Los misterios de los agujeros negros

La ciencia ficción ha soñado con agujeros negros que destruían la Tierra o que nos permitían viajar a otros universos paralelos. De hecho, cuando en 2008 se puso en marcha el acelerador de partículas de Ginebra (el Gran Colisionador de Hadrones), algunos científicos sugirieron la posibilidad que se formaran agujeros negros microscópicos. Esto provocó varias reacciones de alerta ante la posibilidad que la Tierra fuera destruida por alguno de estos agujeros negros. ¿Tienen fundamento estos temores? ¿Qué es lo que nos pasaría realmente si cayéramos dentro de un agujero negro?

22 de mayo de 2024

¿Qué es un agujero negro?

De forma muy sencilla, un agujero negro es un objeto muy compacto que provoca un campo gravitatorio tan intenso a su alrededor que ni la luz es capaz de escapar de él. Para entender un poco mejor lo que queremos decir, consideremos un ejemplo más sencillo. Un grupo de alumnos de ESO sale de excursión al campo. Mientras realizan algunos experimentos, descubren un pozo abandonado. Víctor, Toni y Cristina suben al brocal y empiezan a caminar como equilibristas. Cuando el profesor los ve, lanza un grito que los asusta y hace que caigan dentro del pozo. ¿Conseguirán salir de él?

Lo primero que hay que saber es que, al caer, Víctor se ha torcido el tobillo y casi no puede moverlo. En cambio, Cristina, que es campeona nacional de salto de altura, está en muy buena forma. Si el pozo es poco profundo, los tres llegarán al extremo superior simplemente alargando los brazos y, por tanto, podrán cogerse a las manos de alguno de sus compañeros que intentan ayudarles.

Si la profundidad del pozo es algo mayor, de manera que sea necesario un pequeño salto para llegar al extremo superior, muy probablemente, Víctor no conseguirá salir. Si la profundidad es aún mayor, y hace falta un salto muy grande para conseguir cogerse a alguna mano, entonces sólo Cristina lo conseguirá. Finalmente, si la profundidad es tal que ni Cristina puede llegar a la parte superior, los tres quedarán atrapados dentro del pozo. Si no existieran cuerdas u otras formas de rescatarlos, se quedarían allí para siempre y nunca se reencontrarían con sus familias, fuera del pozo. Pues bien, un agujero negro es como un pozo muy profundo del que no puede escapar ni siquiera el mejor de los saltadores.

Cuando la gravedad es muy intensa

La mayoría habréis estudiado que la gravedad es una fuerza que experimentan y ejercen todos los cuerpos por el simple hecho de tener masa. Es posible que también recordéis que esta fuerza es directamente proporcional a la masa del cuerpo que la realiza e inversamente proporcional a la distancia -en realidad al cuadrado de la distancia- entre el centro de ese cuerpo y el punto en el que la medimos. Eso significa que cuanto más compacto sea un objeto, es decir, cuanta más materia tenga, y cuanto más concentrada esté, más intenso será el campo gravitatorio sobre su superficie.

Pensemos, por ejemplo, en una estrella muy masiva. El campo gravitatorio sobre su superficie será grande, pero si por ejemplo lanzamos un cohete con suficiente velocidad hacia el exterior, éste conseguirá escapar. Supongamos que la estrella se encuentra hacia el final de su vida y que empieza a contraerse. Su materia empezará a estar más concentrada y su campo gravitatorio aumentará. Por tanto, si queremos volver a lanzar nuestro cohete, deberemos darle una velocidad más alta que antes. A medida que la estrella se vaya haciendo más compacta, la velocidad de escape deberá ser cada vez mayor.

Llegará un momento en que no habrá modo de enviar ningún objeto al exterior y lo único que podremos hacer será enviar señales luminosas, que viajan a una velocidad muy elevada. Si la estrella sigue contrayéndose, la velocidad de la luz dejará de ser suficiente para poder escapar de la estrella. Bien, en realidad deberíamos decir, «de lo que era una estrella», porque en esos momentos se acaba de formar un agujero negro.

¿Qué nos pasaría si cayéramos en una agujero negro?

Cerca de un agujero negro el campo gravitatorio puede llegar a ser muy intenso. Pero, en lo que respecta a nuestra integridad, no es eso lo que más debería preocuparnos. La cuestión es que además de ser intenso, el campo gravitatorio puede variar muy rápidamente con la distancia. Así, por ejemplo, si estuviéramos cayendo hacia el agujero negro con los pies por delante, podría pasar que la atracción que experimentasen nuestras piernas fuera mucho mayor que la que experimentase nuestra cabeza, de manera que acabaríamos tan estirados como un espagueti.

Este efecto, conocido como fuerza de marea, es más pronunciado en agujeros negros pequeños, mientras que es prácticamente imperceptible en agujeros negros muy grandes como el que se encuentra en el centro de nuestra galaxia. De hecho, ahora mismo podríamos estar entrando dentro de un agujero negro sin darnos cuenta. Otra cosa es lo que pasaría al llegar a su centro, pero de eso ya hablaremos en otra ocasión.

UNA BREVÍSIMA HISTORIA DEL TIEMPO

Si quieres saber más sobre los agujeros negros y otros misterios del Universo, no dejes de leer Una brevísima historia del tiempo, de Stephen Hawking, quien fue uno de los mayores expertos mundiales en esta materia.

¿CUÁNTO MIDEN LOS AGUJEROS NEGROS?

Ya hemos visto que un agujero negro se puede formar como resultado del colapso de una estrella. Para que eso sea posible, hace falta que la estrella tenga una masa suficientemente grande. Así, por ejemplo, el Sol no se convertirá en un agujero negro al final de su vida, sino que morirá convirtiéndose en una enana blanca (un tipo de estrella).

También está bastante aceptado que la mayoría de las galaxias contienen un agujero negro muy masivo en su centro. Hay diferentes evidencias experimentales que apoyan esta hipótesis y algunos, incluso, los hemos fotografiado. Su origen no está del todo claro y es posible que no todos se hayan formado de la misma manera.

Todos estos ejemplos corresponden a objetos con más del doble de la masa del Sol. Pero ¿pueden existir agujeros negros más pequeños? Y, en caso afirmativo, ¿cómo se originarían?

En principio, no puede haber agujeros negros de cualquier tamaño. Si la masa de un cuerpo es muy pequeña, para convertirse en agujero negro debería concentrarse en un volumen extremadamente pequeño. Pero cuando consideramos distancias muy pequeñas, entran en juego los efectos de la física cuántica. Uno de ellos es que resulta imposible tener localizada una determinada cantidad de materia en un espacio demasiado pequeño. Este hecho hace que resulte imposible tener agujeros negros por debajo de un determinado valor de la masa, que se conoce como masa de Planck y que corresponde aproximadamente a la cienmilésima parte de un gramo.

¿Agujeros negros microscópicos?

Desde hace unos cuantos años, una parte importante de los físicos teóricos está investigando la manera de unificar la Teoría de la Gravitación con la física cuántica. De entre las diferentes propuestas que existen al respecto, la que por ahora parece tener más aceptación es la Teoría de Cuerdas. Esta teoría consigue la unificación deseada pero, para lograrlo, requiere de una serie de hipótesis bastante sorprendentes. Una de ellas es que hay otras dimensiones espaciales, además de las tres que ya conocemos (longitud, anchura y altura). Para explicar el hecho de que en nuestra vida cotidiana no las detectemos, se supone que estas dimensiones extra están enrolladas sobre sí mismas.

La Teoría de Cuerdas está todavía en construcción y aún existen varias versiones. En algunas de ellas, la presencia de estas dimensiones extra provocaría que la fuerza de gravedad fuera más intensa. Si lo pensáis un poco os daréis cuenta de que una de las consecuencias de este hecho sería que el volumen en el cual habría que concentrar una determinada cantidad de materia para que se formase un agujero negro no tendría que ser tan pequeño. O, visto de otro modo, se podrían obtener agujeros negros con masas más pequeñas que la masa de Planck. El nuevo límite inferior sería del orden de un TeV (unidad de medida utilizada en física de partículas), es decir, más de un millón de veces más pequeño que la masa de Planck.

Un experimento que puede generar agujeros negros en la tierra

Si, tal como afirman algunas teorías, pueden existir agujeros negros con una masa del orden de TeV, entonces es posible que se puedan producir en el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra (LHC). En efecto, las energías con que colisionan las partículas en este acelerador son de este mismo orden de magnitud. ¿Deberíamos estar preocupados?

Para responder a esta pregunta, podemos hacernos otra antes. ¿Realmente los agujeros negros sólo absorben materia sin emitir nunca nada hacia el exterior?

En los años setenta del siglo pasado, Stephen Hawking descubrió que en realidad no es así. Cuando se combina la física cuántica con la Teoría de la Gravitación, aunque sea de forma incompleta, se demuestra que un agujero negro emite radiación y multitud de partículas elementales. Este fenómeno, que se conoce como radiación de Hawking, provoca que el agujero negro vaya perdiendo masa.

Por tanto, tenemos dos efectos opuestos. Por un lado, la atracción gravitatoria aumenta la cantidad de masa que se encuentra confinada dentro del agujero negro. Por otro, la radiación de Hawking consigue el efecto contrario. Hawking también demostró que cuanto más pequeño es el agujero negro, más alto es el ritmo con el que radia.

En agujeros negros microscópicos, el ritmo de radiación es mucho más alto que el de absorción de materia de los alrededores. Eso hace que estos agujeros tengan una vida muy corta y se evaporen casi inmediatamente después de formarse.

Por tanto, podemos dormir tranquilos. Aunque las teorías que prevén la formación de agujeros negros en el LHC fueran válidas, la vida de estos objetos sería extremadamente corta y prácticamente no tendrían tiempo de absorber materia de los alrededores.

ESCRITO POR Sandro Maccarrone
@smaccarrone