Agujeros negros: ¿qué son y por qué despiertan la fascinación de la humanidad?

Los agujeros negros han despertado la fascinación de la humanidad. Estos astros tan simples y enigmáticos están en todo el universo, y solo poseen masa, carga eléctrica y rotación. Hace poco, el descubrimiento de uno de ellos, de origen estelar, en el centro de la Vía Láctea, se ha convertido en un problema para los científicos.

Metamorfosis estelar

Un agujero negro nace del terrible final de una estrella supergigante. Aquí no abordaremos los supermasivos del centro de las galaxias de origen incierto. Se sabe que toda estrella se mantiene estable por el equilibrio entre la gravedad y la presión que ejerce el gas debido a las reacciones nucleares. La primera es una fuerza hacia el interior de la estrella y la otra, una fuerza opuesta y que constituye el llamado equilibrio hidrostático.

Pero, luego de unos millones o miles de millones de años (las estrellas masivas viven menos que las pequeñas), estas han consumido su combustible. La evolución de estrellas con más de diez masas solares es muy rápida. En ellas, el hidrógeno se convierte en helio en unos millones de años; luego, el helio, en carbono; y así sucesivamente, en elementos cada vez más pesados con menos producción de energía.

En estas estrellas, el límite es el hierro, el elemento final de la nucleosíntesis (formación de elementos). El núcleo de hierro, cuando se fusiona con otros núcleos, ya no proporciona energía; al contrario, la demanda. Y como ya no hay producción de energía, la fuerza de la gravedad gana y se origina un colapso gravitatorio. Es decir, parte de la materia de la estrella se desploma hacia su núcleo.

Mientras tanto, la esfera de hierro vaporizado (el núcleo) se contrae hasta que protones y electrones se fusionan, y forman neutrones para dar origen a una estrella de neutrones. La implosión continúa: las capas exteriores de la estrella caen sobre el núcleo supercompacto, y se origina un rebote explosivo. Todo este proceso libera una enorme cantidad de energía y la estrella explota en forma de supernova.

Si al final de la evolución de una estrella sobra masa, la estrella de neutrones ya no podrá mantener el equilibrio, y el astro se contraerá hasta un agujero negro. El espacio ha sido perforado.

Hijos de la relatividad

Por muchos años, los agujeros negros solo fueron una deducción teórica de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Muchos científicos no aceptaban lo que se desprendía de aquella portentosa teoría. ¡Ni el mismo Einstein!

Los sesudos debates involucraron a los más famosos físicos durante décadas. Uno de ellos, el norteamericano John Wheeler, solo en la década de 1960, aceptó que estos absurdos astros deberían existir y los bautizó como agujeros negros ( 1967 ).

En 1915, Einstein publicó su revolucionaria teoría, en la que demuestra que el espacio y el tiempo forman una sola entidad —el espacio-tiempo—, la cual es elástica. En ella, la gravedad no es otra cosa que la deformación del tejido del espacio-tiempo en presencia de una masa o energía; es decir, pura geometría.

La mejor descripción de las ecuaciones de campo de la teoría la daría Wheeler: “La masa le dice al espacio cómo curvarse y el espacio le dice a la masa cómo moverse”.

La gravedad cuántica

Un año después, el astrofísico alemán Karl Schwarzschild, a partir de la ecuación de campo, realizó un cálculo elegante de la curvatura del espacio-tiempo en el exterior e interior de una estrella sin rotación. De esta geometría, él dedujo, en 1916, lo que se llamó “la singularidad de Schwarzschild”, hoy conocida como agujero negro.

Con singularidad, nos referimos a la región del espacio-tiempo en la que la curvatura es tan intensa que las leyes de la relatividad general dejan de ser válidas (aparecen valores infinitos) y entra en acción la gravedad cuántica.

En 1939, Einstein escribió un artículo en que negaba la existencia de “la singularidad de Schwarzschild”. La geometría de Schwarzschild también predecía que, para cada estrella esférica y sin rotación, existe una circunferencia crítica (o radio) que depende de la masa del astro. Si una estrella real tuviera esa circunferencia crítica, el tiempo se detendría y ni la luz podría escapar.

Por su intensa gravedad, la estrella crea un horizonte de eventos en torno a sí misma; es decir, una esfera oscura en la que lo que entra ya no sale. Para el Sol, ese radio es de 3 km; así, se convertiría en un hoyo negro. En el siglo XVIII, Michell y Laplace llegaron a la misma conclusión utilizando la mecánica de Newton y las llamaron “estrellas oscuras”.

En los años 30, el astrofísico indio-norteamericano Subrahmanyan Chandrasekhar predijo que las estrellas moribundas enanas blancas no podrían tener más de 1,4 veces la masa del Sol porque colapsarían, predicción refutada por el físico norteamericano Oppenheimer y el ruso Volkoff. Más bien, estos predijeron la existencia de estrellas de neutrones al pasar ese límite.

Desde los años 90, se sabe que pasado el límite de Chandrasekhar, una estrella se comprime en una estrella de neutrones (aproximadamente de 10 km de radio), unas tres masas solares. Más allá de eso, colapsa en un agujero negro.

Un monstruo desconocido

En noviembre de 2019, un artículo en “Nature” remeció el mundo de la astrofísica: dio cuenta de un masivo agujero negro de origen estelar que no debería existir en la Vía Láctea.

En el artículo, los científicos chinos describen que es un sistema binario: un agujero negro, llamado LB-1, con una estrella compañera; además, afirman que, en todos los sistemas binarios, la masa del agujero negro es menor que 30 masas solares.

Sin embargo, por las mediciones de la velocidad radial (velocidad hacia el observador) de la estrella compañera, esta requiere de un compañero oscuro con 68 veces la masa solar. Es todo un desafío para la ciencia.

(*) Iván Meza Vélez es biólogo egresado de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos (UNMSM) y cuenta con una maestría en Zoología en esa misma casa de estudios. También estudió Física y Matemáticas pura, siempre en San Marcos.