¿Qué es un agujero negro?

El Universo es un lugar asombroso y, a menudo, aterrador. Con una edad de 13.800 millones de años y un diámetro de 93.000 millones de años luz, el Cosmos contiene algunos cuerpos celestes que parecen desafiar todas las leyes de la física que conocemos. Y algunos incluso directamente las rompen.

Estamos hablando, como no puede ser de otra manera, de los agujeros negros. Estos cuerpos astronómicos no solo son los más densos del Universo, sino también uno de los más misteriosos. En su interior, las leyes de la relatividad general se rompen. No sabemos ni sabremos nunca qué hay dentro de ellos.

Pero aun así, la astrofísica lleva muchos años intentando comprender la naturaleza de estos monstruos del espacio. Y cuanto más conocemos acerca de ellos, más preguntas surgen. Y estos cuerpos que generan una atracción gravitatoria tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de ellos han sido, son y serán un auténtico quebradero de cabeza para la ciencia.

En el artículo de hoy, de la mano de las más recientes investigaciones en el campo de la física que las estudia, traemos la información más importante acerca de los agujeros negros. Veremos qué son, cómo se forman, cómo de grandes son e incluso veremos si mueren. Prepárate para que te estalle la cabeza.

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Los agujeros negros: su verdadera naturaleza

Un agujero negro es una singularidad en el espacio-tiempo. Nada más. Y esto es muy importante tenerlo claro porque, como veremos, hay muchas concepciones erróneas acerca de lo que son (empezando por la de creer que es un agujero). Y con esto en mente, pasemos ya a responder a la pregunta de qué es exactamente un agujero negro.

Un agujero negro es un cuerpo celeste tan increíblemente denso que genera un campo gravitatorio tan intenso que ya no solo es que la materia no pueda escapar de él, sino que ni siquiera la radiación electromagnética puede huir de su gravedad. De ahí que la luz, que no deja de ser un tipo de radiación electromagnética con una longitud de onda de entre 780 nm y 380 nm, también sea absorbida por él.

Más allá de esta sobresimplificada definición, un agujero negro es algo muy extraño. Pero muchísimo. Tan extraño que, en su interior, las leyes físicas que rigen el comportamiento del Universo dejan de funcionar. Los cálculos matemáticos que tan bien predicen el comportamiento del Cosmos, se derrumban cuando intentamos comprender la naturaleza de los agujeros negros.

Pero pongámonos en contexto. Todos los cuerpos con masa (incluido tú mismo), por el simple hecho de tener masa, generan un campo gravitatorio a su alrededor. Y la intensidad de dicho campo dependerá de cómo de masivo sea el cuerpo en cuestión. Así, la Tierra tiene un poder gravitatorio mayor que tú. Igual que el Sol tiene un poder gravitatorio mayor que la Tierra.

Hasta aquí, todo muy sencillo. El problema es que en un agujero negro, esto es llevado al extremo. ¿En qué sentido? Bueno, cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, mayor será la gravedad que genera. Y un agujero negro es de densidad infinita. Y trabajar con infinitos es la pesadilla de los modelos matemáticos.

Como hemos comentado, un agujero negro es una singularidad en el espacio. Una región del espacio-tiempo sin volumen (inconcebible para nuestra mente), lo que, por simples matemáticas, hace que su densidad sea infinita. Es decir, si la densidad se define como la masa dividida entre el volumen y el volumen es 0, un número (la masa que sea) dividido entre 0 da infinito. La densidad de una singularidad es, por definición, infinita.

Por lo tanto, un agujero negro es, en realidad, lo más pequeño que puede existir en el Universo. Es un punto sin volumen pero de densidad infinita. Pero, entonces, ¿por qué los vemos como colosales esferas? Bueno, en primer lugar, no los vemos. Podemos percibir sus efectos gravitacionales, pero recuerda que la luz no escapa de él, así que no pueden verse en el sentido estricto de “ver”.

Es decir, a pesar de que lo que vemos (que no lo vemos) sea un objeto oscuro tridimensional, esa tridimensionalidad queda marcada por el conocido como horizonte de sucesos. Es decir, los límites de la esfera de un agujero negro no es un lugar físico en sí, sino este horizonte.

Pero, ¿qué es el horizonte de sucesos? A grandes rasgos, el horizonte de sucesos designa el radio en el que la luz ya no puede escapar de la atracción gravitatoria del “agujero” (no tiene nada de agujero, es una singularidad). En este sentido, lo que nosotros vemos como un cuerpo celeste es una superficie imaginaria que rodea a la singularidad, localizada en el corazón del “agujero” negro.

En el horizonte de sucesos, la velocidad de escape, es decir, la energía necesaria para escapar de su atracción gravitatoria, coincide con la velocidad de la luz. En el horizonte, necesitas exactamente 300.000 km/s de velocidad para evitar ser engullido por la singularidad. Y como nada puede ir más deprisa (ni exactamente igual) que la velocidad de la luz, a partir de ese horizonte, ni siquiera los fotones (las partículas responsables de la luz) pueden escapar de su atracción. Por eso no podemos (ni podremos jamás) saber qué hay más allá del horizonte de sucesos.

Lo que nosotros percibimos como un objeto tridimensional es en realidad una consecuencia de la existencia de la singularidad, que hace que se forme un “horizonte” después del cual no hay nada que pueda escapar de su atracción (porque tendría que ser más rápido que la velocidad de la luz y eso es imposible). Y es que como hemos dicho, el agujero negro (que no es un agujero) es, en realidad, una región (que no es una región, sino una singularidad espacio-temporal) en el centro de dicho “agujero” en el que toda la materia es destruida y las leyes físicas del Universo se rompen.

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¿Cómo se forma un agujero negro?

Los agujeros negros se forman de una única manera: por la muerte de una estrella hipermasiva. Pero pongámonos en contexto, porque aquí también hay muchas concepciones erróneas. Y, aunque se ha hipotetizado la existencia de micro agujeros negros, por ahora, los únicos cuya existencia está confirmada son los que se forman tras la muerte de una estrella hipermasiva.

Y una estrella muere de una forma u otra dependiendo de su masa. Estrellas con un tamaño similar al del Sol (o similar, tanto por abajo como por arriba), cuando agotan su combustible, colapsan bajo su propia gravedad ya que no hay reacciones de fusión nuclear que tiren hacia fuera, solo su propia masa, que tira hacia dentro. Cuando la gravedad gana la batalla a la fusión nuclear, la estrella colapsa.

Y cuando pasa esto en estrellas pequeñas o medianas, el colapso gravitatorio hace que la estrella se condense enormemente en lo que se conoce como enana blanca. Una enana blanca es un tipo de estrella que es, básicamente, el núcleo de la estrella. Algo así como el remanente que queda de la estrella original después de morir. Una enana blanca tiene un tamaño similar al de la Tierra, por lo que evidentemente, se trata de un cuerpo muy denso. Pero de ninguna manera lo suficientemente denso como para dar lugar a un agujero negro. El Sol nunca se convertirá en uno.

Ahora bien, cuando aumentamos la masa de la estrella, las cosas empiezan a cambiar y se ponen más aterradoras. Cuando una estrella entre 8 y 20 veces más masiva que el Sol muere, el colapso gravitatorio resultante no culmina con la formación de una enana blanca, sino con uno de los fenómenos más violentos del Universo: una supernova.

Una supernova es un fenómeno que sucede tras el colapso gravitatorio de estrellas con una masa de entre 8 y 20 veces la del Sol y que consiste en una explosión estelar donde se alcanzan temperaturas de más de 3 mil millones de °C y se emiten ingentes cantidades de energía, incluidos rayos gamma capaces de atravesar toda la galaxia.

Tras esta explosión, suele quedar como remanente una estrella de neutrones. El colapso gravitatorio ha sido tan intenso que los átomos de la estrella se rompen, fusionándose así los protones y los electrones en neutrones. Y al romper las distancias dentro del átomo, se pueden alcanzar densidades inimaginables. Una estrella de neutrones tendría un diámetro de apenas 10 km pero una masa dos veces más grande que la del Sol.

Pero las cosas pueden ponerse más densas. Con la estrella de neutrones, estamos muy cerca pero a la vez muy lejos de la singularidad. Al fin y al cabo, es muy densa, pero lo que buscamos ahora es algo infinitamente denso. Y la densidad infinita solo se consigue tras el colapso gravitatorio de una estrella hipermasiva.

Cuando una estrella más de 20 veces más masiva que el Sol muere, el colapso gravitatorio resultante deriva en una explosión, pero lo importante es que el núcleo moribundo de la estrella, presa de una gravedad tan inmensa, rompe por completo la materia. Ya no se rompen las partículas directamente. Directamente se rompe la materia.

El colapso gravitatorio ha sido tan intenso que se ha formado una singularidad. Y cuando esto sucede, esa región (o más bien punto) del espacio-tiempo pasa a tener una densidad infinita. Y a partir de ahí, el resto es historia. Ha nacido un agujero negro.

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¿Cómo de grandes son los agujeros negros?

Si nos ponemos técnicos, un agujero negro es, en realidad, lo más pequeño del Universo, pues es una singularidad en el espacio-tiempo. Pero en términos más divulgativos, un agujero negro, si tomamos en consideración el horizonte de sucesos como parte de su “ser”, entonces es de lo más grande del Cosmos.

De hecho, los más pequeños tienen una masa de tres veces la del Sol. Recordemos que para que se formen, la estrella tiene que ser de, como mínimo, 20 veces más masiva que el Sol. Pero pueden ser hasta 120 veces más masivas. En principio, las 120 masas solares es el límite teórico, aunque algunas parecen burlarlo. Pero no nos vayamos del tema.

Los agujeros negros más importantes y que hemos detectado son increíblemente masivos y, de hecho, se cree que todas las galaxias tienen, en su centro, un agujero negro hipermasivo. Es decir, es un agujero negro en el corazón galáctico lo que da cohesión a toda la galaxia.

Sin ir más lejos, la Vía Láctea, nuestra galaxia, tiene en su núcleo un agujero negro conocido como Sagitario A. Con sus 44 millones de kilómetros de diámetro (marcado por su horizonte de sucesos) y una masa 4.300.000 de veces más grande que la del Sol, permite que nuestra estrella, pese a estar a 25.000 años luz de distancia, no solo esté atraída gravitatoriamente por él, sino que orbite a su alrededor a 251 km/s, completando una vuelta cada 200 millones de años.

Las 400.000 millones de estrellas de nuestra galaxia orbitan alrededor de este monstruo. Pero, pese a sus inconcebibles cifras, no está ni entre los 100 agujeros negros más grandes conocidos del Universo. Guarda este dato: el Sol tiene una masa de 1.990 millones de cuatrillones de kg.

Pues bien, TON 618, el agujero negro más grande conocido, tiene una masa de 66.000.000.000 de masas solares. Multiplica 1.990 millones de cuatrillones de kg por 66.000 millones. Este monstruo, situado en el centro de una galaxia a una distancia de 10 mil millones de años luz, es tan inmenso que el diámetro de su horizonte de sucesos es como 1.300 veces la distancia entre la Tierra y el Sol. O, dicho de otra forma, su diámetro es 40 veces el tamaño de la órbita entre Neptuno y el Sol. TON 618 tiene un diámetro de 390 millones de millones de km. Sin duda, el Universo es algo maravilloso y, a la vez, aterrador.

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¿Los agujeros negros mueren?

Por muy sorprendente que parezca, sí. Los agujeros negros también mueren. Y es que a pesar de que hayamos dicho que nada puede escapar de su atracción gravitatoria, esto no es exactamente cierto. Los agujeros negros se evaporan emitiendo lo que se conoce como radiación de Hawking. Muy lentamente, pero se evaporan.

De hecho, una teoría sobre el fin del Universo se basa en esto. La “Masificación de agujeros negros” dice que, dentro de millones de millones de años, todas las estrellas, planetas, asteroides, satélites y cualquier tipo de cuerpo celeste pasará por el horizonte de sucesos de algún agujero negro. Dicho de otra forma, llegará un momento en el que en el Cosmos solo habrá agujeros negros. Nada de luz. Todo oscuridad.

Los agujeros negros terminarán por devorar toda la materia del Universo cuando hasta la última estrella se haya apagado. Y en ese momento, empezará la cuenta atrás. Los agujeros negros que habitarán el Universo irán emitiendo la radiación de Hawking al espacio.

Tardaría trillones de trillones de trillones de trillones de años en suceder, pero en algún instante hasta el último agujero negro del Universo habrá desaparecido. Y en ese instante, en el Universo no habría nada. Solo radiación. Aun así, esta es solo una de las muchas teorías sobre el fin de Todo. No sabemos si este es el destino del Universo, pero sí que los agujeros negros, igual que nacen, mueren.