Que es un agujero negro?
Esta semana se hizo pública la primera imagen tomada de un agujero negro y tuvo una enorme repercusión incluso fuera de los círculos científicos.
Pero que es exactamente un agujero negro? Aquello que vieron la película Interstellar pueden darse una idea aproximada de lo que es. Pero me pareció una buena oportunidad para recordarlo.
Entre 1905 y 1915, Albert Einstein público sus famosas teorías de la relatividad, especial y general y cambió para siempre la forma en que vemos al mundo. La teoría de la relatividad especial básicamente nos dice que los tamaños y distancias y la velocidad en que transcurre el tiempo no son absolutos, sino relativos al observador. Esto significa que 2 observadores que estén moviéndose uno respecto de otro, jamas se pondrán de acuerdo en las medidas de tamaños y en el tiempo transcurrido entre 2 sucesos (a menos que ambos estén en reposo entre sí). Adicionalmente introduce un nuevo concepto, el espacio-tiempo. El espacio-tiempo es una entidad de 4 dimensiones, 3 espaciales y 1 temporal y a diferencia del espacio y el tiempo tomados por separado, el espacio-tiempo si es absoluto. Nuestro movimiento en el espacio tiempo es absoluto, por eso, si NO nos movemos en el espacio nuestro movimiento ocurre completamente en el dominio temporal y por lo tanto nuestro tiempo transcurre a la máxima velocidad posible. A medida que nos movemos más y más rápido en el espacio, nuestra velocidad en que nos movemos en el tiempo es más lenta. Al punto que cuando llegamos a la máxima velocidad que podemos desplazarnos en el espacio, que es la velocidad de la luz, el tiempo literalmente se detiene.
La teoría de la relatividad especial no incluía a la fuerza de gravedad. Durante más de 2 siglos, la fuerza de gravedad fue explicada como una fuerza de atracción producida por la presencia de materia. Así, por ejemplo, la masa de la tierra ejerce una fuerza de atracción sobre las cosas que se encuentran en su cercanía, y por eso sentimos nuestro peso. El mecanismo por el cual esa fuerza era generada y como se transmitía y actuaba sobre objetos distantes era completamente desconocido.
En 1915, Einstein postula la teoría de la relatividad general y produce una revolución científica y el comienzo de la cosmología moderna. Básicamente esta revolucionaria teoría nos dice que la fuerza de gravedad es una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo. La concentración de materia produce una deformación en la geometría del tejido del espacio-tiempo y esta deformación altera el modo en que otros objetos se mueven dentro de ese espacio-tiempo.
La siguiente imagen muestra una representación de como la masa de la tierra curva la geometría del espacio-tiempo en las inmediaciones y esta curvatura afecta en la forma en que la luna se desplaza.
Básicamente la luna gira en torno a la tierra porque sigue una trayectoria recta en un espacio curvo. Del mismo modo, la masa del Sol curva la geometría de todo nuestro sistema solar y mantiene 8 planetas y miles de objetos menores girando en torno a el. Aquí viene la parte interesante, a mayor concentración de masa, mayor deformación de la geometría del espacio-tiempo.
Las estrellas se forman en lugares donde altas concentraciones de materia se han aglutinado debido a la fuerza de gravedad. La gravedad comprime la materia, que sometida a altas presiones, se calienta. Cuando la temperatura sobrepasa los millones de grados, se inicia un proceso de fusión nuclear. Así nace una estrella.
En este proceso de fusión nuclear, átomos de elementos livianos, principalmente hidrógeno, helio y litio, se fusionan para formar elementos más pesados. En este proceso, existen una pérdida de masa que se traduce en una enorme liberación de energía. Esta energía produce una presión hacia afuera que compensa la atracción gravitatoria manteniendo a la estrella estable durante miles de millones de años. Gracias a este proceso existen materiales más pesados que permiten, entre otras cosas que existamos nosotros, los seres humanos. Los elementos que forman la vida han sido creados por estrellas ya extinguidas, es por esto que se dice poéticamente que los seres humanos somos residuos de estrellas.
Transcurrido este tiempo, la estrella habrá quemado la mayoría de su combustible nuclear, esto es, habrá transformado la mayor parte de sus elementos livianos en elementos pesados. Cuando la estrella comienza a fusionar elementos más pesados que el hierro, el proceso de fusión nuclear pierde eficiencia y el reactor más poderoso del universo comienza a apagarse. Los procesos que ocurren en los estadios finales de una estrella son bastante complejos y dan lugar a explosiones conocidas como novas y supernovas, pero el resultado final es que el proceso de atracción gravitatoria termina ganando la batalla y la estrella, o más bien el remanente de materia que queda de la estrella, comienza a colapsarse. Dependiendo de la masa remanente que haya quedado la estrella agonizante tiene tres posibles destinos.
Si la cantidad de materia está por debajo de un valor umbral, la estrella se convertirá en una enana blanca. Una enana blanca está formada principalmente por carbono y oxígeno (pero también existen rastros de otros elementos) sometidos a presiones millones de veces superiores a las que experimentamos cotidianamente. El proceso que detiene el colapso gravitatorio es conocido como el principio de exclusión de Pauli de impide que los electrones de los átomos puedan ocupar ubicaciones muy próximas.. La mayoría de las estrellas, incluida nuestro propio Sol, se convertirán en enanas blancas.
Si la masa de la estrella es mayor a este umbral, el principio de exclusión de Pauli de los electrones no puede contrarrestar a la fuerza de gravedad y la materia sigue compactándose, al punto que se desarma en sus partes constitutivas, electrones, protones y neutrones. Protones que poseen carga positiva terminan combinándose con los electrones que poseen carga negativa, convirtiéndose en neutrones. De ahí su nombre: estrellas de neutrones. Las estrellas de neutrones poseen densidades inimaginablemente grandes, ciento de miles de millones de veces mayores a las densidades de la materia normal. En este caso, el proceso que detiene el colapso gravitatorio es el mismo principio de exclusión de Pauli, pero en este caso aplicados a los neutrones sumado a la presión generada por la fuerza nuclear fuerte.
Existe un tercer caso y ocurre cuando la masa de la estrella es incluso mayor. En este caso no existe ningún proceso conocido que pueda detener el colapso gravitatorio. Por lo tanto, la compresión de la materia y el incremento de densidad no tienen un límite conocido. Esto no significa que verdaderamente no existe un límite, sino que simplemente no conocemos ningún proceso físico que pueda detener el colapso gravitatorio. En este caso la estrella se convierte en un agujero negro.
Un agujero negro es una región del espacio-tiempo cuya geometría se encuentra infinitamente curvada. No tenemos idea de lo que pasa dentro de un agujero negro porque nuestras teorías físicas simplemente no están preparadas para explicarlo. Lo que sí sabemos es que el campo gravitatorio de un agujero negro es tan intenso que absolutamente nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Por esta razón se lo llama agujero negro. Otro efecto conocido es que en las proximidades de un agujero negro el tiempo transcurre de una manera más lenta, como consecuencia de la increíble curvatura del espacio tiempo. Dentro de un agujero negro el tiempo está literalmente detenido. Un agujero negro puede considerarse como una región donde el espacio-tiempo llegó a su fin.
Un agujero negro es caracterizado por una esfera llamada horizonte de sucesos que marca el borde a partir de donde nada puede escapar de su atracción gravitatoria. El tamaño de la esfera del horizonte de sucesos de los agujeros negros formados como producto de la muerte de estrellas varía típicamente entre 50 y 200 km de diámetro (pudiendo llegar hasta los 300 km). Por esta razón los agujeros negros son extremadamente difíciles de detectar. No emiten luz, y en general son muy pequeños en términos astronómicos. Sin embargo existen agujeros negros super masivos producto de múltiples fusiones de agujeros negros o de concentraciones extremadamente altas de materia en estadios iniciales de la creación de nuestro universo y estos pueden llegar a tener tamaños incluso mayores que sistemas solares completos.
Por otro lado, los agujeros negros son grandes atractores de materia, en especial los super masivos. La materia que cae en el pozo gravitatorio de un agujero negro comienza a arremolinarse a su alrededor formando lo que se denomina “disco de acreción”. Esta materia se calienta y emite radiación que puede ser detectada.
Recientemente, 8 radiotelescopios actuaron de manera conjunta para obtener la primera imagen de un agujero negro super masivo que se encuentra ubicado dentro de la galaxia M87 a 55 millones de años luz de distancia. Este agujero negro posee un tamaño mayor que nuestro sistema solar pero concentra una masa 6500 millones de veces mayor. Sabemos que existe un agujero negro super masivo en el centro de nuestra propia galaxia, pero es más pequeño y su movimiento relativo con respecto a nosotros es mayor lo cual hace más difícil su detección. Esta es la imagen obtenida:
La siguiente imagen es una representación artística de como creemos que se vería un agujero negro desde un punto de vista cercano.
