EL MACROCOSMO

03.08

Agujeros negros, fascinantes habitantes del cosmos. Idea originalmente levantada en 1783 por el inglés John Mitchell, el concepto fue retomado por Laplace en 1796, y sus cálculos fueron más tarde rehechos en 1916 usando la nueva teoría de la relatividad de Einstein por Karl Schwarzschild y precisados posteriormente por Roy Kerr; el nombre de agujero negro fue acuñado a finales de la década de los sesenta por John A. Wheeler, de la Universidad de Princenton. Extraños objetos, al igual que el universo primitivo, los agujeros negros presentan condiciones físicas extremas que no podemos reproducir en la Tierra. Puesto que lo que los físicos intentan comprender son las propiedades del espacio, el tiempo y la materia, sobre todo en condiciones extremas, estos objetos constituyen otros laboratorios extraterrestres suplementarios para poner a prueba las leyes de la física.

Cada día la realidad del universo que las observaciones dejan de manifiesto, acercan casi inexorablemente a lo que se ha especulando desde la teoría . Los astrónomos frecuentemente han venido señalando que el universo hierve en medio de fuerzas extraordinariamente violentas. La física convencional resulta decepcionantemente débil como para explicar satisfactoriamente los estallidos de radiaciones detectados proviniendo desde el centro de la Vía Láctea, o los quásares que con virulencia arden en los confines del cosmos. Cada día se acrecienta más el convencimiento de la idea que se extrae de la teoría de que el candidato más probable para producir esos inmensos fenómenos energéticos sería materia girando en espiral alrededor de una singularidad supermasiva. Aquí, cuando nos estamos refiriendo a una «singularidad», estamos señalando a una masa con volumen nulo pero de un inmenso poder gravitatorio que popularmente se le llama «agujero negro». Aunque todavía quedan algunos escépticos sobre la existencia de los agujeros negros, la mayoría de los físicos teóricos, astrofísicos, y astrónomos están convencidos que tienen que existir y un gran porcentaje de ellos consideran que ya fueron localizados en el universo. Los agujeros negros -- que no son tan negros-- son una predicción derivada de la teoría de la relatividad general de Einstein, la teoría moderna de la gravedad. Cuando Einstein elaboró la teoría de la relatividad, le tomó diez años desarrollar los diferentes conceptos y describirlos en una compleja forma de matemática denominada cálculo tensorial. La relatividad general se ha probado experimentalmente con éxito notable, especialmente en experimentos con campos gravitatorios débiles, pero, en los últimos tiempos, se ha avanzado sustancialmente en comprobaciones en campos gravitatorios superpotentes, como los que se presumen y, casi se asegura, que podrían haber en los agujeros negros. De no tener contra tiempos duros la teoría en los pasos secuenciales de las investigaciones en proceso en campos gravitatorios potentes, no cabría más sino que aceptar que ha de producirse un agujero negro siempre que se colapse una estrella de masa muy grande. Hay una precisa descripción de las propiedades de los agujeros negros en la teoría de la relatividad general de Einstein, que especifica una curvatura del espacio relacionada con los campos gravitatorios. La relatividad general es una teoría fundamentalmente de lenguaje matemático, algo difícil de entender para los legos. Pero la imagen física del mundo que describe (el mundo del espacio geométrico curvado) es bastante fácil de comprender. Veamos lo último para comprobarlo. Supongamos que lanzamos un haz de luz a través del espacio vacío para determinar la geometría de éste. En un espacio plano normal el haz seguiría una trayectoria recta, y si lanzamos simultáneamente dos en forma paralela sobre el mismo tipo de espacio los haces jamás se encontrarían. Pero si podemos medir acuciosamente los haces podemos darnos cuenta que éstos no se desplazan siguiendo líneas estrictamente rectas sino líneas suavemente curvas, lo que nos permite deducir que la característica curva del recorrido de los haces se debe a la curvatura intrínseca del espacio. Este fenómeno es igual al que se genera en la trayectoria de un avión que se desplaza entre dos ciudades alejadas del globo terráqueo, ya que la nave sigue una ruta curva debido a la curvatura de la superficie del planeta. Ahora bien, si lanzamos una multiplicidad de haces de luz en varias direcciones, podemos determinar la curvatura de un espacio tridimensional. Ello se asemeja a cuando hacemos rotar una bolita sobre la superficie de un globo. Examinando las trayectorias que toma la bolita, podemos determinar la geometría de la superficie. Utilizando luz procedente de estrellas lejanas, o radar procedente de la Tierra (viaja igual que un rayo de luz), se demuestra que el espacio real no es plano cuando éste se encuentra cerca de objetos masivos como el Sol. La idea medular de la relatividad es que la curvatura del espacio y su influencia en el movimiento de las partículas de rayos de luz es equivalente a la gravedad. La fuerte gravedad del Sol produce una flexión pequeña pero medible en el recorrido de un rayo de luz.

Modelo simplificado que ilustra la afirmación de Einstein de que la luz sigue un camino curvado cuando pasa cerca de un objeto masivo. El espacio puede ser considerado como una lámina tensada por el Sol (amarillo). Cuando la luz de una distante estrella (línea continua) pasa cerca del Sol en su camino hacia la Tierra (marrón), seguirá la superficie combada de la lámina. Vista desde el planeta, la posición aparente de la estrella (línea blanca punteada) diferirá de su posición real en una magnitud predecible.

Si una estrella con la masa del Sol se transformara en una esfera de 3 kilómetros de radio la gravedad y la curvatura del espacio en las proximidades de ese Sol compactado serían inmensas. Si se lanzase un rayo de luz para que alcanzase este objeto los fotones serían atrapados por un campo gravitatorio intensivo con una velocidad de escape que igualaría a la velocidad de la luz. La órbita del rayo de luz sería en concreto una espiral que iría a desembocar en el objeto. La luz, virtualmente, sería atrapada y como no puede salir de él, dicho objeto "parece" un agujero negro en el espacio. Contradiciendo al mito popular, un agujero negro no es una depredador cósmico, ni de carroñas, ni de exquisiteces espaciales. Si el Sol se pudiera convertir en un agujero negro de la misma masa, la única cosa que sucedería sería un cambio de la temperatura de la Tierra. La frontera de un agujero negro no es una superficie de material real, sino una simple frontera matemática de la que no escapa nada, ni la luz que atraviese sus límites, se llama el «horizonte de sucesos» ; cualquier fenómeno que ocurra pasada esa frontera jamás podrá verse fuera de ella. El horizonte de suceso es unidireccional: se puede entrar, pero jamás salir, salvo que se den condiciones físicas que explicaremos más adelante. Podemos sintetizar que un agujero negro es una región del espacio ocupada por una muy densa masa en que la atracción de la gravedad es tan fuerte que nada puede escapar, salvo algunas radiaciones que emanan de su endógena mecánica. Es un «agujero» en el sentido de que los objetos pueden caer en su interior, pero no salir de él. Es «negro» en el sentido de que la luz no pude escapar de sus «fauces». En otras palabras, un agujero negro puede ser descrito como un objeto en el que la velocidad de escape (la velocidad requerida para desligarse de él) es mayor que la velocidad de la luz -el límite máximo develocidad teóricamente aceptado para los desplazamientos en el universo-. Teóricamente se han definido tres tamaños para los agujeros negros: pequeños (mini), medianos y grandes (supermasivos). No se cuentan con evidencias observacionales que indiquen sospechas sobre la posible existencia de algún pequeño agujeros negro cohabitando por ahí, en el espacio. Sin embargo, se cuentan con muchos tipos de evidencias de que los agujeros negros de tamaño mediano se forman desde los despojos que se generan después de la astroparoxística de una estrella masiva al final de su vida. El cataclismo de una supernova puede dar lugar a dos tipos de residuos. Uno de ellos son las estrellas de neutrones, objetos que no superan los veinte kilómetros de diámetro pero que contienen un millón de veces la masa de la Tierra. El segundo tipo --engendrado por la explosión de estrellas de una masa de M= › 12M con un núcleo residual de M= › 3M-- es lo que se reconoce como uno de los tipos más «populares» de agujeros negros, entelequias de pura gravedad, con un volumen cero pero con una densidad infinita, lo que en física se denomina como una «singularidad». En teoría, deben existir un número enorme de agujeros negros. En el tiempo de vida que ya tiene el universo, un número significativo de estrella deben de haber recorrido su natural proceso evolutivo estelar hacia ese particular destino. Se considera probable que el número de agujeros negros que se encontrarían cohabitando en la Vía Láctea sería superior al de las estrellas visibles, y que su existencia podría explicar la velocidad de rotación de la galaxia, la cual no puede justificarse con la sola presencia de las masas de las estrellas visibles. Es muy posible que los agujeros negros formados a partir del colapso de estrellas masivas no comporten el número mayoritario de estos prodigios de gravedad. Cosmológicamente se piensa que las enormes fuerzas que se dieron durante el Big Bang pudieron ser generadoras de una multiplicidad de agujeros negros de masas diversas que, actualmente, es posible que se encuentren esparcidos por todo el universo. El universo en sus primeras etapas se nos presenta con muy poca grumosidad muy semejante a un fluido homogéneo. Sin embargo, podría haber sido distinto. Es posible imaginar vastas regiones sobredensas a punto de hundirse, y otras expandiéndose aceleradamente. Numerosos agujeros negros hubiesen podido formarse durante el Big Bang. Las altas densidades que reinaban entonces habrían favorecido su gestación. No tendría por que haber existido impedimentos para la existencia de una cantidad considerable de agujeros negros de distintos tamaños. Agujeros negros «primores o primordiales» con una masa inferior a la de una de las grandes montañas terrestres (cerca de mil millones de toneladas) hoy es muy posible que ya no existan y que se hayan «esfumado». Pero la presencia más que sospechada --debido a la conducta gravitatoria observada en objetos cohabitando centros de galaxias y emisiones desde esos lugares de radiaciones de alta energía-- de agujeros negros supermasivos que estarían perdurando hasta ahora, alimentados por la materia de millones de estrellas y que pueden ser la explicación de muchísimos fenómenos que frecuentemente se detectan en el comportamiento de las áreas centrales de las galaxias, incluida la Vía Láctea. Hallar objetos en el cosmos que en sí mismo son invisibles de hecho es una tarea difícil. Los astrónomos monitorean de cerca las huellas que dejan en terceros la conducta de estas piezas cósmicas. Hasta ahora, el número de huellas sobre posibles evidencias de existencias de agujeros negros no corresponden a la cantidad teóricamente estimada. Aparece como que existieran pocos objetos de esta naturaleza. Por lo que se ha dado por entendido: podría haber muchos agujeros negros, pero se muestran escasos. ¿Por qué? ¿Qué sucedió? ¿Qué está equivocado? Siempre nos hemos interrogado de por qué la entropía inicial era tan baja lo que nos lleva a la pregunta "¿por qué había tan pocos agujeros negros en la sopa inicial?". Son muy escasos. La entropía gravitatoria inicial era muy débil. Un misterio más; otro valor que queda por explicar... Pero de todas maneras, en la medida en que se va profundizando en el conocimiento de la física que condiciona el comportamiento de los agujeros negros y la cuantía de su número, estos invisibles entes cósmicos van magnificando el asombro que despiertan.

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