Agujeros Negros: pozos de gravedad infinita

Aunque su existencia se predijo teóricamente hace más de un siglo, sólo recientemente se han acumulado pruebas observacionales irrefutables. Como la primera imagen de un agujero negro tomada en 2019 ó el premio nobel de física en 2020 que no solo valida teorías gravitacionales sino que también confirma que los agujeros negros son entidades físicas reales con efectos observables.

Estos son los avances observacionales, físicos y matemáticos más recientes que han revolucionado el estudio de los agujeros negros.

Agujeros Negros: desde la física

Un agujero negro es una región del espacio-tiempo donde la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de él. Nuestra experiencia en la Tierra nos enseña que si lanzamos algún objeto hacia arriba, este vuelve a caer debido a la gravedad. Pero si lo lanzamos con suficiente velocidad, como en el caso de un cohete, podemos vencer la gravedad terrestre y así el objeto escapa al espacio exterior.

Por su parte, un agujero negro produce una gravedad tan intensa, que ni la luz puede escapar, aún cuando la luz es lo que más rápido viaja en el universo – unos 300 mil kilómetros por segundo. Es por eso se llaman agujeros negros: porque no emiten luz. Mediante objetos vecinos o material que tienen a su alrededor es que los podemos detectar.

Esta propiedad de gravedad extrema que caracteriza a los agujeros negros surge cuando cierta cantidad de materia se concentra en una región muy pequeña, superando un umbral crítico conocido como el radio de Schwarzschild. Físicamente, los agujeros negros se definen por tres características observables:

• Masa: es la cantidad de materia que contiene un agujero negro y la principal responsable de generar la gravedad tan potente a su alrededor.
• Momento angular o espín: representa el estado de rotación que puede tener un agujero negro. Mientras un agujero negro está girando, arrastra consigo al espacio-tiempo a su alrededor.
• Carga eléctrica: así como podemos cargar un batería con corriente eléctrica, los agujeros negros también pueden estar cargados eléctricamente.

Estas tres propiedades se resumen en un teorema muy importante de la física que tiene un nombre muy peculiar: el teorema de no pelo (“no-hair theorem”).¹ Esto se debe a una metáfora física y con algo de humor propuesta por el físico John Archibald Wheeler en los 70’s. Con esto, el Prof. Wheeler quiere decir que no hay una característica (“pelo”) que permita distinguir un agujero negro de otro, ya que todos tienen exactamente las mismas tres propiedades.

Por ejemplo, las estrellas sí tienen “pelo”: temperatura, gradientes de presión, capas, fusiones nucleares, etc. Es decir, otras características que hace posible diferenciar un tipo de estrellas de otras. Para cualquier agujero negro lo único que existe y se puede observar, indirectamente, son esas tres cantidades físicas: masa, espín y carga.

Agujeros Negros: desde la matemática

Desde el punto de vista matemático, los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de la relatividad general de Einstein:

Los símbolos matemáticos que se muestran en la parte inferior del mural representan un conjunto de ecuaciones: el lado izquierdo de la igualdad contiene la información de la geometría del espacio-tiempo, mientras que el lado derecho tiene información sobre la materia que está gravitando en ese espacio-tiempo.

La idea de lo que está codificado en estos símbolos queda muy bien planteada en la icónica frase de John Archibald Wheeler: “La materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse, y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse.” Esta frase encapsula la esencia de la relatividad general, donde la gravedad se interpreta no como una fuerza, sino como la curvatura del espacio-tiempo causada por la presencia de masa y energía.

La solución más sencilla de las ecuaciones de Einstein es la del agujero negro de Schwarzschild,² que describe un objeto esférico, sin rotación y sin carga eléctrica. Posteriormente, se descubrieron soluciones más generales, como la solución de agujero negro de Kerr (con rotación)³ y la del agujero negro de Reissner–Nordström (con carga eléctrica).^{4 5}

Estas soluciones predicen la existencia de dos características importantísimas de un agujero negro: una singularidad —una región donde la curvatura del espacio-tiempo es infinita— y un horizonte de eventos, que es una frontera causal que delimita qué regiones del universo pueden influirse mutuamente.

Horizonte de Eventos: punto de no retorno

Un concepto físico de vital importancia en el contexto de los agujeros negros, es el horizonte de eventos. Se trata de una superficie límite en el espacio-tiempo a partir de la cual nada puede escapar, ni siquiera la luz. Es el “punto sin retorno”: una vez que algo lo cruza hacia adentro, no puede volver a salir, sin importar cuán rápido intente moverse.

Así como el tamaño de una esfera lo define su radio – distancia del centro a su superficie – el tamaño del horizonte de eventos de un agujero negro está codificado en lo que se conoce como radio de Schwarzschild y establece una relación entre la masa del agujero negro y el radio de su horizonte de eventos: mientras más masa tenga el agujero negro, más grande será el radio de su horizonte de eventos. Esto tiene consecuencias de importancia física y observacional:

• Un agujero negro se define por su horizonte de eventos: una región causalmente desconectada del resto del universo.
• Como ya hemos mencionado, un agujero negro no emite luz. En la famosa imagen de la colaboración Event Horizon Telescope (2019), lo que vemos es la sombra del horizonte de eventos.
• Si bien no hay una “pared” o alguna superficie sólida en el horizonte, su presencia tiene consecuencias físicas reales sobre la materia que lo rodea.

¿Cómo se forman?

La formación de agujeros negros astrofísicos se da típicamente al final de la vida de una estrella masiva. Cuando a las estrellas se les agota el combustible nuclear en su interior, las presiones internas ya no pueden sostener el peso de toda la masa que contiene la estrella y esta comienza a colapsar por su propio peso.

Si la masa remanente excede un límite conocido como límite de Tolman–Oppenheimer–Volkoff, el colapso gravitacional es inevitable, la estrella muere y forma un agujero negro.^{6 7} Esta masa límite es del orden de tres veces la masa de nuestro Sol, y fue estudiada por Richard Tolman, George Michael Volkoff y Julius Robert Oppenheimer – sí, el de la película. Antes de ser el director del proyecto Manhattan, Oppenheimer hizo contribuciones importantes en astrofísica relativista.

Tipos de agujeros negros

Otros tipos de agujeros negros que se pueden formar en el universo incluyen:

• Agujeros negros supermasivos: se encuentran en los núcleos de la mayoría de las galaxias, incluida la Vía Láctea. Tienen masas que van desde millones hasta miles de millones de veces la masa del Sol. Su formación exacta aún es tema de investigación, pero podrían originarse por la fusión de agujeros negros más pequeños o por el colapso directo de grandes nubes de gas en el universo primitivo.⁸
• Agujeros negros primordiales: son hipotéticos objetos que habrían surgido en los primeros instantes tras el Big Bang, debido a fluctuaciones de densidad extremas en el universo temprano.⁹ A diferencia de los agujeros negros convencionales, no se formarían por colapso estelar. Estos agujeros negros podrían tener masas muy pequeñas, incluso subatómicas, y se han propuesto como posibles candidatos a materia oscura.¹⁰
• Agujeros negros de masa intermedia: representan una clase menos comprendida, con masas intermedias entre los estelares y los supermasivos (entre 100 y decenas de miles de masas solares). Su formación podría deberse a fusiones múltiples en cúmulos estelares densos.¹¹

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Premio Nobel de Física en 2020

En 2020, Roger Penrose recibió el Premio Nobel de Física por demostrar matemáticamente que los agujeros negros no son meras curiosidades teóricas sino una consecuencia inevitable de la teoría de la relatividad general de Einstein. En su artículo seminal de 1965, Penrose introdujo el concepto de superficies atrapadas y formuló el primer teorema de singularidad.¹²

El centro de la Vía Láctea: ¿un agujero negro?

La otra mitad del premio fue compartida por Reinhard Genzel y Andrea Ghez, quienes encabezaron observaciones del centro de la Vía Láctea, mostrando que las órbitas estelares alrededor de esta región llamada Sagitario A* (se abrevia Sgr A*) implican la presencia de un objeto compacto supermasivo invisible: un agujero negro de más de 4 millones de masas solares.^{13 14}

Entidades físicas reales y observables

Desde el punto de vista teórico, este descubrimiento aclaró una duda que había desde hace mucho tiempo: ¿eran los agujeros negros solo un producto extraño de modelos teóricos? Penrose usó ideas sobre cómo se comporta la luz en un espacio curvado para mostrar que, bajo condiciones reales, estas “trampas” para la luz – llamadas superficies atrapadas – siempre se forman cuando una estrella colapsa. Esto cambió por completo nuestra forma de entender cómo funciona el espacio y el tiempo alrededor de estos objetos de gravedad extrema.

Por el lado astronómico, a través de observaciones precisas en infrarrojo desde los observatorios Keck y Very Large Telescope (VLT), lograron demostrar que esas órbitas eran consistentes con un objeto compacto con más de cuatro millones de masas solares confinado dentro de un volumen menor al de nuestro sistema solar interno.

Así, este Nobel no solo valida décadas de teorías gravitacionales, sino que también confirma que los agujeros negros no son meros artificios matemáticos, sino entidades físicas reales con efectos observables. El premio resaltó la convergencia entre la relatividad general, la astrofísica observacional y las técnicas instrumentales de vanguardia.

Ondas gravitacionales y colisiones de agujeros negros

Una de las pruebas más espectaculares de la existencia de agujeros negros proviene de la detección de ondas gravitacionales: perturbaciones del espacio-tiempo producidas por la aceleración de masas tan extremas como la fusión de dos agujeros negros. Estas ondas fueron predichas por Einstein en 1916, pero apenas en 2015 fueron detectadas por primera vez por el experimento LIGO.¹⁵ Esta detección inauguró la astronomía gravitacional y confirmó, de forma directa, la existencia de agujeros negros binarios en el universo. Esto le mereció el premio Nobel de Física en 2017 a Rainer Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne por su papel clave en la detección de ondas gravitacionales.

Desde entonces, los detectores LIGO y Virgo han observado docenas de fusiones de agujeros negros, permitiendo inferir sus masas, giros y tasas de ocurrencia cósmica.¹⁶ Estas observaciones no sólo corroboran la relatividad general en su régimen más extremo, sino que ofrecen pistas sobre la formación y evolución de estos objetos.

La primera imagen de un agujero negro

En 2019, el mundo presenció un logro técnico sin precedentes: la primera imagen de un agujero negro, capturada por el consorcio Telescopio Horizonte de Eventos (EHT por sus siglas en inglés). Esta imagen muestra la sombra del agujero negro en el centro de la galaxia M87, rodeada por un anillo de luz producto de la curvatura extrema del espacio-tiempo.¹⁷ Para lograr la primera imagen de un agujero negro, los astrónomos enfrentaron un enorme desafío: la región que querían observar —el horizonte de eventos del agujero negro en el centro de la galaxia M87— es increíblemente pequeña en el cielo.

Para ponerlo en perspectiva: ¡imagina que estás en París e intentas leer un letrero que está en Nueva York! La técnica que lo hizo posible se llama interferometría de muy larga base (VLBI, por sus siglas en inglés), y consiste en combinar datos recolectados por radiotelescopios ubicados en distintos puntos del planeta.

Al trabajar juntos como si fueran un solo telescopio del tamaño de la Tierra, estos instrumentos lograron una resolución angular tan fina que permitió “ver lo invisible”: el contorno del agujero negro rodeado por un brillante anillo de materia acelerada. Es un logro que, más allá de su dimensión técnica, marcó un antes y un después en la historia de la astronomía.

Si viste la película Interestelar, seguro habrás pensado que en la película el agujero negro se ve distinto a la imagen tomada por el EHT. El Prof. Kip Thorne explica que es cuestión de perspectiva y resolución. Estamos en una era donde la humanidad ha podido ser testigo del avance científico y tecnológico al punto de poder observar y fotografiar un agujero negro. Durante la rueda de prensa del 10 de abril de 2019 en la que se presentó al mundo la primera imagen de un agujero negro, el director del proyecto Event Horizon Telescope anunció:

“Hemos obtenido una imagen de un agujero negro. Hemos visto lo que creíamos imposible de ver.”

— Sheperd S. Doeleman.

Gaia BH1: el agujero negro más cercano a la Tierra

Si ya sabemos que los agujeros negros son una realidad en el universo, cabe la pregunta: ¿habrá alguno cerca de la Tierra? ¿Tan cerca que podamos estar en peligro de cruzar su horizonte de eventos y desaparecer?

El agujero negro más cercano a la Tierra conocido hasta la fecha es el sistema Gaia BH1, ubicado a aproximadamente 1600 años luz.¹⁸ Se trata de un sistema binario que incluye una estrella de tipo solar y un agujero negro estelar con una masa estimada de unas 10 veces la masa de nuestro Sol. La presencia del agujero negro se infirió a través del “bamboleo” astrométrico de su estrella compañera observado por la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA), y confirmado con otro conjunto de observaciones de telescopios terrestres.

La buena noticia es que el agujero negro del sistema Gaia BH1 no se tragará a la Tierra. Para darnos una idea: después del Sol, la estrella más cercana es Proxima Centauri, que aunque está a solo 4.2 años luz no puede afectar en nada a la Tierra.

Además, el sistema Gaia BH1 no se dirige hacia el Sistema Solar, por lo que estamos muy lejos de cruzar su horizonte de eventos. El agujero negro de GaiaBH1 es “silencioso”, lo que quiere decir que no está devorando activamente materia a gran escala ni emite fuertes chorros relativistas. Además es un agujero negro estelar inactivo en un sistema binario bastante tranquilo.¹⁹ ¿Y que hay del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, Sgr A*? Está más lejos aún, a unos 26 mil años luz. Así que la Tierra está a salvo de caer en alguno de estos pozos de gravedad infinita.

El estudio de los agujeros negros une ideas profundamente teóricas con observaciones de frontera. De ser una predicción matemática exótica, hoy los agujeros negros se han convertido en laboratorios naturales para probar los límites de la física. La combinación de relatividad general, astrofísica de alta energía, astronomía gravitacional y tecnología de punta ha abierto una nueva era en la exploración del cosmos.

1. Remo Ruffini y John A. Wheeler, “Introducing the black hole”, enero 1971. ↩︎
2. K. Schwarzschild, “Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der EiNSTEiNsehen Theorie”, 13 enero 1916. ↩︎
3. Roy P. Kerr, “Gravitational Field of a Spinning Mass as an Example of Algebraically Special Metrics”, 01 septiembre 1963. ↩︎
4. H. Reissner, “Über die Eigengravitation des elektrischen Feldes nach der Einsteinschen Theorie”, 20 marzo1916. ↩︎
5. Gunnar Nordström, “On the Energy of the Gravitation field in Einstein’s Theory”, 26 enero 1918. ↩︎
6. Richard C. Tolman, “Static Solutions of Einstein’s Field Equations for Spheres of Fluid”, 15 febrero 1939. ↩︎
7. J. R. Oppenheimer y G. M. Volkoff, “On Massive Neutron Cores”, 15 febrero 1939. ↩︎
8. Marta Volonteri, “Formation of supermassive black holes”, 03 abril 2010. ↩︎
9. B. J. Carr y S. W. Hawking, “Black Holes in the Early Universe”, 01 agosto 1974. ↩︎
10. Bernard Carr, Florian Kühnel y Marit Sandstad, “Primordial black holes as dark matter”, 04 octubre 2016. ↩︎
11. LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, “GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 𝑀_⊙“, 02 septiembre 2020. ↩︎
12. Roger Penrose, “Gravitational Collapse and Space-Time Singularities”, 18 enero 1965. ↩︎
13. A. M. Ghez, S. Salim, N. N. Weinberg, J. R. Lu, T. Do, J. K. Dunn, K. Matthews, M. R. Morris, S. Yelda, E. E. Becklin, T. Kremenek, M. Milosavljevic y J. Naiman, “Measuring Distance and Properties of the Milky Way’s Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits”, 20 agosto 2008. ↩︎
14. Reinhard Genzel, Frank Eisenhauer y Stefan Gillessen, “The Galactic Center massive black hole and nuclear star cluster”, 20 diciembre 2010. ↩︎
15. LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”, 11 febrero 2016. ↩︎
16. LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration y KAGRA Collaboration, “GWTC-3: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo during the Second Part of the Third Observing Run”, 04 diciembre 2023. ↩︎
17. The Event Horizon Telescope Collaboration, “First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole”, 10 abril 2019. ↩︎
18. NSF NOIRLab, “Astronomers Discover Closest Black Hole to Earth”, 04 noviembre 2022. ↩︎
19. Kareem El-Badry, et al., “A Sun-like star orbiting a black hole”, 02 noviembre 2022. ↩︎