Explorando los conceptos básicos de los agujeros negros en términos sencillos
Seguramente hemos oído hablar muchas veces de los agujeros negros, pero difícilmente podemos entender su naturaleza si no tenemos ciertos conocimientos básicos sobre física. No obstante, intentar explicar los agujeros negros en términos sencillos, es un ejercicio interesante. Para empezar, deberíamos entender su denominación, es decir, porque los llamamos agujeros y porque negros.
En principio, un agujero es una abertura redondeada que atraviesa una superficie de un lado a otro. Pero esta definición no encaja del todo con nuestros “agujeros negros”. En los agujeros u orificios “normales”, las cosas pueden atravesarlos en ambos sentidos, siempre que alguna de las dimensiones del objeto sea más pequeña que el tamaño del agujero. Es decir, nada impide que lo entra pueda salir. Sin embargo, una de las características fundamentales de los agujeros negros es que lo que entra, nunca sale. Tal vez deberíamos llamarlos pozos en lugar de agujeros, aunque de los pozos también podemos recuperar eventualmente lo que ha caído en ellos. En cuanto a la redondez del agujero “normal”, en el caso del agujero negro es absoluta: su borde es una circunferencia perfecta.
Entendamos ahora que queremos decir con “negros”. Al mirar un pozo, si es suficientemente profundo, ni siquiera veremos la luz reflejada en su fondo. Es decir, podemos afirmar que el fondo del pozo es muy oscuro, incluso negro. En general, decimos que un objeto es de color negro cuando absorbe todos los colores. O dicho de otro modo, no emite ningún fotón o partícula de luz. En el agujero negro sucede lo mismo. No emite ningún fotón porque cualquiera que se aproxime a él, es engullido para siempre. Como decíamos antes, los fotones solo viajan en la dirección hacia el interior del agujero, nunca hacia el exterior.
En resumen, los agujeros negros son lugares del espacio de forma perfectamente circular, donde todo lo que entra nunca sale, incluso la luz. Entonces, nos preguntamos, ¿si no emiten luz, cómo podemos verlos? En realidad, no podemos verlos en el extricto sentido del termino. Son como el hombre invisible, que no podemos verlo, pero si deducir que andaba por allí. En decir, no podemos ver el agujero negro, pero si deducir su presencia por los fenómenos que observamos en el espacio alrededor de él. Aún así, es tremendamente difícil de observar y aunque se dice que en nuestra galaxia podría haber millones de ellos, cuando se observa uno es todo un acontecimiento científico.
Entonces, si nunca hemos visto un agujero negro, ¿qué nos hace buscarlos con tanta insistencia? Todo se debe a las predicciones de la Teoría de la Relatividad General, que explica con mayor detalle y de forma completa los fenómenos en los que interviene la gravedad, más allá de la manzana de Newton que aprendimos en la escuela. Como veremos, es la fuerza de la gravedad la que crea el agujero negro y también la que provoca los fenómenos que observamos alrededor de este.
Comencemos con algo sencillo. Entendemos el vacío absoluto como la ausencia total de materia o radiación. Es decir, donde no hay absolutamente nada. Realmente no existe ningún lugar en el universo donde exista el vacío absoluto. Lo que más se aproxima es el espacio interestelar donde encontramos un sólo átomo por centímetro cúbico. Si esto es difícil de imaginar, pensemos en que nos encontrásemos solos en el centro de una esfera diez millones de veces mayor que el planeta Tierra o en el centro del Sol. También es difícil de imaginar, pero esta dificultad os ilustra la magnitud del vacío.
Esa partícula solitaria de gas interestelar siente la irresistible fuerza de atracción del agujero negro. Cuando la partícula está lejos, empieza a moverse lentamente, aumentando su velocidad a medida que se aproxima. Al principio los átomos aislados están fríos y por tanto vibran muy lentamente o, dicho de otro modo, su longitud de onda es muy grande . Cuando los observamos mediate un telescopio no podemos verlos, pero si las ondas de radio de miles de kilómetros de longitud que emiten. En su trayectoria hacia el agujero negro se encuentran con otras partículas que viajan en la misma dirección, colisionando entre ellas. Estas colisiones aumentan su temperatura hasta varios miles de grados y por tanto su estado vibratorio, dando lugar a radiación en el rango visible. Ahora observamos luz de diferente color, desde el rojo al violeta. Mas cerca del agujero la aceleración de las partículas es mayor y sus colisiones provocan temperaturas de millones de grados y radiación de rayos X y rayos gamma. Si observamos desde nuestro telescopio la region de la que procede esta intensa radiación, veremos en su centro una esfera perfectamente circular y absolutamente negra. Esa zona es la que llamamos agujero negro y a su borde el horizonte del agujero negro. Al atravesar el horizonte las partículas se deben acelerar aún más y encontrarse más calientes, emitiendo radiación de aún mayor energía. Pero la atracción del agujero negro es tan fuerte que ni siquiera deja escapar esta radiación. Nada de lo que atraviesa el horizonte del agujero puede volver, ni siquiera la luz.
La fuerza de atracción del agujero negro depende se su masa. Es decir, aunque no veamos nada, sabemos que lo que sea se encuentre allí tiene una masa enorme. Para calcular cuál es esa masa podemos usar un pequeño truco. Si un objeto describe una órbita alrededor de un agujero negro sin ser atraído por este, tiene que ser porque su movimiento circular ejerce una fuerza centrífuga igual a la fuerza de atracción gravitatoria. Cuanto mayor es la atracción gravitatoria, mayor debe ser la velocidad angular del objeto en rotacion y menor su ciclo orbital. De este modo, si conocemos la velocidad de rotación, podemos calcular la masa del agujero negro. Por ejemplo, una órbita de un millón de kilómetros con un ciclo orbital de cinco minutos, da lugar a una masa igual a diez veces la masa del Sol.
¿De donde proviene la masa del agujero negro? Para entender de donde proviene una masa tan descomunal, debemos remontarnos al origen del agujero negro. Su nacimiento se debe a la muerte de una estrella que implosiona sobre si misma, víctima de su propia fuerza gravitacional. De este modo, su masa es algo mayor que la de la estrella de la que procede.
Además de la masa, existen dos parámetros más que describen las propiedades del agujero. El primero, su momento angular que describe su velocidad de giro. Este debe ser igual al que tenía la estrella antes de su implosión. Y el segundo su carga eléctrica, que no puede ser muy grande, ya que si lo fuese habría atraído carga de signo opuesto que la hubiese neutralizado. Si el agujero negro estuviese girando sobre si mismo, la materia a su alrededor atraída por él describiría una trayectoria curva a modo de remolino. Sin embargo, esto no sucede. No hay un movimiento de rotación de las partículas con un determinado sentido de giro. La dirección promedio de las partículas es en línea recta hacia el centro del agujero. Además, si girase en una determinada dirección, tendría un eje de giro y un cierto abombamiemto en su ecuador, como la Tierra. Sin embargo, es una esfera perfecta, sin ningún abombamiento. Por tanto, podemos decir que el agujero negro no gira sobre si mismo. No sabemos por el momento si las estrella de la que procede estaba girando en el momento de su implosión.
Otro de las características que nos pueden interesar acerca de un agujero negro es su tamaño. Tal vez por ser un objeto en el espacio podamos pensar que se trata de algo grande, tal como nos tienen acostumbrados el tamaño de los planetas, sus satélites e incluso las estrellas. Sin embargo, el tamaño del agujero negro es completamente lo contrario. La circunferencia que describe el horizonte del agujero negro con masa igual a diez masas solares del ejemplo anterior, tiene solamente 185 km, de acuerdo a la relatividad general. Un tamaño ridiculo comparado con el millón de kilometros de la circunferencia del objeto que gira a toda velocidad para escapar de su atracción. En definitiva, tenemos una masa diez veces mayor que el Sol concentrada en un área de menos de 200 km. ¿Cual es la densidad de este objeto? Nada menos que 200 millones de toneladas por centímetro cúbico! Pero es más. La relatividad general afirma que toda la masa del agujero negro está concentrada en un minúsculo punto en su centro llamado singularidad. El tamaño de la singularidad es tremendamente pequeño: cien trillones de veces más pequeño que un núcleo atómico. Por tanto, entre la singularidad y el horizonte reina el vacío, excepto las partículas que se precipitan hacia el interior.
Las implicaciones de la relatividad general y la naturaleza y propiedades de los agujeros negros van mucho más allá de la breve pincelada descrita en estas líneas. Por ejemplo, las propiedades de su horizonte o la naturaleza y características de la singularidad. Estas cuestiones son más complejas y los resultados experimentales son muy escasos, pero tal,vez más adelante volvamos sobre ellas. Estén atentos!
