Agujeros Negros: Comprender El Enigma Más Fascinante Del Universo

Nacen de la muerte de grandes estrellas, absorben materia, alteran el flujo del tiempo y, según Stephen Hawking, incluso emiten calor. Les proponemos descubrir los agujeros negros, esos objetos cósmicos donde las leyes de la física tocan sus límites.

Los agujeros negros: un enigma en los límites de la física.

Un agujero negro es lo que queda de una gran estrella que, después de haber quemado todo su combustible, se ha colapsado sobre sí misma hasta el punto de cavar un verdadero agujero en el espacio. El agujero negro fascina porque es un lugar del universo donde las grandes teorías de la física (la relatividad general, la mecánica cuántica y la ciencia del calor) alcanzan sus límites y se ven obligadas a dialogar.

Durante mucho tiempo, los agujeros negros no fueron más que una consecuencia teórica de las ecuaciones de Albert Einstein, una curiosidad en la que pocas personas creían realmente. Hoy en día, los astrónomos observan miles de ellos en el cielo y los estudian en detalle. La materia de las estrellas que los formaron se precipitó hacia adentro y desapareció de nuestra vista... pero ¿a dónde fue? Esa es una de las grandes preguntas aún abiertas.

El agujero negro reserva otras sorpresas. El físico inglés Stephen Hawking calculó que un agujero negro emite calor, un poco como un radiador. Y el tiempo no transcurre al mismo ritmo que afuera, al punto de que un evento muy breve en su interior puede parecer durar mucho tiempo visto desde el exterior.

Nota: para entender un agujero negro, primero hay que aceptar una idea poco intuitiva. El espacio no es una caja vacía e inmóvil en la que los objetos se mueven, es una especie de inmenso molusco flexible, que ondula, se curva, se retuerce y puede, en casos extremos, cavarse.

¿Cómo nace un agujero negro? El colapso de una gran estrella.

Un agujero negro se forma a partir de una gran estrella que ha quemado todo su combustible, el hidrógeno, y que finalmente se apaga. Privada del calor de la combustión que la sostenía, lo que queda de la estrella colapsa bajo su propio peso, hasta curvar el espacio al punto de excavar un agujero.

La formación de un agujero negro se puede resumir en cinco etapas:

• la gran estrella quema su hidrógeno, y el calor de esta combustión le impide colapsar,
• el combustible se agota y la estrella se apaga,
• lo que queda de la estrella ya no es sostenido por el calor y colapsa bajo su propio peso,
• la materia se vuelve cada vez más densa y curva el espacio cada vez más fuertemente,
• el espacio termina por excavarse con un agujero sin salida: el agujero negro ha nacido.

Para medir la violencia de este colapso, tomemos el ejemplo de nuestro Sol. Si el Sol tuviera que formar un agujero negro cuando deje de quemar, este agujero negro tendría un diámetro de aproximadamente un kilómetro y medio solamente. ¡Toda la materia de nuestra estrella, aunque gigantesca, estaría comprimida en una esfera de un kilómetro y medio de ancho!

El nacimiento de un agujero negro quizás no siempre pase por la muerte de una estrella. Algunos físicos consideran que agujeros negros de diferentes tamaños se formaron en el "crisol" de los primeros instantes del universo, y que algunos de ellos están explotando hoy en día.

Relatividad general: cuando el espacio se curva hasta cavar un agujero.

La relatividad general explica los agujeros negros a partir de una idea simple: la materia curva el espacio, y una materia extremadamente concentrada puede curvarlo hasta el punto de crear un agujero. En la teoría que Albert Einstein completó en noviembre de 1915, el campo gravitacional no está extendido en el espacio, es el espacio mismo.

Antes de Einstein, Newton explicaba la caída de los cuerpos y el movimiento de los planetas mediante una "fuerza de gravedad" que actuaba a distancia, en un espacio visto como un inmenso contenedor vacío. La relatividad general reemplaza esta fuerza misteriosa por una curvatura. La imagen más elocuente es la de una canica rodando en un embudo: nada la atrae hacia el centro, es la pendiente de las paredes la que la hace girar. De la misma manera, la Tierra gira alrededor del Sol porque avanza en línea recta en un espacio que el Sol inclina a su alrededor.

Para describir esta curvatura, Einstein utilizó las matemáticas de las superficies curvas inventadas por Carl Friedrich Gauss, que luego fueron ampliadas a espacios tridimensionales y más por su alumno Bernhard Riemann. La ecuación de Einstein dice que la curvatura de Riemann, denotada como R, es proporcional a la energía de la materia. En términos simples: el espacio se curva donde hay materia (y la ecuación se expresa en media línea, lo que no impidió que el físico ruso Lev Landau viera en la relatividad general "la más bella de las teorías científicas").

El tiempo, también, se curva: pasa más rápido en altitudes y más lentamente cerca de la Tierra, una diferencia minúscula pero medible. El agujero negro es el caso extremo de la relatividad general, aquel en el que la curvatura se vuelve tal que el espacio se hunde en un agujero sin salida y el tiempo, en su interior, ya no transcurre al mismo ritmo que en el exterior.

De la predicción poco creíble a los miles de agujeros negros observados.

Los astrónomos observan hoy miles de agujeros negros en el cielo y los estudian en detalle. Estos agujeros negros observados nacieron de estrellas que colapsaron sobre sí mismas, cuya materia se precipitó hacia adentro y desapareció de nuestra vista.

Esta cifra de varios miles sorprende cuando se considera de dónde venimos. No hace tanto tiempo, los estudiantes de física aprendían que los agujeros negros eran solo predicciones poco creíbles de una teoría esotérica, la relatividad general. Muy pocos imaginaban que algún día se contabilizarían tantos.

La historia de los agujeros negros se asemeja a la de otras predicciones de la relatividad general, que al principio parecían delirios de un científico loco antes de ser verificadas una a una:

• la desviación de la luz por la curvatura del espacio alrededor de una estrella, observada en 1919,
• el tiempo que pasa más rápido en altitud que al nivel del mar, medido y constatado,
• la expansión del universo, observada en 1930,
• las ondas gravitacionales, esas ondulaciones del espacio cuyos efectos en las estrellas binarias confirman la teoría con una precisión de uno entre cien mil millones,
• y los agujeros negros, que pasaron del estatus de hipótesis dudosa al de objetos observados por miles.

Una limitación, sin embargo: ver miles de agujeros negros no significa saber lo que sucede en su interior. El interior de un agujero negro escapa a nuestra vista, y el destino de la materia que ha caído en él sigue siendo una pregunta abierta en la física.

La ecuación de Einstein y el Big Bang: otra predicción confirmada.

La ecuación de Einstein predice que el espacio no puede permanecer inmóvil: el universo debe estar en expansión, y esta expansión del universo ha sido efectivamente observada en 1930. La misma ecuación indica que la expansión debió ser desencadenada por la explosión de un universo joven, muy pequeño y muy caliente: eso es el Big Bang.

Al igual que con los agujeros negros, la predicción del Big Bang por la ecuación de Einstein inicialmente dejó a todos escépticos. Nadie realmente creía en ello. Luego, las pruebas se acumularon, hasta la observación en el cielo de la radiación cósmica, ese resplandor difuso que es el remanente del calor de la explosión inicial.

¿Por qué hablar del Big Bang en relación con los agujeros negros? Porque ambos fenómenos surgen de la misma ecuación de la relatividad general, y porque plantean el mismo rompecabezas: en ambos casos, materia se encuentra comprimida en un espacio diminuto, donde la relatividad general por sí sola ya no es suficiente y donde la mecánica cuántica debe entrar en juego.

Nota Bene: la gravedad cuántica de bucles, una línea de investigación que intenta unir la relatividad general y la mecánica cuántica, sugiere que el Big Bang podría haber sido en realidad un "Big Bounce", es decir, un gran rebote. Nuestro universo habría nacido de un universo anterior que se contraía bajo su propio peso, hasta alcanzar el tamaño de una cáscara de nuez, antes de rebotar y comenzar a dilatarse nuevamente. Un mecanismo de rebote que algunos físicos también imaginan en el corazón de los agujeros negros.

Stephen Hawking y el calor de los agujeros negros

Stephen Hawking mostró, apoyándose en la mecánica cuántica, que los agujeros negros siempre son "calientes": emiten calor, una radiación comparable a la de un radiador. Este resultado del físico inglés es el primer indicio concreto de lo que es un "espacio caliente".

Para medir la magnitud del cálculo de Hawking, hay que saber qué es el calor. Hasta mediados del siglo XIX, los físicos lo imaginaban como una especie de fluido, el "calórico". Maxwell y Ludwig Boltzmann comprendieron que no es así: un cuerpo caliente es simplemente un cuerpo cuyos átomos y moléculas se mueven más rápido. El aire caliente es un aire donde las moléculas corren rápido, el aire frío es un aire donde corren más lentamente, así de simple.

Los físicos saben describir un campo electromagnético caliente, como la radiación que reina en un horno: se puede imaginar como un gas de fotones que vibran al azar. Pero según la relatividad general, el campo gravitacional es el propio espacio, e incluso el espacio-tiempo. Un campo gravitacional caliente, por lo tanto, es un espacio y un tiempo que vibran... y nadie tiene aún las ecuaciones para describir un espacio-tiempo caliente de este tipo.

El agujero negro caliente de Hawking es valioso precisamente por esta razón: es un efecto cuántico que ocurre en un objeto de naturaleza gravitacional. El cálculo ha sido reinterpretado de múltiples maneras diferentes, y muchos físicos hoy consideran que el calor de los agujeros negros es real. Nota: Stephen Hawking también se mantuvo famoso por haber continuado su trabajo a pesar de graves problemas médicos que lo habían postrado en una silla de ruedas y privado del habla.

¿Por qué nadie ha observado nunca el calor de los agujeros negros?

No, el calor de los agujeros negros nunca se ha observado. Para los agujeros negros reales que los astrónomos ven en el cielo, este calor predicho por Stephen Hawking es demasiado débil para ser detectado.

Esta es la gran debilidad del caso: el calor de los agujeros negros se basa en un cálculo, no en una medida. El cálculo se considera convincente, se ha repetido por otros caminos, y muchos físicos consideran el fenómeno como real. Pero una predicción, por elegante que sea, sigue siendo una predicción hasta que la experiencia no haya decidido.

La prudencia es aún más necesaria ya que la física ya ha conocido teorías seductoras desmentidas por los hechos. Una teoría de los años 1970 llamada SU(5) predecía que el protón eventualmente se desintegraría: físicos rodearon con detectores toneladas de agua, que contienen miles de millones de protones, y algunos dedicaron su vida a ello... sin jamás ver un solo protón desintegrarse. Las partículas llamadas "supersimétricas", esperadas con confianza durante décadas, tampoco se han manifestado.

Ante la imposibilidad de medir el calor de los agujeros negros, los físicos buscan otras formas de probar la física cuántica de estos objetos, por ejemplo, vigilando en los rayos cósmicos de alta energía las señales de posibles pequeños agujeros negros que estén explotando. Nada está asegurado: la cuestión sigue abierta, y precisamente eso es lo que la hace apasionante.

Los átomos del espacio que hacen vibrar la superficie de un agujero negro.

Los átomos de espacio son, según la gravedad cuántica de bucles, los granos elementales de los que estaría constituido el espacio: el espacio no sería ni continuo ni divisible hasta el infinito, sino que estaría formado por diminutos quanta. Estos átomos de espacio serían también los que, al vibrar, calientan la superficie de un agujero negro.

La gravedad cuántica de bucles parte de dos constataciones muy simples. La relatividad general enseña que el espacio es un campo, algo dinámico que puede comprimirse y torcerse. La mecánica cuántica enseña que todo campo está hecho de quanta, con una estructura fina en granos. Si se toman ambas en serio al mismo tiempo, sin añadir nada, el propio espacio debe estar "hecho de quanta".

Estos granos de espacio son de una pequeñez que da vértigo:

• un mil millones de millones de veces más pequeños que el más pequeño de los núcleos atómicos,
• millones de millones de veces más pequeños que la más pequeña distancia que logran sondear nuestros instrumentos más potentes, como el gran acelerador de partículas de Ginebra.

Se habla de "bucles" porque cada átomo de espacio está conectado a otros y forma con ellos una red, a la manera de los anillos de hierro de una cota de malla. ¿Dónde se encuentran estos átomos de espacio? En ninguna parte: no están en el espacio, son el espacio. Nota: la gravedad cuántica de bucles, desarrollada por equipos de varios países (Francia ocupa un lugar destacado), aún no ha recibido verificación experimental, y existen otras líneas de investigación junto a ella.

¿A dónde va la materia que cae en ella? La estrella de Planck.

Nadie sabe con certeza qué sucede con la materia que cae en un agujero negro, pero una hipótesis audaz propone una respuesta: esta materia acabaría formando una "estrella de Planck". Según la gravedad cuántica de bucles, la materia de un agujero negro no puede colapsar en un punto infinitamente pequeño, simplemente porque el espacio no tiene puntos infinitamente pequeños, solo regiones de tamaño finito.

El escenario de la estrella de Planck se desarrolla en cuatro etapas:

• la materia de la estrella colapsa bajo su propio peso y se vuelve cada vez más densa,
• al llegar a cierto grado de compresión, la mecánica cuántica genera una presión contraria,
• esta presión, nacida de las fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo, acaba equilibrando el peso de la materia: es la estrella de Planck,
• la estrella de Planck no es estable, una vez comprimida al máximo, rebota, lo que conduce a la explosión del agujero negro.

Tomemos un ejemplo. Si el Sol algún día formara un agujero negro de aproximadamente un kilómetro y medio de diámetro, su materia seguiría colapsando en su interior hasta formar una estrella de Planck del tamaño de un átomo: ¡todo el Sol cabría en el espacio de un átomo! Y si los agujeros negros parecen durar tanto tiempo, es porque el tiempo no transcurre a la misma velocidad dentro y fuera (un poco como pasa más rápido en la montaña que al borde del mar, pero con una diferencia enorme). El rebote, muy breve para un observador imaginario sentado en la estrella de Planck, parece extremadamente lento visto desde el exterior.

Por lo tanto, un agujero negro sería una estrella que rebota sobre sí misma a cámara lenta. Si pequeños agujeros negros nacidos al principio del universo explotan hoy, sus señales podrían aparecer en los rayos cósmicos de alta energía, e incluso en los estallidos de radio rápidos (Fast Radio Bursts, o FRB) ya captados por radiotelescopios. La idea también podría no funcionar: quizás no se hayan formado suficientes agujeros negros en el universo primordial, y estos estallidos de radio pueden tener otro origen.

Cuántica, gravedad y termodinámica: la piedra de Rosetta de los agujeros negros

El vínculo entre la gravedad cuántica y la termodinámica de los agujeros negros pasa por el calor de su superficie: son los granos elementales de espacio, los "átomos de espacio", que al vibrar calientan la superficie de un agujero negro. El calor de los agujeros negros reúne así tres saberes fundamentales que la física aún no ha logrado fusionar en una sola teoría: los quanta, la gravedad y la termodinámica.

La termodinámica es la ciencia del calor y la temperatura. Su origen probabilístico se ha comprendido gracias a las ideas del físico austriaco Ludwig Boltzmann, ideas consideradas absurdas en vida (Boltzmann, que nadie tomaba en serio, se suicidó el 5 de septiembre de 1906 en Duino, cerca de Trieste, sin ver sus trabajos reconocidos). La termodinámica y la mecánica estadística se han extendido luego a los campos electromagnéticos y a los fenómenos cuánticos. Sin embargo, su extensión al campo gravitacional todavía se enfrenta a un problema no resuelto.

El fondo del problema es que los dos pilares de la física moderna se contradicen. Un estudiante que asistiera por la mañana a una clase de relatividad general y por la tarde a una clase de mecánica cuántica escucharía describir dos mundos incompatibles: por la mañana, un espacio curvo donde todo es continuo, por la tarde, un espacio plano donde saltan quanta de energía. Y, sin embargo, ambas teorías funcionan notablemente bien. Los físicos ven en ello una oportunidad, porque fue reconciliando dos teorías que funcionaban que Newton encontró la gravitación universal (combinando las parábolas de Galileo y las elipses de Kepler) y que Maxwell reunió la electricidad y el magnetismo.

Por eso el calor de los agujeros negros puede compararse con una piedra de Rosetta: un texto escrito en tres lenguas (Quanta, Gravedad y Termodinámica) que espera ser descifrado. La gravedad cuántica comienza a relacionar dos de estas lenguas, pero nadie tiene aún el más mínimo borrador de teoría capaz de conectar las tres, ni entiende realmente por qué los agujeros negros calientan. El día en que este texto sea leído, podría decirnos qué es realmente el flujo del tiempo.

Agujeros negros y el flujo del tiempo: lo que queda por comprender.

Los agujeros negros podrían ayudar a entender la naturaleza del tiempo que transcurre, porque su calor conecta el espacio, los quanta y el calor, y es precisamente el calor el que da dirección al tiempo. En física, la diferencia entre pasado y futuro solo aparece cuando hay calor.

Haga la experiencia en su mente con un péndulo. Imagínelo sin ninguna fricción, grábelo y reproduzca la película al revés: el movimiento parece igualmente plausible. Añada fricción: el péndulo calienta sus soportes, pierde energía, se ralentiza, y usted distingue inmediatamente la película en su orden original de la película al revés (nadie ha visto nunca un péndulo en reposo comenzar a oscilar por sí solo). Según Ludwig Boltzmann, el calor va del caliente al frío no por una ley absoluta, sino porque es de lejos lo más probable: no es imposible que el té caliente se recaliente al contacto con una cuchara fría, simplemente es terriblemente improbable.

¿Por qué entonces nos parece que el tiempo "fluye"? La relatividad ha demostrado que un presente común a todo el universo es una ilusión (Einstein, tras la muerte de su amigo Michele Besso, escribió a su familia que la distinción entre pasado, presente y futuro no es más que una ilusión tenaz), y las ecuaciones de la gravedad cuántica en bucles ya no contienen ni siquiera la variable tiempo. Una posible respuesta: el flujo del tiempo podría nacer de nuestra visión borrosa del mundo, del hecho de que solo interactuamos con un puñado de variables, como la temperatura, entre las innumerables que describen la realidad. Algunos filósofos, siguiendo a Martin Heidegger, para quien "habitamos el tiempo", consideran que la física pasa por alto lo esencial, y los físicos les recuerdan que nuestras intuiciones inmediatas a menudo nos han engañado, comenzando por la de una Tierra plana.

Para retener lo esencial sobre los agujeros negros: nacen del colapso de grandes estrellas, la relatividad general los describe como agujeros excavados en el espacio, los astrónomos observan miles de ellos, Stephen Hawking demostró que son calientes, y la gravedad cuántica imagina en su corazón una estrella de Planck que rebota a cámara lenta. La próxima vez que lea que se ha captado un misterioso estallido de radio, o que un cálculo sobre los agujeros negros está en debate, sabrá qué preguntas se esconden detrás... y por qué los físicos no han terminado de buscar.