Hoyos Negros ¿Qué son y cómo se forman?

Por Michael Finkel De National Geographic

El Sol, comparada con otra estrella, tiene una masa promedio y una vez que consuma todo su combustible de hidrógeno, dentro de unos 5,000 millones de años, sus capas externas se irán a la deriva y el núcleo se compactará finalmente en lo que se conoce como una enana blanca: una brasa del cosmos del tamaño de la Tierra.

Para una estrella 10 veces más grande que el Sol, la muerte es mucho más dramática. Las capas externas salen disparadas al espacio en una explosión de supernova que, durante un par de semanas, es uno de los objetos más brillantes del universo. Mientras tanto, la gravedad comprime el núcleo hasta convertirlo en una estrella de neutrones: una bola giratoria de unos 20 kilómetros de diámetro. Un fragmento de estrella de neutrones del tamaño de un terrón de azúcar pesaría en la  Tierra 1,000 millones de toneladas. La fuerza gravitacional de una estrella de neutrones es tan grande que si se dejara caer un malvavisco en ella, el impacto generaría la energía de una bomba atómica.

Pero esto no es nada comparado con la agonía que sufre una estrella de 20 veces la masa del Sol. Si cada milisegundo detonáramos una bomba como la de Hiroshima, durante un tiempo igual a toda la vida del universo, nos quedaríamos cortos para alcanzar la energía liberada en los momentos finales del colapso de una estrella gigante. El núcleo de la estrella implosiona y se alcanzan temperaturas de 55,000 millones de grados Celsius. La fuerza aplastante de la gravedad es imparable.  Trozos de hierro más grandes que el Everest se compactan casi instantáneamente al tamaño de granos de arena. Los átomos se destruyen y quedan electrones, protones y neutrones. Esos pedazos diminutos se convierten en una pulpa de quarks, leptones y gluones.  Y  así sucesivamente, más y más pequeños, más y más densos, hasta que... Nadie sabe.

Cuando se trata de explicar un fenómeno así de trascendental, las  dos teorías que gobiernan el funcionamiento del universo -la relatividad general y la mecánica cuántica- se vuelven caóticas, como los instrumentos de un avión que entra en barrena. La estrella se ha convertido en un hoyo negro.

Lo que hace que los hoyos negros sean los abismos más oscuros del universo es la velocidad necesaria para escapar de su fuerza gravitacional. Para vencer la de la Tierra hay que alcanzar 11 km/s. Es una velocidad alta, pero nuestros cohetes han podido alcanzarla desde 1959. El límite de velocidad universal es de 299,792 km/s, la velocidad de la luz. Pero ni siquiera  eso es suficiente para sobrepasar la fuerza con la que atrae un hoyo negro. Por lo tanto, nada dentro de uno puede escapar. Ni siquiera un rayo de luz.  Y, debido a algunos efectos muy extraños de la gravedad extrema, es imposible echar un vistazo al interior de un hoyo negro. Este es un lugar exiliado del resto del universo.

La línea que divide la parte interna y la externa de un hoyo negro se llama horizonte de eventos. Cualquier cosa que cruce el horizonte -una estrella, un planeta, una persona- se pierde para siempre.

Albert Einstein, uno de los pensadores más imaginativos en la historia de la física, nunca creyó que los hoyos negros fueran reales. Sus fórmulas permitían su existencia, pero él sentía que la naturaleza no dejaría que tales objetos existieran. Lo más antinatural para él era la idea de que la gravedad pudiera superar las fuerzas supuestamente más poderosas -la electromagnética y la nuclear- y, en esencia, ocasionar que el núcleo de una estrella enorme desapareciera del universo.

Einstein no estaba solo. Durante la primera mitad del siglo XX, la mayoría de los físicos descartaron la idea de que un objeto pudiera volverse lo suficientemente denso como para asfixiar la luz. Aun así, los científicos habían pensado en esa posibilidad desde el siglo XVIII.

El filósofo inglés John Michell   mencionó la idea en un informe de 1783 a la Real Sociedad de Londres. Nadie les decía hoyos negros a estas curiosidades superdensas. Se les llamaba estrellas congeladas, estrellas oscuras, estrellas colapsadas o singularidades de Schwarzschild. El término “hoyo negro” se usó por primera vez en 1967, durante una conferencia del físico estadounidense John  Wheeler.

En esa misma época hubo un cambio radical en el pensamiento sobre los hoyos negros, debido principalmente a la invención de nuevas técnicas para observar el espacio.

Desde el origen de la humanidad habíamos estado limitados al espectro visible de la luz. Pero en los años sesenta del siglo XX los telescopios de rayos X y de ondas de radio empezaron a usarse ampliamente. Para su sorpresa, los científicos descubrieron que al centro de la mayoría de las galaxias (hay más de 100,000 millones de galaxias en el universo) hay una zona rebosante de estrellas, gas y polvo. En el núcleo de esta zona caótica, en prácticamente todas las galaxias que se observaron, incluyendo nuestra  Vía Láctea, hay un objeto tan pesado, compacto y con una fuerza gravitacional tan feroz que, sin importar cómo se mida, solo tiene una explicación posible: un hoyo negro.

Estos hoyos son inmensos. El que está en el centro de la  Vía Láctea pesa 4.3 millones de veces lo que el Sol. Andrómeda, una galaxia vecina, alberga uno que tiene la masa de 100 millones de soles. Se cree que otras galaxias tiene hoyos negros de 1,000 millones de veces la masa del Sol, y algunos incluso tienen monstruos de hasta 10,000 millones de veces su masa. Los hoyos no nacieron con esa masa. Ganaron peso, como todos nosotros, con cada comida.

Los expertos en hoyos negros también creen que hay hoyos pequeños deambulando en los suburbios galácticos.

En el trascurso de una sola generación de físicos, los hoyos negros pasaron de ser casi una broma -la reducción al absurdo del jugueteo matemático- a hechos aceptados ampliamente. Resulta que los hoyos negros son de los más comunes. Es probable que haya billones de ellos en el universo. Nadie ha visto nunca un hoyo negro, y nadie lo verá jamás. No hay nada que ver. Un hoyo negro no es más que un hueco en el espacio. Mucho de nada, como le gusta decir a los físicos.

La presencia de un hoyo negro se deduce por los efectos que tiene en sus alrededores. Cuando se pregunta a los expertos qué tan seguros están de que los hoyos negros son reales, regularmente la respuesta es 99.9%. Si no hay hoyos negros al centro de la mayoría de las galaxias, debe haber algo aún más extraño...

Debido a la fricción, la materia que se precipita hacia un hoyo negro produce mucho calor. Estos también giran -son básicamente remolinos profundos en el espacio- y la combinación de fricción y giro hace que una cantidad importante de la materia que cae hacia el hoyo negro, a veces hasta 90%, no cruce el horizonte de eventos, sino que salga disparada, como chispas de una piedra de esmeril. Esta materia caliente se canaliza en una corriente de chorro que es lanzada al espacio y se aleja del hoyo a una velocidad fenomenal. Tales corrientes pueden extenderse por millones de años luz y cruzar toda una galaxia. En otras palabras, los hoyos negros revuelven estrellas viejas en el centro galáctico y encausan gases muy calientes producidos en este proceso a las partes externas de la galaxia. Estos gases se enfrían, se fusionan y finalmente forman estrellas nuevas, renovando la galaxia cual fuente de la juventud.

(Existe la falsa) idea, que ha popularizado la ciencia ficción, de que los hoyos negros intentan succionarnos a todos. Un hoyo negro no tiene más poder de succión que una estrella normal; solo posee un poder de sujeción extraordinaria para su tamaño. Si nuestro sol se volviera de pronto un hoyo negro (no sucederá, pero vamos a imaginarlo), mantendría su masa, pero su diámetro se encogería de 1,392,000 kilómetros a menos de 6.5 kilómetros. La Tierra estaría oscura y fría, pero nuestra órbita alrededor de él no cambiaría.  Así que los hoyos negros no succionan.

Suele decirse que los hoyos negros son infinitamente profundos, pero no es cierto.  Al centro de un hoyo negro hay algo misterioso llamado singularidad. Entender una singularidad sería uno de los mayores avances científicos de la historia. Se cree que la singularidad son en extremo diminutas. Más que diminutas: si agrandáramos una singularidad un billón de billón de veces, el microscopio más poderoso del mundo ni siquiera estaría cerca de verla. Pero hay algo ahí, al menos en un sentido matemático.  Algo no solamente pequeño, sino inimaginablemente pesado. La gran mayoría de los físicos opina que sí existen los hoyos negros, pero que son impenetrables. Nunca sabremos qué hay dentro de una singularidad.

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