Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

enero 10, 2007

Agujeros negros por todas partes

Una entidad contradictoria, el agujero negro, parece ser una característica esencial de la conformación de nuestro universo... aunque aún no se ha demostrado totalmente su existencia.

La frase "agujero negro" se ha convertido en parte del lenguaje cotidiano, indicando algo que se traga todo lo que hay a su alrededor. En esta ocasión, el lenguaje popular es preciso, porque tal sería la definición más sencilla de un agujero negro: un objeto tan masivo y tan concentrado que su fuerza gravitatoria atrae todo lo que se acerca demasiado, incluso la luz.

La idea de un objeto con una gravedad así de intensa no es tan novedosa. Fue el geólogo inglés Jonh Michell quien en 1784 sugirió, usando sólo la teoría clásica de Newton, que un objeto con la misma densidad del sol, pero que midiera 500 veces el radio de nuestra estrella, tendría tal atracción gravitacional que para escapar de ella se necesitaría una velocidad superior a la de la luz, 300.000 kilómetros por segundo, y que por tanto dicho objeto sería invisible. Pero fue la teoría gravitacional de Einstein, la relatividad general, la que estableció que efectivamente podría existir un objeto así. Diversos matemáticos y físicos fueron calculando la masa y radio que debería tener un objeto para llegar a "colapsarse" en forma de agujero negro, pues algunos objetos no tienen masa suficiente para convertirse en agujeros negros, y se colapsan en forma de estrellas de neutrones o enanas blancas.

La idea del "colapso" es esencial para comprender los agujeros negros. Todos los objetos tienen masa, de modo que no sólo ejercen atracción gravitacional sobre lo que hay a su alrededor, sino que su centro también atrae a su propia superficie. Como la gravedad es una fuerza tan débil, valga la paradoja, esta atracción no es relevante salvo en cuerpos muy grandes, ya que la contrarrestan las fuerzas de la propia materia de la que están formados los cuerpos. El centro de la tierra atrae así a sus propias capas superiores, pero éstas no caen por estar bien sostenidas por las que están bajo ellas. Pero un objeto con una gran masa puede llegar a ejercer una atracción gravitacional sobre su superficie que haga que ésta "caiga" hacia el centro (o que el objeto como tal se comprima, que es lo que veríamos). Como la gravedad es una fuerza que depende de la masa y de la distancia, al llegar a un tamaño determinado, el objeto se comprimiría tanto que su gravedad llegaría a atraer la luz, y por tanto nada podría salir de él. Sería un agujero negro.

El problema más serio para los físicos es que dentro de un "agujero negro" (nombre que fue creado por el físico teórico John Wheeler en 1967) ocurren cosas que contradicen todo lo que sabemos de física hasta hoy, porque su gravedad alteraría toda la estructura del espacio-tiempo a su alrededor y en su interior. Así, por ejemplo, las ecuaciones que tenemos actualmente predicen que en el interior de un agujero negro el tiempo se detendría por completo y la curvatura del espaciotiempo se convertiría en infinita, así como su gravedad. Estos conceptos son hoy interpretados por la física como indicación de que nuestro conocimiento del universo sigue siendo incompleto. En 1970, Stephen Hawking y Roger Penrose demostraron que los agujeros negros no sólo eran una posibilidad, sino que eran una característica esencial de la teoría de la relatividad.

Dado que no se puede observar directamente un agujero negro, y que las características que podemos observar indirectamente son indistinguibles de las de otros objetos estelares masivos como las estrellas de neutrones, es imposible decir que hoy se haya demostrado que tales objetos existen fuera de las ecuaciones de los cosmólogos. Sin embargo, las observaciones astronómicas han reunido a una gran cantidad de "candidatos" a agujeros negros, con masas que van desde tres o cuatro veces la del sol hasta decenas de miles de millones de veces, los llamados "agujeros negros supermasivos". De hecho, sabiendo que no hay prueba determinante aún, los astrónomos hablan abiertamente de agujeros negros encontrados en el universo mediante observación indirecta, algunos a unos pocos miles de años luz de la Tierra y otros en los confines del universo.

La observación indirecta de los agujeros negros incluye la búsqueda de una distorsión que la gravedad de un agujero negro provoca en la luz de las estrellas que hay detrás de él, el efecto de "lente gravitacional" que predijo Einstein y cuya observación es prueba de que la relatividad es una descripción adecuada del universo. Igualmente, se pueden ver emisiones de "chorros galácticos" que el propio Stephen Hawking demostró que podían realizar los agujeros negros (con lo cual, paradójicamente de nuevo, sí puede salir materia de estos monstruos estelares). Pero la más asombrosa, y la que ha sido recreada por el cine una y otra vez, la absorción de la masa de otra estrella cercana, creando un remolino por el cual desaparece la segunda. Esta absorción fue observada por primera vez por científicos del Instituto Tecnológico de California, utilizando las capacidades de observación ultravioleta del observatorio orbital Galaxy Evolution Explorer (Galex), menos conocido que el Hubble pero esencial para la exploración de nuestro universo.

Aún no se ha demostrado la existencia de los agujeros negros más allá de toda duda, y ciertamente existen hipótesis alternas según las cuales se pueden formar estrellas supermasivas con gravedad irresistible pero que no incluyen las contradicciones que parecen ofrecernos los agujeros negros de la teoría relativista. Pero hasta hoy, ninguna explicación alterna es tan completa como la que se desarrolla a partir de los descubrimientos de Einstein y, si nos atenemos a lo que descubren continuamente los astrónomos, los agujeros negros no sólo son una posibilidad bastante clara, sino que parecen estar por todas partes, a donde quiera que observemos nuestro universo.

Agujeros negros y Big Bang


El punto donde que la atracción gravitatoria es tal que la luz no puede escapar de él se llama "horizonte de eventos". Pero más allá del horizonte de eventos, sólo hay espaciotiempo distorsionado, hasta que en el centro mismo del agujero se encuentra ese ente que los físicos llaman "singularidad", ya que es donde las cantidades que usamos para medir el campo gravitatorio se vuelven infinitas. Lo que vuelve trascendente y esencial el estudio de las singularidades en los agujeros negros es que la teoría del Big Bang parte de considerar que todo nuestro universo surgió al estallar una singularidad, un punto en el tiempo de tamaño cero y masa infinita, y que al estallar creó la masa, el tiempo y el espacio al mismo tiempo. Quizá dentro de los agujeros negros está así el secreto del origen del universo, de la vida y de todo cuanto existe.

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