamente estable
en el que se suceden las reacciones termonucleares, con la formación de
elementos químicos de mayor peso y el progresivo enfriamiento durante
varios miles de millones de años. Finalmente, la estrella pasa a un estado
de "enana marrón", que consiste en una esfera -en su mayor parte
de hierro incandescente-, que se enfría lentamente hasta la extinción
(estado de "enana negra").
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Imagen obtenida desde el telescopio espacial Hubble,
donde se muestran tres galaxias en cuyos núcleos es más que probable
la existencia de agujeros negros. NGC 3377 y NGC 3379, situadas
en el extremo de la constelación de Leo, poseerían agujeros negros
de masas iguales a 50 y 100 millones de veces la masa del Sol. Por
su parte, NGC 4486 B es una galaxia satélite de M 87, en la constelación
de Virgo, y posee un probable agujero negro cuya masa alcanzaría
la cifra récord de 2 billones de veces la masa solar
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Pero, no todas las estrellas presentan
este final; si la masa de gas de la secuencia principal se encuentra entre
1,44 y 3 veces la masa del Sol, la temperatura que alcanza es tan elevada
que consume rápidamente su combustible nuclear y, al alcanzar el estado
de gigante roja, presenta un tamaño tremendo; estas estrellas se conocen
como "supergigantes" y, en ellas, el colapso gravitatorio es
fortísimo. Algunas consiguen reducir su peso mediante una tremenda explosión
cósmica -fenómeno conocido como "supernova", observada de vez
en cuando por medio de telescopios, como la ocurrida en 1987 en la gran
nube de Magallanes. Como resultado de la explosión, se puede volver de
nuevo a la secuencia principal o formarse, por colapso gravitatorio, una
estrella de neutrones, en la que los electrones de los átomos se incorporan
al núcleo, debido a la gran presión gravitatoria, y allí se unen con los
protones y forman neutrones. Su tamaño es de unas pocas decenas de kilómetros,
pero su densidad es enorme: unas 1013 veces la del agua. Si
la masa de la estrella excede el valor de tres veces la masa del Sol,
su gravedad es tan grande que se acaba formando un agujero negro. También
pueden formarse agujeros negros si se incrementa la masa de una estrella
de neutrones, o a una enana blanca, por encima de cierto límite.
Existen varios candidatos al puesto de
agujero negro en el Universo observable; en la constelación del Cisne
se cree que hay un sistema binario de estrellas, girando una alrededor
de otra, una de las cuales es, muy probablemente, un agujero negro: posee
un tamaño muy pequeño y una gravedad elevada y, aunque no se puede observar
directamente, es una poderosa fuente de rayos X. Éstos se forman cuando
la materia se precipita a gran velocidad sobre él; esta materia la arranca
de su compañera visible.
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Representación esquemática del sistema binario Cygnus
X1, en la constelación del Cisne, en el que un agujero negro y una
estrella supergigante orbitan entre sí. La elevada emisión de rayos
X por parte del sistema se explica debido a que el agujero negro
arranca materia de la estrella supergigante
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Si la formación de un agujero negro es
un proceso fascinante, mucho más fascinante es lo que ocurre con el espacio
y el tiempo en sus alrededores. La Teoría de la Relatividad contempla,
ya sea el espacio o el tiempo, como un todo que se afecta mutuamente y
se ve afectado por la presencia de masa; una imagen clásica de ello es
la siguiente: imaginemos que el espacio-tiempo es una sábana tensa y que
una estrella es una bola de hierro situada sobre ella, que deforma la
superficie en sus proximidades. Una cuadrícula dibujada en la sábana tensa
correspondería a las diversas trayectorias que seguirían los rayos de
luz en el espacio-tiempo; al colocar una masa, la cuadrícula se distorsiona,
es decir, la trayectoria de los rayos de luz se desvía. Este hecho fue
observado experimentalmente poco tiempo después de que Einstein enunciara
su teoría, y sirvió de confirmación a ésta. Según esta imagen, un agujero
negro consistiría en un embudo de infinita profundidad en la superficie
de la sábana, lo que se conoce como una singularidad del espacio-tiempo,
de tales características que, a partir de una zona alrededor del agujero
negro conocida como "horizonte de sucesos", todas las trayectorias
son espirales y conducen al fondo del embudo.
El por qué del nombre de "horizonte
de sucesos" es debido a que, dado que desde el interior de la frontera
no puede escapar un rayo de luz, nada que suceda en el interior puede
afectar al exterior. El horizonte de sucesos es como una puerta que sólo
permite el paso de objetos en una dirección; se puede caer en un agujero
negro, pero no escapar de él. Corresponde a las trayectorias de los rayos
de luz que están a punto de escapar del agujero negro, aunque tardan un
tiempo infinito en hacerlo. Visto desde fuera, la curvatura del espacio-tiempo
en los alrededores del agujero negro es tal que el tiempo discurre paulatinamente
más despacio cuanto más próximo se encuentra uno al horizonte de eventos
y, en el mismo borde, se anula por completo.
Representación gráfica de un agujero de gusano |
Dentro de la singularidad, las ecuaciones
de Einstein dan soluciones imaginarias para el tiempo. Evidentemente,
un tiempo imaginario carece de sentido físico, pero ello no impide
que la imaginación de decenas de físicos -y centenares de escritores
de ciencia ficción- interpreten a su antojo el significado de las
ecuaciones de la Relatividad en el interior de un agujero negro. De
este modo, comenzaron a aparecer algunos artefactos teóricos, como
los "agujeros blancos" -el fenómeno contrario a los agujeros
negros, fuente inagotable de masa y energía- y los "agujeros
de gusano", conexiones entre un agujero negro y un agujero blanco
que, supuestamente, permitirían a un eventual astronauta –lo suficientemente
robusto como para soportar el ingente campo gravitatorio al que debería
someterse- cruzar de forma instantánea a otro punto remoto del Universo
y, tal vez, a un tiempo anterior; en este sentido, los "agujeros
de gusano" serían como puertas espacio-temporales. Todas estas
especulaciones no son más que los resultados que se extraen de exprimir
unas ecuaciones, las de la Relatividad, en determinadas regiones del
espacio donde éstas dejan de ser válidas y de tener capacidad predictiva. |
Representación esquemática de una "puerta espaciotemporal"
a través de un agujero de gusano, que permitiría alcanzar remotas
regiones del Universo a modo de atajo
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En cualquier caso, la relativa abundancia
de estrellas en nuestro Universo observable, cuya masa supera, con creces,
el valor de tres veces la masa de nuestro Sol, obliga a pensar en los
agujeros negros como una realidad de relativamente abundante; se cree
que en el núcleo de la mayor parte de las Galaxias hay un gran agujero
negro. Su existencia se puede detectar, indirectamente, de varias maneras;
bien debido a cierta radiación que emite la materia que se acelera al
caer en ellos, bien mediante la observación de las perturbaciones que
produce en el movimiento de otras estrellas, o en los cambios de luminosidad
que estos agujeros negros producen en estrellas lejanas, a modo de lentes
gravitacionales.
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Esta imagen, obtenida mediante un telescopio desde
la superficie de la Tierra, muestra cómo se detecta un agujero negro
debido a su efecto de amplificación de la luz procedente de una estrella
lejana. En la primera de las imágenes se muestra el aspecto habitual
de una región celeste; en la segunda, se aprecia un inusual aumento
de la luminosidad de una de las estrellas. Se supone que un agujero
negro ha cruzado entre la Tierra y la estrella lejana, y su intenso
campo gravitatorio ha ejercido de lente que hace converger, hacia
la Tierra, los rayos de luz procedentes de esta estrella. Calculando
el valor de la masa y el tamaño del supuesto agujero negro, se obtienen
valores concordantes con esta hipótesis. La imagen de mayor tamaño
es una imagen de alta resolución de la misma región del espacio. |
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