[Parte 2] Viaje de ida y sin regreso: Agujeros Negros – Singularidad

Al centro de casi todas las galaxias hay un agujero negro – así sucede con la Vía Láctea. ¿Qué pasa cuando el espacio-tiempo se deforma y ni siquiera la luz logra escapar? En esta segunda parte de una trilogía, aprendemos sobre este enigmático fenómeno espacial.

En portada: La concepción artística del núcleo de la galaxia “Cygnus A“ muestra el entorno polvoriento en forma de dona llamado toro y los jets que se lanzan desde su centro a velocidades extremadamente altas.

Al centro de casi todas las galaxias hay un agujero negro – también en nuestra Vía Láctea. En la segunda parte de esta trilogía, aprendemos más sobre uno de los grandes fenómeno del Universo.

¿Te perdiste la primera parte? Comienza aquí:

Más allá de lo que vemos

Texto: Alexander Keesling
Portada: NASA, ESA, A. Riess (STScI / JHU)

El dicho “todo lo que sube, tiene que bajar” suena razonable porque sabemos que la gravedad en la Tierra atrae a todo con tanta fuerza que por muy fuerte que aventemos algo hacia arriba, vuelve a caer al suelo. Pero en ocasiones lo que sube no vuelve a bajar, como han demostrado gran cantidad de satélites y misiones espaciales. Como la fuerza gravitacional de un objeto – la distorsión que crea en el espacio-tiempo – disminuyen con la distancia, es posible hacer que un objeto se aleje con una velocidad inicial tan alta que incluso la aceleración causada por la gravedad sea insuficiente para detenerlo. La velocidad mínima necesaria para no volver a caer es llamada velocidad de escape. Mientras más pequeño y masivo sea un objeto, mayor es la velocidad de escape desde su superficie, ya que la curvatura del espacio-tiempo a su alrededor es más pronunciada. Sin embargo, ¿qué pasa cuando la velocidad de escape es inalcanzable?

Cuando un objeto se comprime lo suficiente para crear una curvatura del espacio-tiempo a su alrededor lo suficientemente grande para evitar que la luz escape, se forma un agujero negro. Crédito: Allen McC

Imaginemos que pudiéramos comprimir el sol al tamaño de la Tierra. Partiendo de la superficie, una de nuestras naves espaciales sería incapaz de escapar la fuerza de atracción y caería. Sin embargo, una nave viajando a veinticuatro millones de kilómetros por hora sería capaz de escapar. Si siguiéramos comprimiendo al Sol a una esfera de diez kilómetros de radio, la velocidad de escape sería enorme. Se necesitaría una nave espacial a casi seiscientos millones de kilómetros por hora (más de la mitad de la velocidad de la luz) para poder escapar. Es difícil imaginar una nave espacial con esas características, pero en principio es posible. 

Sii siguiéramos comprimiendo la esfera hasta tener un radio de únicamente dos kilómetros, la velocidad de escape desde la superficie sería mayor a la velocidad de la luz. Nada puede viajar más rápido que la luz, ni siquiera la luz misma. Esto implica que si existiera una esfera con la masa del Sol, y un radio de dos kilómetros, crearía una distorsión en el espacio-tiempo a su alrededor que haría imposible escapar a cualquier objeto físico (limitado a tener una velocidad igual o menor a la de la luz) que se acercara lo suficiente a su superficie, incluso a la luz misma. Por lo tanto, cualquier objeto que se le acercara lo suficiente se perdería por siempre, como si fuera un agujero sin fin, y como lo único que podemos ver es la luz que llega a nuestros ojos, jamás podríamos ver este objeto, haciéndolo perfectamente negro. Este es el origen del concepto de un agujero negro.

Nacimientos complicados: El Sol y la oscuridad completa

Nuestra experiencia cada mañana es la de ver el día comenzar con la salida del Sol, gracias a la luz que nos llega. Hasta ahora nunca ha habido una mañana en la que la luz del Sol sea sustituida por la oscuridad total de una esfera solar de dos kilómetros de radio – así que vale la pena preguntarse: ¿es posible la existencia de un objeto con la densidad necesaria para crear un agujero negro?

Los objetos más masivos que conocemos son las estrellas, como nuestro Sol, y sabemos que su tamaño está determinado por una competencia de efectos. Por un lado, su fuerza gravitacional atrae a todas sus partes hacia el centro, tratando de colapsarlo a un punto infinitamente pequeño. Por otro lado, los procesos nucleares en su interior liberan energía, dando lugar a una presión interna que evita ese colapso. Sin embargo, en algún punto toda estrella deja de producir energía, y en ese punto el destino de la estrella está determinado únicamente por la cantidad de materia que contiene. Las estrellas pequeñas, como nuestro Sol, al dejar de producir energía a través de la fusión de elementos, comienzan a disminuir en tamaño, pero eventualmente se estabilizan para formar una enana blanca, o una estrella de neutrones, dependiendo de su masa inicial, gracias a efectos cuánticos que dan lugar a un tipo distinto de presión. 

T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

Cuando las estrellas más grandes dejan de producir energía, terminan su existencia en explosiones impresionantes llamadas supernovas. La fuerza gravitacional es tan grande, que no hay ningún tipo de presión que pueda sostenerlas y colapsan a una singularidad. Este es el nombre que le damos a un punto infinitamente pequeño e infinitamente denso al centro de un agujero negro. La singularidad requiere entender la estructura del espacio-tiempo a escalas pequeñísimas, en las que los efectos cuánticos son altamente importantes. La teoría de la relatividad nos permite describir con gran claridad los efectos gravitacionales; la teoría cuántica nos permite describir todas las demás interacciones de la materia y la energía. Sin embargo, no existe hasta la fecha una teoría cuántica de la gravedad que combine ambas descripciones. Las condiciones en las que se forman y existen los agujeros negros son tan intensas que no podemos describirlas: los mejores modelos físicos que hemos desarrollado son insuficientes…

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

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