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¿Qué son los agujeros negros y cómo se forman? Todo lo que debes saber

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En este artículo estaremos hablando de uno de los objetos más impresionantes del cosmos: los imponentes agujeros negros. Son quizás uno de los misterios que más intrigan al ser humano, nos exaltan, nos atemorizan, nos llevan hasta el límite de nuestras capacidades intelectuales.

Hasta el día de hoy, todavía, no tenemos todas las piezas del rompecabezas acerca de estos objetos. Muchas de las preguntas sin respuesta de la física moderna son sobre ellos. Para muchos de los casos solo podemos especular.

Por eso, aquí intentaremos darte repuestas sencillas a muchas de las grandes preguntas de los agujeros negros obviando casi que las ecuaciones. También, profundizaremos en ciertos conceptos, como en los agujeros negros estelares. ¡Ahora, pasemos a descubrir los secretos de los agujeros negros!

John Michell y la primera descripción de un agujero negro

¿Sabías que John Michell fue el primero en describir los agujeros negros? En 1783 empleó la teoría corpuscular de la luz y la ley de la Gravitación Universal de Newton. Así, ideó la primera descripción teórica de un agujero negro.

Expuso que, una estrella con suficiente masa y compacta generaba un campo gravitatorio tan intenso que ni la luz podría escapar. Así, la luz emitida desde la superficie sería atraída por la gravedad antes de que pudiese seguir escapando de la Tierra. Esta estrella tendría que ser 500 veces mayor que el sol, pero con su mismo radio, para que tuviera la misma velocidad de escape que la velocidad de la luz (300 000 km/s).

Aunque la idea tenía varias inconsistencias, en ese momento la mecánica newtoniana era la última herramienta novedosa de la física. Todo eso lo llevó a ser considerado el padre de los agujeros negros.

También, Michell dijo que podríamos detectar agujeros negros si tuvieran alguna estrella luminosa orbitando en torno al mismo. De hecho, este es uno de los métodos, que se utilizan hoy en día.

Interpretación Newtoniana de los agujeros negros

Podemos usar la física newtoniana para entender las ideas de Michell acerca de los agujeros negros. Imaginemos que lanzamos una pelota hacia arriba, ella alcanzará cierta altura y al cabo de unos segundos caerá al suelo. Si lanzamos nuevamente con mayor velocidad lógicamente alcanzará una mayor altura porque se le ha dado una mayor velocidad inicial.

Ahora, preguntémonos:

¿Qué pasa si la lanzamos con suficiente fuerza para que lleve una velocidad inicial mayor que la velocidad de escape de la Tierra (11,2 km/s)?

Sencillamente el objeto saldrá de la gravedad del planeta. Esta es la razón por la cual un cohete espacial debe sobrepasar esta velocidad de escape, para que pueda llegar a la estación espacial.

¿Y, si un objeto fuese tan macizo que la velocidad de escape fuese igual a la velocidad de la luz?

Entonces, estimado lector, acabamos de encontrarnos con un agujero negro. Ni siquiera la luz podría escapar de su atracción gravitatoria. John Michell llamó a esto: estrella oscura; la versión newtoniana del siglo XVIII.

John Michell mediante la mecánica Newtoniana para explicar la velocidad de escape de la luz.
Imagen 1. John Michell teorizó que podría haber una estrella con tanta gravedad, que si la velocidad de escape era igual a la velocidad de la luz haría que esta regresase a la superficie y nunca pudiese escapar. Comparó esto con lanzamiento un objeto a diferentes velocidades. El cuerpo A y B caerán al suelo, el cuerpo C quedará orbitando la Tierra, el cuerpo D tendrá una órbita más elíptica y por último, el cuerpo E escapará de la gravedad porque superará la velocidad de escape de la Tierra.

De interés:
¿Qué es la masa y el peso de un cuerpo? ¿Cómo se relacionan?
Ecuaciones del movimiento de proyectiles

La gravedad y los agujeros negros

Aunque los estudios posteriores a Michell no avanzaron mucho, todo cambió con la llegada de la Relatividad General de Einstein en 1915. Teoría que incluía una nueva forma de ver la naturaleza de la gravedad. Ahora la gravedad pasaría a ser una consecuencia de la deformación del espacio tiempo.

Con las ecuaciones de la teoría de la relatividad también pudimos obtener una de sus predicciones más sorprendentes: la concepción teórica de los agujeros negros. Aunque esta última no fue aceptada por el propio Einstein.

Así, las estrellas oscuras de Michell pasaron a ser llamadas en los años 30 como: estrellas congeladas, cuya velocidad de escape excede a la de la luz. Y, posteriormente en 1969, John Wheeler acuñó el nombre de «agujeros negros».

Deformación del espacio tiempo y los agujeros negros
Imagen 2. Un objeto masivo deforma la geometría del espacio que lo rodea, por lo que otros objetos sienten esta perturbación y son atraídos al primer objeto. Así, la gravedad es una consecuencia de la deformación del espacio tiempo producto de la masa. Foto: Luis María Benítez-Wikipedia.

¿Qué es un agujero negro?

La mejor manera de entender qué es un agujero negro es sabiendo cómo se forma uno de tipo de masa estelar. Así, de forma simplificada, podemos imaginar una estrella un tanto más masiva que nuestro sol, y que está en su última fase de vida, donde la gravedad está comprimiendo cada vez más su núcleo. Llegará a un instante donde la gravedad es tan intensa que la estrella explotará en una supernova, quedando así una estrella más compacta, ya sea en una enana blanca o en una estrella de neutrones. Si a pesar de esto la gravedad sigue comprimiendo la estrella, entonces se formará un agujero negro.

Un agujero negro como tal, no se puede observar (de ahí su nombre), sin embargo sí es posible detectar el disco de acreción a su alrededor, el cual se forma por la materia que es atraída hacia el centro del agujero. Desde luego, esta materia ya no tiene escapatoria una vez atraviesa el horizonte de sucesos.

Así, definiremos a un agujero negro como una región del espacio tiempo finita. Cuya influencia gravitacional es tan grande que nada, ni siquiera la luz, puede escapar.

Pese a su nombre, los agujeros negros no están vacíos. De hecho, ellos tienen una enorme cantidad de materia concentrada en un área tan pequeña que provoca una gran fuerza gravitacional.

Tela-espacio-tiempo.-Baloncesto

Imagínate…

Que estamos en algún lugar de la «tela» del espacio-tiempo. Veríamos que un agujero negro es como un pozo profundo parecido a una red de basquetbol que, cualquier cosa que sobrepase el límite de la red (horizonte de sucesos) caería abruptamente y no podría salir (sería imposible sacar el balón).

Para que tengamos una idea del inmenso poder de los agujeros negros, ellos pueden ejercer tanta fuerza gravitatoria sobre todos los cuerpos a su alrededor que ni siquiera los fotones (partículas de la luz) podrían escapar. ¿Imagínate si entráramos a uno?

Partes de un agujero negro 

Partes de un agujero negro supermasivo.
Imagen 3. Partes de un agujero negro: singularidad, horizontes de sucesos, esfera de fotones, chorros relativistas, última órbita estable, disco de acreción. Foto: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann

¿Qué es el Radio de Schwarzschild?

Poco tiempo después de que se publicará la teoría de la Relatividad General, el físico alemán Karl Schwarzschild encontró la primera solución de las ecuaciones de Einstein para un agujero negro no rotativo. Describía el campo gravitacional producido por una estrella esférica y que no gira.

Con esto, predijo la existencia de una singularidad. Ese punto central en el hoyo negro que es infinitamente pequeño y denso, donde el espacio y tiempo terminan. Y, como si fuera poco todas las leyes y ecuaciones dejan de funcionar.

En sus cálculos predijo que había una esfera imaginaria de radio crítico con propiedades muy raras. Acababa de redescubrir las estrellas negras de John Michell, 132 años después utilizando la Teoría de la relatividad.

El radio de Schwarzschild (Rs) nos indica el límite a partir del cual ya no se puede escapar de un agujero negro. Allí, la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz.

Así, tenemos que:

  • Cuando una estrella colapsa produce otra estrella que, si el radio resultante (R) de esta es mayor que el radio de Schwarzschild (Rs), entonces, la luz podrá escapar.
  • Si el cuerpo colapsado tiene un radio menor que (Rs), entonces la luz no podrá escapar, la estrella se convertirá en un agujero negro. La velocidad necesaria para escapar será mayor que la de la luz, y la relatividad nos pone un límite, y es que nada puede ir más rápido que la luz.
radio-de-Schwarzschild
Imagen 4. La distancia entre la singularidad y el horizonte de sucesos es llamado radio de Schwarzschild. El horizonte de sucesos es la superficie imaginaria que cubre la singularidad y es del tamaño del radio de Schwarzschild.

Horizontes de sucesos

A medida que nos vamos acercando a un agujero negro, su gravedad nos va atrayendo más, y si nos descuidamos terminaríamos llegando a un punto conocido como horizonte de eventos.

El horizonte de sucesos o eventos es el límite imaginario que separa lo que está dentro del agujero negro del exterior, y que marca el punto de no retorno. Tiene un radio igual al radio de Schwarzschild, donde la velocidad de escape es igual a la de la luz.

Cuando la luz queda atrapada en el campo gravitacional del agujero negro, no toda la luz es tragada inmediatamente (unos que otros fotones si) la misma comienza a dar órbitas alrededor del horizonte de sucesos (como si fuese el agua que gira en torno al sumidero de nuestro lavamanos). Como en esa área la gravedad es tan intensa, la fricción del material produce plasma y los fotones emitidos forman un anillo o esfera de fotones.

Horizonte-de-sucesos. Agujeros negros.
Imagen 5. Representación artística del horizonte de sucesos de un agujero negro. Foto Science photo library.

Así, lo único que podemos observar y medir de un agujero negro (hasta el momento) es todo lo que está fuera del horizonte de eventos como:

  • Su masa: debido a la interacción gravitacional sobre otros objetos.
  • La carga eléctrica: por las fuerzas eléctricas que ejerce sobre otros cuerpos cargados.
  • Su momento angular: porque un agujero negro en rotación va arrastrando el espacio que hay a su alrededor.

En resumen:

  • El horizonte de sucesos es la frontera imaginaria en forma esférica alrededor del hoyo negro que una vez es cruzada su superficie nada puede regresar, ni la luz.
  • No podemos ver los sucesos que ocurren dentro. Nada ni nadie puede salir y viajar hacia nosotros para decirnos, qué tan maravilloso o aterrador fue el viaje.
  • Todo lo que cae será llevado hasta el centro del agujero negro donde la materia está tan comprimida y donde todo acaba, incluso el tiempo.

El ciclo de las estrellas y la formación de los agujeros negro estelares

¿Alguna vez te has preguntado como se forman los agujeros negros? Pues, hay varios tipos de clasificaciones. Nosotros nos enfocaremos en los agujeros negros estelares. Es decir: lo que se forman a partir de estrellas. Para entender esto, primero debemos saber de manera básica como es el ciclo de vida de las estrellas. ¡Básicamente, lo que veremos será la fabricación una estrella hasta sus últimos momentos de vida!

Preparación y formación

Las estrellas se forman a partir de nubes de polvo y gas, que comenzaron a formarse poco después del Big Bang, hace 13 800 millones de años. Estas nubes están formadas principalmente por Hidrógeno, también en menor proporción por Helio y otros elementos más pesados. Así, una estrella tiene en proporción un 71% de hidrógeno y 27% de Helio.

Hasta aquí, tenemos ya está todo listo para fabricar una estrella, ahora nos falta algo para mezclar, hablamos de la gravedad. La gravedad comienza a comprimir y a mezclar todos los componentes químicos, para darle forma a la estrella que comienza a «encenderse».

Horno estelar

La estrella se va calentando y comienza a liberar energía por la fundición de los átomos de Hidrógeno. Esto a su vez producirá radiación, y por lo tanto la estrella brillará. En parte, esto puede verse como una explosión de una bomba de hidrógeno controlada.

A medida que se van comprimiendo los átomos de Hidrógeno, van colisionando entre sí, por lo que la presión y la temperatura aumentan lo suficiente como para fundirse en Helio.

Estrella terminada

A partir de aquí comienza a interactuar dos fuerzas para mantener la estrella en equilibrio. Por un lado, la energía liberada por la fusión de los átomos, actuará en expandir la estrella, y por el contrario la gravedad empujará a la estrella hacia su centro. Podemos imaginar esto como un globo que está inflado donde el gas en su interior ejerce una fuerza hacia afuera y la presión atmosférica trabaja en empujar hacia adentro (equilibrio hidrostático).

Como resultado podemos tener estrellas de poca masa como la enana roja del sistema planetario Trappist-1, una de masa media como la de nuestro sol, o una masiva como Spica.

¿Qué tipo de estrella se convierte en un agujero negro?

Ahora bien, ya que sabemos el ciclo de vida de una estrella, te preguntarás: pero bueno, ¿Cómo sabemos el tipo de estrellas que se trasforma en un agujero negro? La repuesta se basa en la masa de la estrella.

Las estrellas viven millones de años consumiendo su propio combustible (Hidrogeno y Helio), curiosamente mientras más grandes más rápido lo consumen. Esto se debe, ya que, al ser masivas más radiación deben producir para contrarrestar la fuerza gravitatoria, y mantener el equilibrio hidrostático.

Cuando la estrella consume todo su combustible no podrá contrarrestar la gravedad y colapsará sobré ella misma. Uno de los resultados de este colapso (remanente estelar) es que: en estrellas menos masivas queda una enana blanca. En las estrellas más grandes (mayores a 20 masas solares), puede ocurrir una gran explosión conocida como supernova donde el remanente estelar es una estrella de neutrones o un agujero negro estelar.

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Imagen 6. Ciclo de vida de las estrellas. Foto: Paulailustra-wikimedia.

Límites de Chandrasekhar y Tolman-Oppenheimer-Volkoff

Existe un límite de la masa máxima que puede alcanzar una estrella enana blanca después de haber colapsado. Esto se conoce como el límite de Chandrasekhar fue propuesto por astrofísico Subrahmanyan Chandrasekhar a sus 19 años.

Cuando la estrella se va contrayendo, va perdiendo su capa exterior formando así una nebulosa. Si después de esto la estrella tiene una masa igual o menor de 1,44 veces la masa del Sol (entonces se convertirá en una enana blanca). Por ejemplo, en la Nebulosa Helix, se puede apreciar una enana blanca que ha desprendido su capa externa.

Por otro lado, las estrellas por arriba del límite de Chandrasekhar pueden terminar en explosiones violentas, conocidas como supernovas. La estrella que queda tras esta explosión es una estrella de neutrones o incluso un agujero negro. Un claro ejemplo de esto es la Nebulosa del Cangrejo.

En cuanto a las estrellas más grandes, si la masa final excede 1,44 masas solares, entonces colapsará en una estrella de neutrones. Si la estrella de neutrones sigue colapsando, hasta superar el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (2.10 – 2.25 masas solares), entonces terminará convirtiéndose en un agujero negro.

  • Así, los agujeros negros estelares son restos de estrellas muy masivas que terminaron todo su combustible nuclear y colapsaron bajo su propia fuerza gravitacional.
  • Los elementos químicos que tenemos en la Tierra es producto de las violentas explosiones de las supernovas que desprenden su material por el universo. Como dijo Carl Sagan: «Somos polvo de estrellas».
Representación de un agujero negro estelar absorbiendo el material de su estrella compañera
Imagen 7. Representación de un agujero negro estelar absorbiendo el material de su estrella compañera. Foto: ESO/L. Calçada/M.Kornmesser.

¿Qué hay dentro de un agujero negro?

Siendo sinceros, no hay forma en que podamos saber qué hay dentro de un agujero negro, precisamente por el hecho de que nada puede salir del horizonte de sucesos. Solo podemos inferir mediante ecuaciones, esas herramientas matemáticas que van más allá que nuestros sentidos.

Sabemos que en la naturaleza debe haber un equilibrio entre fuerzas opuestas, la gravedad, que tiende a comprimir es contrarrestada por otra fuerza de repulsión, por ejemplo la fuerza electromagnética, y de esta manera se pueden formar diferentes estructuras en el universo.

Pero, dentro de un agujero, la gravedad es tan intensa que no tiene fuerza alguna que la contrarreste y arrastra consigo todo objeto que pase su horizonte de sucesos, llevándolo al punto central de este, la singularidad.

Quizás si en el futuro pudiéramos entrar a uno, suponiendo que pudiéramos sobrevivir, talvez pudiéramos viajar en el tiempo mediante un agujero de gusano y salir en otro universo, mediante otro agujero, llamado agujero blanco. ¡Desde luego que, todo esto por el momento es ficción!

Agujero-negro.-Agujero-de-gusan.-Agujero-blanco
Imagen 8. Representación teórica de como sería la estructura de un agujero de gusano que nos permitiese viajar en el espacio-tiempo. La nave entraría por el agujero negro y llegaría a un agujero blanco, donde la materia pudiera salir.

Relatividad: ¿Qué pasa con el tiempo en las proximidades de un hoyo negro?

Debido a la intensa gravedad del agujero negro, el espacio- tiempo se deforma, por lo tanto, el tiempo no transcurre igual para un observador alejado del agujero negro que, para uno que está muy próximo al mismo.

Imaginemos que hay una expedición en busca de planetas orbitando cerca de un agujero negro, y la misión es descender parte de los expedicionarios a unos de esos planetas, mientras que la nave principal se queda orbitando.

Debido a la gran distorsión espacio-temporal que crea el agujero negro, el tiempo para los astronautas que descendieron pasará más lento, aunque para ellos todo estará transcurriendo de forma normal, solo notarán que algo está mal si decidieran contactar a la nave.

Así, para