ANDRZEJ WOJCICKI/SCIENCE PHOTO LIBRARY -Getty Images 

Reconozcámoslo, esto es algo que siempre, de una u otra forma, en algún momento, nos ha fascinado a todos. ¿Puede existir algo que se trague literalmente en su interior absolutamente todo, incluida la luz, y que desaparezca sin más?, ¿que no la volvamos a ver y que no sepamos ni tan siquiera hacia dónde se ha ido?... Pues sí, ese “algo”, a lo cual a priori no debiéramos acercarnos mucho, realmente existe, y son los llamados agujeros negros.

Así que, considerando que un hecho tan extraordinario pueda ser algo tan interesante, qué menos que responder a algunas preguntas sobre ellos que quizá en algún momento nos hayamos formulado todos. Vamos allá.

¿Qué son los agujeros negros?

Lo primero que hay que tener en cuenta para entender qué son, es el propio hecho de que un agujero negro atrae hacia sí mismo toda la materia que hay en sus proximidades, y por tanto, si atendemos a lo que conocemos en relación a las fuerzas de atracción, éstas están representadas de forma fundamental por la fuerza de la gravedad, que es la fuerza de atracción que se manifiesta entre los objetos que poseen masa. Siendo la gravedad mayor cuanto mayor es la masa del objeto.

En nuestro Sistema Solar, el elemento que mayor masa posee sin duda es el Sol, motivo por el cual los planetas orbitan alrededor del mismo.

La Tierra concretamente tarda en dar una vuelta al sol 365 días y 6 horas, por lo que cada vuelta corresponde a un año de nuestro tiempo, y las 6 horas sobrantes las compensamos añadiendo un día en febrero cada 4 años, que son los que conocemos como “años bisiestos”.

El concepto de gravedad es fundamental para entender qué son los agujeros negros.

Un agujero negro “es una región finita del espacio en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada y densa como para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella”.

Para hacerse una idea de lo concentrada que ha de estar la masa para generar un campo gravitacional así, sería el equivalente a comprimir toda la masa del Sol en 3 km de diámetro, o toda la masa de la Tierra comprimida en una canica de 2 cm, por lo que no es sólo el tamaño, sino las miles de toneladas por cm³ de densidad que esos objetos tienen. De hecho, el único objeto conocido que puede contener suficiente materia en tan reducido espacio es un agujero negro.

Por tanto, podemos entender que, si los agujeros negros lo atraen todo, son elementos híper-gravitacionales, por lo que han de tener influencia en el movimiento de los elementos que conforman el Universo, si son capaces de atraerlos hacia sí.

Cuando A. Einstein desarrolló su Teoría de la Relatividad General, los agujeros negros ya estaban allí, pero nadie los había percibido, Nadie excepto el excelso matemático y astrofísico alemán que dirigía a principios del siglo XX el Observatorio de Postdam, Karl Schwarzschild, quien se daría cuenta pronto de su existencia e importancia en la gravitación universal.

La Primera Guerra Mundial complicó mucho su trabajo científico. Cuando Einstein publicó los artículos en los que enunciaba las ecuaciones del campo gravitatorio de su teoría, Schwarzschild se encontraba destinado en los campos de batalla de Rusia, encargado de calcular la trayectoria de los proyectiles de artillería. Tras leer el trabajo de Einstein, se puso inmediatamente a aplicar las nuevas ecuaciones a los objetos del Cosmos y las conclusiones no tardaron en llegar.

En enero de 1916 (sólo tres meses después de la publicación de la Teoría de la Relatividad General), Schwarzschild envió por correo sus resultados a Einstein. «Estoy seguro de que permitirán a su teoría brillar con mayor pureza», Einstein se rindió ante los cálculos de Schwarzschild. «Jamás habría esperado que la solución exacta al problema pudiera formularse de una manera tan simple», respondió, según cita el escritor (Walter Isaacson) en la biografía titulada “Einstein, su vida y su universo”.

Por desgracia no pudieron trabajar juntos, ya que pocas semanas después de escribir a Einstein, Schwarzschild murió en el frente a consecuencia de una enfermedad autoinmune que atacó a las células de su piel.

¿Dónde están? ¿Estamos en peligro por existir alguno cercano a nuestro planeta Tierra?

Durante el invierno del hemisferio sur, un punto azul de luz en la constelación Telescopium resplandece en el firmamento. Este puntito brillante, que parece una estrella, es en realidad dos estrellas que orbitan cerca, acompañadas del agujero negro más próximo a la Tierra.

El agujero negro, descubierto recientemente (2020), se encuentra en el sistema estelar HR 6819, a casi 1.011 años luz de nuestro sistema solar. El objeto invisible, revelado en la revista Astronomy & Astrophysics, se encuentra en órbita con dos estrellas visibles. Se estima que tiene en torno al cuádruple de la masa del Sol y que se encuentra casi 2.500 años luz más cerca que el siguiente agujero negro.

A escala humana, mil años luz es una distancia inmensa. Si se escalara un modelo de la Vía Láctea de forma que la Tierra y el Sol estuvieran separados por la anchura de un pelo, HR 6819 se encontraría a unos seis kilómetros. Pero en la gran estructura de la galaxia, cuyo diámetro mide más de 100.000 años luz, HR 6819 está bastante cerca.

Curiosamente, en las galaxias de tipo espiral o elíptica como lo es nuestra Vía Láctea, es común la presencia de un enorme agujero negro, que sea entre otras cosas, lo que aporta esa estructura giroscópica en torno a una fuerza de enorme atracción central. Y sí, en nuestra Vía Láctea se encuentra Sagittarius A* (Sgr A*), que tiene tamaño suficiente como para mantener ligadas gravitacionalmente a tantas estrellas.

¿Cómo es de grande nuestro agujero negro de la Vía Láctea y a qué distancia estamos?

La masa de Sgr A* es de aproximadamente 4.1 millones de veces la masa solar de volumencon un radio no mayor que 6.25 horas-luz (45 UA) o 6.700 millones de kilómetros. La distancia entre la Tierra y Saggitarius, que se encuentra en el centro rotacional de la Vía Láctea, es de 26.000 años luz.

Resulta paradójico pensar que, encontrándose Sagittarius A* a 26.000 años luz de distancia de la Tierra, los acontecimientos que se estudian hoy ocurrieron en realidad hace 26.000 años. Las cosas que tiene el tamaño de nuestro enorme Universo en comparación con las escalas tan pequeñas que utilizamos nosotros para ordenar nuestra realidad humana.

Y si se tragan hasta la luz, ¿cómo es que podemos verlos?

El hecho de que su enorme atracción gravitatoria arrastre hasta a las partículas elementales de la luz (los fotones), hace que no emitan ninguna señal y que sean imposibles de detectar por sí mismos. «Los agujeros negros se pueden detectar en fases de actividad, cuando engullen cosas», explica Casares. Si están en estado de quietud, no hay nada que dé la alarma. «No vemos nada», dice.

Sin embargo, cuando engullen la materia de cualquier objeto cósmico, la enorme atracción que generan acelera esta materia hasta una velocidad cercana a la de la luz. Y cuando eso sucede... ¡Fuegos artificiales! Los jirones de materia que el agujero negro arranca a las estrellas o a las nubes de gas cercanas emiten rayos X y otros tipos de radiación que los instrumentos astronómicos actuales son capaces de detectar, aunque estén a decenas de miles de años luz de distancia.

¿Son todos los agujeros negros tan grandes?

Para entenderlo utilizaremos esta escala. Un agujero negro que tuviera una masa de 1 sol, tendría un radio de 3 km, es decir, podría atraer todo lo que estuviera desde su centro hasta 3 km alrededor, incluida la luz. Por tanto, un agujero negro “típico” de unos 30 soles, tendría un radio de atracción de 30 km respecto a su centro.

Por tanto, no todos son de igual tamaño. Los hay pequeños, medianos, grandes y muy muy grandes, a estos últimos se les denomina agujeros negros supermasivos y hay algunos digamos “fuera de categoría” que serían “ultramasivos” que son aquellos que poseen más de 10.000 millones de veces la masa del Sol.

Los más pequeños conocidos poseen unas 4 veces la masa del Sol. Los medianos tendrían una masa de entre 30 y 50 soles, serían grandes hasta 1.000 soles de masa y muy grandes hasta los 10.000. Podemos decir por tanto que el tamaño de un agujero negro se mide en “soles”, tomando evidentemente como referencia el nuestro.

¿A qué distancia puede atraer un agujero negro algo hacia sí mismo?

Pues eso depende de su tamaño, y evidentemente, a mayor tamaño, mayor distancia puede abarcar su “horizonte de sucesos”, que no es más que la distancia hasta la que un agujero negro puede llegar para atraer a un objeto hacia su centro.

Si analizamos el tema del espacio que ocupa un agujero negro, debemos considerar como parámetro principal una variable matemática denominada el radio de Schwarzchild, el cual es el radio del horizonte de sucesos que comprende al agujero negro. Esta medida es proporcional a la masa del objeto, así que a mayor masa, más radio.

Foto del primer agujero negro – BBC – Abril 2019

El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del Universo, y a partir de él ninguna partícula puede salir.

Dentro de este radio la luz es absorbida por la gravedad y cualquier cuerpo es absorbido con una fuerza gravitatoria infinita hacia el centro del agujero negro sin que pueda escapar de éste. Pero fuera de ese radio, los objetos que se encontraran más allá del mismo, no serían absorbidos; por tanto, cuanto mayor es el radio, mayor es el tamaño que tiene y por ende la masa que posee.

Un agujero negro ultramasivo (de más de 10.000 millones de soles de masa) tendría un radio de atracción de más de 30.000 millones de Km, es decir, 9.2 horas luz. Por lo tanto, no representan un problema para nuestro planeta, ya que dichos agujeros negros no están a horas luz de distancia, sino a muchos años luz de donde nos encontramos. Como comenté antes, el más cercano está a 1.011 años luz de nosotros.

Y siguiendo con el tamaño, ¿cuál es el más grande que se conoce?

Christopher Onken, investigador de la Australian National University Collegue of Science, asegura haber descubierto el más grande de los agujeros negros y que más rápido crecen en el Universo. Hablamos de SMSS J2157–3602, más conocido como J2157.

Según las mediciones espectroscópicas, Onken y su equipo han estimado que la masa de este agujero negro ultramasivo es de 3’4⋅10¹⁰ masas solares, o lo que es lo mismo, 34.000 millones de veces la masa de nuestro Sol u 8.000 veces la del agujero negro del centro de nuestra galaxia. Y no solo han descubierto su masa, sino también la cantidad de materia que traga cada día. Onken afirma que "se atiborra con casi el equivalente a un sol cada día". Dicho con otras palabras, cada 24 horas el J2157 se traga 1’989 ⋅10³⁰ kilogramos de masa, kilo arriba, kilo abajo.

Si la masa se comprime en el interior tanto, ¿qué masa tiene un agujero negro?

Entramos en el terreno de lo increíble y lo que ya excede de las leyes de la física tal y como la conocemos. Viendo el tamaño y el horizonte de sucesos de los agujeros negros, se estima que un fragmento de un centímetro cúbico de un agujero negro tiene una masa aproximada, ni más ni menos, que de mil millones de toneladas.

Es absolutamente asombroso que un pedacito de materia similar a un terrón de azúcar pueda tener una masa tan monstruosa. Y es por esto que la fuerza de la gravedad que poseen es capaz de modificar el espacio-tiempo.

Tras lo visto hasta ahora, la siguiente pregunta lógica sería:

¿Tiene límite el tamaño de un agujero negro?

Pues sí, y el límite lo pone su propia voracidad. Según calcula Andrew King, de la Universidad de Leicester, ese límite estaría en unas inimaginables 50.000 millones de veces la masa del Sol.

Y ¿cómo puede conocerse este límite? Pues teniendo en cuenta cómo crece un agujero negro.

Un agujero negro se alimenta de un disco de acreción, una masa de gas y polvo que orbita a su alrededor. La fricción, los múltiples choques que se producen entre el material del disco, hace que este material vaya desplazándose hacia el agujero negro hasta que es presa de la gravedad del mismo y atraviesa el punto de no retorno, incorporándose desde ese momento a la masa del agujero negro.

Pero la fricción también calienta el gas a temperaturas enormes, tanto que el gas empieza a emitir luz, como un trozo de hierro calentado al rojo. Los agujeros negros muy masivos y, por tanto, con mucha gravedad, pueden hacer que el gas sea tan brillante que pueda verse al otro extremo del Universo (observable) en forma de cuásar.

Sin embargo, los agujeros negros extremadamente masivos pueden crear inestabilidades en sus discos de acreción. Estas inestabilidades pueden conseguir que el gas y el polvo colapsen formando estrellas, que tienen la posibilidad de evadir la atracción del agujero negro.

Según King, un agujero negro con una masa de cincuenta mil millones de soles haría que todo su disco de acreción se convirtiese en estrellas, que se mantendrían estables por la atracción gravitatoria que se generaría entre ellas mismas, con lo que podría no tener nada de lo que seguir alimentándose, deteniendo su crecimiento.

Resulta incluso poético el pensar que algo que hace que todo desaparezca a su alrededor pueda luego ser el origen de miles de estrellas en el Universo.

Bibliografía.

• Alberto Pascual García “15 preguntas sobre agujeros negros que siempre quisiste saber”.  | 10 abril 2019 | Revista “Quo”.
• Michael Greshko- National Geographic: “Descubren el agujero negro más cercano a la Tierra”. Publicado el 7 de mayo 2020.
• Ted Bunn.Web "Black Holes FAQ".
• Xataca, publicación de José García, 2 de julio de 2020.
• Andrew King(2016) “How big can a black hole grow?”  MNRAS DOI: 10.1093/mnrasl/slv186
• César Tomé López- Cuaderno de Cultura Científica. “El límite del tamaño de un agujero negro”. Diciembre 2015.

 

    Francisco José García Nieto

Licenciado en Ciencias de Actividad Física y Deporte