Viaje de ida y sin regreso: Agujeros negros

Han cautivado la imaginación popular para justificar desde viajes en el tiempo hasta una forma de acceder a “otras dimensiones“ y “universos paralelos“. Los agujeros negros también pueden ser una fuente de energía o una fuerza imparable de destrucción. Entre tantas opciones, queda la pregunta: ¿qué es un agujero negro?

Texto: Alexander Keesling
Portada: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Para entender a lo que los físicos nos referimos cuando hablamos de los agujeros negros, es útil presentar la manera contemporánea de entender la fuerza de gravedad con base en la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Aunque suene muy complicado, hay conceptos que ayudan a adentrarse poco a poco en el tema sin el uso de fórmulas matemáticas. 

Distancias, duraciones y velocidades

El primer concepto sobresaliente es que la velocidad de la luz es constante, sin importar a qué velocidad nos movamos al medirla. Este hecho es sorprendente porque la velocidad de cualquier otro objeto físico es relativo a nuestra propia velocidad.

Por ejemplo, supongamos que Sarah está en un carro a viajando a gran velocidad sobre la carretera y va jugando con una pelota que avienta hacia arriba y la vuelve a atrapar cuando cae. A la orilla de la carretera está Andrés, quien mira a Sarah pasar en el carro jugando con su pelota.

Si le preguntáramos a ambos a qué velocidad se mueve la pelota de manera lateral, Sarah nos diría que la pelota no se mueve de forma lateral, sino únicamente vertical, pero Andrés nos diría que se mueve a la velocidad del carro. Nuestros dos personajes están en desacuerdo, pero ambos están en lo correcto.

Podríamos extender este experimento al poner a cada uno en una nave espacial que se encuentra viajando en el espacio exterior en donde no hay un marco de referencia común –como la carretera en el ejemplo anterior– la conclusión sería la misma.

Si la pelota emitiera un destello de luz cada que llega a la cúspide de su trayectoria, observaríamos algo curioso: aunque Sarah y Andrés nunca estarán de acuerdo acerca de la velocidad de la pelota, ambos medirían exactamente la misma velocidad con la que se propaga la luz que emana de la pelota.

La velocidad de un objeto está dada por la distancia que recorre, y el tiempo que le toma recorrerla. Para que Sarah y Andrés estén de acuerdo acerca de la velocidad con la que se mueve la luz proveniente de la pelota, pero en desacuerdo acerca de la distancia que recorrió la misma, es necesario concluir que tampoco estarán de acuerdo en la duración entre los destellos de luz. Cada uno de nuestros personajes determina distancias y duraciones distintas, pero la mezcla de ambas es la misma para cada uno de ellos.

La velocidad constante de la luz implica que la distancia y el tiempo no son conceptos absolutos e independientes, sino que son relativos a un marco de referencia específico. En el ejemplo anterior existen dos marcos de referencia, uno de Sarah y el otro de Andrés, y dependen de la velocidad relativa entre ambos.

Espacio-Tiempo

La interpretación de este resultado es que existe una combinación de espacio y tiempo que es común a todos nosotros, sin importar cómo nos movamos unos con respecto a los otros, y a esto le llamamos espacio-tiempo. Sin embargo, el espacio y el tiempo por sí mismos son (hasta cierto punto) intercambiables, ya que para coincidir en la velocidad de la luz, lo que Andrés percibe como una distancia, Sarah debe percibir como una duración.

Todo esto puede parecer extraño, pero es importante decir que para notar la diferencia entre lo que uno llama distancia y el otro duración, es necesario que Andres y Sarah se muevan a una velocidad relativa cercana a la velocidad de la luz, y la velocidad de la luz es enorme, ¡más de mil millones de kilómetros por hora! Es por esto que en nuestras vidas cotidianas no existe tal ambigüedad, pero vale la pena recalcar que estos efectos han sido corroborados experimentalmente una y otra vez.

Hasta ahora hemos hablado de marcos de referencia fijos que dependen de una velocidad constante, pero es posible cambiar de marco de referencia, simplemente cambiando de velocidad, a lo que llamamos aceleración. Esto quiere decir que la manera en la que un observador percibe el espacio-tiempo cambia, mezclando distancias y duraciones, conforme acelera. 

Distorsiones gravitacionales

El segundo concepto crucial es el llamado principio de equivalencia. Esto es, que el efecto de una fuerza gravitacional es completamente indistinguible al de una aceleración constante. Si estuviéramos en un cuarto acelerando hacia “arriba” por el espacio exterior, no sabríamos que no estamos parados sobre la Tierra, ya que sentiríamos la misma fuerza de atracción hacia el suelo.

Tomando en serio este concepto, aunado con la descripción del espacio-tiempo, debemos concluir que la fuerza de atracción gravitacional cambia de manera constante nuestro marco de referencia de la misma manera que lo haría una aceleración – es decir, la fuerza gravitacional distorsiona el espacio-tiempo. La magnitud con la que la distorsión gravitacional alrededor de un objeto mezcla el espacio y el tiempo disminuye a mayor distancia del objeto, doblando lo que en la ausencia del objeto serían líneas rectas, dejando líneas curvas. Cuando la curvatura es lo suficientemente grande, estas “líneas rectas” pueden cerrarse y crear ciclos que determinan las órbitas que siguen los objetos más pequeños moviéndose cerca de otros mayores

Quédate al pendiente sobre las partes 2 y 3 de nuestra serie de Agujeros Negros que estaremos publicando en las próximas semanas. Deja tus comentarios y dudas abajo.

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Alexander Keesling

Ciencia

Alex (Ciudad de México, 1990) es un físico mexicano que trabaja en el desarrollo de tecnologías cuánticas, particularmente para fines de computación cuántica. Realizó su licenciatura en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y su maestría en la Universidad de Harvard, en donde realiza investigación actualmente como parte de su doctorado. Ha publicado artículos científicos en las revistas Nature y Science, entre otras.