De los agujeros negros

Autor: José Francisco Díez Pastor, del grupo BEST-AI,de la Universidad de Burgos.

Si hay una ciencia que destaca sobre las demás atrayendo la atención de la gente, esa es sin duda la astronomía. En la prehistoria, la observación de los astros servía para predecir la llegada de periodos de abundancia o escasez y ahora, entre otras cosas, rige el calendario escolar. Entre todos los objetos que estudia la astronomía, los agujeros negros son, claramente, los que más emociones despiertan. Su enorme poder, que impide que incluso la luz escape de su voracidad, provoca tanto fascinación como miedo y le ha valido convertirse en un actor recurrente de películas y series de ciencia ficción.

Los agujeros negros conocidos se dividen en dos tipos: Agujeros negros supermasivos, que son gigantescas moles de cientos de miles de veces la masa del Sol y agujeros negros estelares de «solo» unas pocas veces la masa del Sol.

Los supermasivos se forman a partir de los estelares, ya sea porque dos de ellos, cercanos, se atraen hasta que colisionan y fusionan o porque aumentan su tamaño durante millones de años «devorando» otros cuerpos celestes de su vecindad. Y ¿Cómo se forma un agujero negro estelar?

Diario de un agujero negro estelar

Al igual que los seres vivos, las estrellas nacen, cambian a lo largo del tiempo y mueren. Y en el caso de las estrellas, para las más grandes, su última etapa es como agujero negro.

¿Cómo nace una estrella? Algo poco conocido es que si juntamos suficiente materia formada por los primeros elementos de la tabla periódica podemos obtener una estrella: si juntamos suficiente hidrógeno conseguimos una estrella, si juntamos suficiente helio conseguimos una estrella, incluso si juntamos suficientes pelotillas de las que se forman en el ombligo conseguimos una estrella. Si juntamos suficiente materia, su propia gravedad puede apretar tanto su núcleo como para fusionar sus átomos.

Al igual que muchos seres vivos, las estrellas nacen de forma accidental. Las nebulosas son grandes nubes de gas y polvo que flotan en el espacio. De forma fortuita partículas de estas nebulosas se acercan y se unen formando aglomeraciones, que gracias a su masa atraen y se unen con otras aglomeraciones. Cuando la aglomeración es suficientemente grande, adquiere una forma esférica, puesto que la gravedad atrae todo hacia el centro. Tenemos una protoestrella.

Si la protoestrella sigue creciendo, hasta por lo menos la mitad de la masa del Sol, su propia gravedad comprime y calienta su núcleo, dando lugar a la fusión de los elementos que contiene, «encendiendo» la estrella. Si su masa es menor, no se «enciende», generando objetos subestelares: enanas marrones o planetas gigantes gaseosos como Júpiter.

¿Cómo se produce esta fusión? Las estrellas en sus primeras etapas están formadas principalmente por hidrógeno, el elemento más abundante del universo. Debido a su propia gravedad, el núcleo de una estrella está muy caliente y a mucha presión.

Es tal la presión y la temperatura, que se produce una reacción en la que cuatro átomos de hidrógeno (1 protón cada uno) se fusionan para crear uno de helio (2 protones y 2 neutrones). La masa de un átomo de helio es menor que la de cuatro átomos de hidrógeno, la masa que falta se ha convertido en energía, que es emitida en forma de luz.

Una estrella es un cuerpo en equilibrio, la energía de la fusión empuja hacia afuera y la gravedad hacia dentro. La etapa en la que se fusiona hidrógeno en helio se denomina «secuencia principal».

Cuando las estrellas más masivas han agotado el hidrógeno en su núcleo, la reacción de fusión que empuja hacia afuera se detiene y la gravedad toma el control. Comprime el núcleo más y más hasta que se alcanza la temperatura y presión en la que el helio se fusiona en carbono. Este proceso se repite fusionando el carbono en oxígeno, el oxígeno en neón, luego magnesio, silicio y finalmente hierro. Hierro es un elemento límite, porque la energía requerida para fusionar dos núcleos de hierro es mayor que la energía que se desprende. En este punto, ya no es posible la fusión y la fuerza de la gravedad no tiene oposición, el núcleo de estrella implosiona en segundos mientras la capa exterior es expulsada formando una supernova.

El horizonte de sucesos

Los agujeros negros no reflejan la luz. Es por eso por lo que no podemos verlos. Sabemos que están ahí porque puede haber estrellas u otros cuerpos orbitando alrededor de ellos. Si miramos hacia un agujero negro vemos una zona oscura donde no hay nada, pero no lo estamos viendo directamente, estamos viendo su horizonte de sucesos.

El horizonte de sucesos es una región alrededor de un agujero negro donde la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ella. Es un punto de no retorno, cuando algo cruza el horizonte de sucesos, está destinado a caer en el agujero negro para nunca volver a salir.

Desde el exterior, el horizonte de sucesos aparece como la superficie de un agujero negro, pero el agujero negro, como tal, la singularidad, el objeto cósmico de densidad infinita está en el interior, es mucho más pequeño y no tenemos ni idea de qué pinta puede tener.

¿Qué cosas pasan si estamos cerca de un agujero negro?

Una creencia equivocada es que los agujeros negros absorben todo a su alrededor como su fueran un aspirador gigante, pero lo cierto es que atraen otros cuerpos con la misma fuerza que lo haría un objeto de la misma masa. Si el Sol fuera reemplazado por un agujero negro de igual masa, las órbitas de los planetas alrededor del agujero negro seguirían siendo las mismas, el único cambio que notaríamos sería que nos quedaríamos sin la luz y calor del sol y el planeta se congelaría, sería como si todo el planeta fuese Burgos en invierno.

Eso sí, mientras el sol tiene un diámetro de 1.4 millones de km, el horizonte de sucesos de un agujero negro de la masa del sol tendría solo 3 km.

En mi humilde opinión, recomiendo mantenerse siempre lo más alejado posible de un agujero negro, acercarse un poco puede tener algunos efectos positivos como vernos más altos y jóvenes que nuestros amigos, pero acercase demasiado puede ser fatal.

¿Por qué nos haríamos más altos?

La fuerza de gravedad entre dos cuerpos se puede calcular utilizando la ley de la gravitación universal de Newton. La fuerza de la gravedad con la que tiraría un agujero negro de uno de nuestros extremos sería muchísimo más grande que la fuerza con la que tiraría del otro, la diferencia de ambas fuerzas estiraría nuestro cuerpo como un chicle masticado.

Que estar cerca de un agujero negro nos hace más jóvenes tiene matices, no es que retrocedamos en el tiempo o nos quite arrugas como una crema anti-edad, sino que el tiempo pasa más lento cuando estamos sometidos a un fuerte campo gravitatorio.

Que la gravedad afecta al paso del tiempo es una de las conclusiones de la Teoría de la Relatividad de Einstein, quien destacó por sus experimentos mentales.

Imaginemos una nave espacial, ascendiendo, que está acelerando constantemente. Dentro de la nave, hay dos personas, Romilly que está en el techo y Cooper que está en el suelo. Cooper lanza destellos con una linterna, hacia arriba, una vez por segundo.

Como la nave está acelerando hacia arriba, el destello deberá recorrer más distancia y por lo tanto llegará al techo en más de un segundo. Si el cohete se moviera a velocidad constante, el destello tardaría exactamente un segundo. Cooper emite destellos una vez por segundo, pero Romilly mide más tiempo. No se han estropeado sus relojes, para Cooper el tiempo pasa más despacio que para Romilly.

Einstein también demostró que es equivalente una nave no acelerada dentro de un campo gravitatorio a una nave acelerada sobre el que no actúa ningún campo gravitatorio. Es decir, un campo gravitatorio fuerte también afecta al paso del tiempo.

Por cierto, Cooper y Romilly son dos personajes de Interstellar y si has entendido esto acabas de entender la parte de la película que rompió la cabeza a más gente.

Esta terapia para mantenernos más jóvenes que nuestros amigos no está libre de riesgos, si nos acercamos demasiado podemos cruzar el horizonte de sucesos y en ese punto ya nunca podríamos escapar y caeríamos sin remedio hacia el agujero negro, el estiramiento, del que hablamos antes, sería tan grande que nos rompería en átomos, algo mucho peor que cuando el fisio nos hace daño en una sesión.

Despedida

Los agujeros negros son el objeto más extremo de la naturaleza, ponen a prueba las teorías físicas de la actualidad. Puede parecer que estudiarlos no aportan nada, pero son la evidencia de todo lo que desconocemos. Cuando la Teoría de la Relatividad desbancó a la Teoría de Gravitación Universal de Newton nadie previó todos los avances que iba a suponer. Del mismo modo, la nueva física resultante de su estudio puede traer inventos que no podemos imaginar.