Los agujeros negros son objetos astronómicos con una atracción gravitacional tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellos. El límite más allá del cual nada puede escapar se conoce como el horizonte de eventos. Aunque son oscuros, los agujeros negros no están vacíos; contienen materia comprimida en un espacio extremadamente reducido. Su presencia se infiere por su interacción con la materia circundante y las radiaciones electromagnéticas, como la luz visible. Se observan dos categorías principales de agujeros negros en el universo: los agujeros negros de masa estelar, que tienen entre tres y diez veces la masa del Sol y están distribuidos en nuestra galaxia, la Vía Láctea, y los agujeros negros supermasivos, que van desde 100,000 hasta miles de millones de veces la masa solar y residen en el centro de la mayoría de las grandes galaxias, incluida la nuestra. A pesar de los hallazgos actuales en la Vía Láctea, se estima que existen cientos de millones de estos agujeros negros.
La existencia de los agujeros negros fue propuesta por primera vez en 1916 por el físico alemán Karl Schwarzschild, quien intentaba resolver las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Observó que las soluciones contenían un fenómeno particular: la teoría se comportaba de manera inusual a un cierto radio, ahora conocido como el radio de Schwarzschild. Concluyó que si una masa se comprimía en un espacio más pequeño que su radio de Schwarzschild, su gravedad prevalecería sobre todas las fuerzas conocidas. Los primeros físicos pensaban inicialmente que tales fenómenos eran poco probables en la naturaleza. Sin embargo, a finales de la década de 1930, se hizo evidente que los agujeros negros podían formarse en condiciones extremas, como mostró el físico indio Subrahmanyan Chandrasekhar, demostrando que ninguna fuerza puede contrarrestar la gravedad a una cierta densidad, llevando así a la formación de agujeros negros solo en las condiciones más severas.
¿Cómo se forman los agujeros negros?
Los agujeros negros estelares se forman a partir de estrellas masivas que producen luz y calor a través de la fusión nuclear. En este proceso, dos átomos más ligeros se fusionan para crear un átomo más pesado, liberando energía. Estos átomos más pesados continúan fusionándose en átomos aún más pesados en un ciclo que mantiene la estrella activa. Cuando una estrella tiene una masa aproximadamente 20 veces la del Sol y se acerca al final de su vida, elementos como el silicio y el magnesio se fusionan en hierro. La formación de hierro requiere más energía de la que la estrella puede proporcionar, y ninguna fuerza puede contrarrestar la gravedad interna de la estrella. Por lo tanto, la estrella colapsa, y su núcleo se comprime más allá del radio de Schwarzschild, formando así un agujero negro.
Como ninguna fuerza conocida puede detener este colapso, una vez que se forma un agujero negro, la materia continúa siendo comprimida en una singularidad, un punto de densidad infinita sin coordenadas espaciales. El horizonte de eventos, un límite esférico alrededor del agujero negro, marca el punto de no retorno; todo lo que lo cruza no puede escapar. Para escapar de la atracción de un agujero negro, uno tendría que viajar más rápido que la luz, lo cual es actualmente imposible. Los agujeros negros supermasivos, o monstruos con masas de millones de veces la del Sol, se forman acumulando materia circundante y fusionándose con otros agujeros negros durante cientos de millones de años.
Los astrónomos han sospechado durante mucho tiempo la existencia de una clase intermedia de agujeros negros, llamados agujeros negros de masa intermedia, que pesan entre 100 y más de 10,000 masas solares. Aunque solo se han identificado indirectamente unos pocos candidatos, la prueba más convincente llegó en mayo de 2019 cuando las ondas gravitacionales resultantes de la fusión de dos agujeros negros de masa estelar revelaron un agujero negro con una masa de 142 veces la del Sol.
¿Qué sucede dentro de los agujeros negros?
Dentro de un agujero negro, la materia se comprime en un volumen extremadamente reducido debido a la gravedad, alcanzando un estado de singularidad en un tiempo limitado. En este punto, el objeto pierde sus coordenadas, y la física actual no puede describir lo que ocurre en este entorno, ya que desafía nuestra comprensión de las leyes físicas.
Afortunadamente, los agujeros negros más cercanos se encuentran a miles de años luz de distancia. Los agujeros negros se comportan como otros objetos masivos en el universo, devorando la materia circundante. Sin embargo, si el Sol fuera reemplazado por un agujero negro del mismo tamaño, la órbita de la Tierra permanecería sin cambios, pero toda la vida vegetal moriría debido a la falta de luz solar.
¿Cómo confirman los científicos su existencia?
Los científicos no pueden observar los agujeros negros directamente con telescopios que detectan rayos X, luz u otras formas de radiación electromagnética. En su lugar, inferimos la presencia de los agujeros negros estudiando sus efectos en la materia cercana. Si una nube de materia pasa cerca de un agujero negro, es atraída hacia adentro en un proceso llamado acreción. De manera similar, si una estrella normal pasa cerca de un agujero negro, puede ser desgarrada y absorbida, haciendo que la materia atraída acelere y se caliente, emitiendo rayos X detectables en el espacio. Los descubrimientos recientes han proporcionado pruebas intrigantes de los efectos significativos de los agujeros negros en su entorno, emitiendo explosiones poderosas de rayos gamma, devorando estrellas cercanas e influyendo en la formación de nuevas estrellas mientras detiene esta formación en otras regiones.
¿Qué tamaño tienen los agujeros negros?
El agujero negro en Cygnus X-1, el agujero negro más cercano a nuestro sistema solar, tiene una masa de aproximadamente 20 veces la del Sol, lo cual es bastante típico para los agujeros negros en todo el universo. La NASA estima que podría haber entre 10 millones y mil millones de agujeros negros en nuestra galaxia.
Cygnus X-1 se encuentra a más de 6,000 años luz de nuestro sistema solar. Aunque es el agujero negro más cercano conocido, es posible que existan agujeros negros más cercanos a menos de 1,000 años luz, aunque esto aún no ha sido confirmado.
En el centro de casi todas las galaxias, incluida la Vía Láctea, se encuentra un agujero negro supermasivo, de millones o incluso miles de millones de veces la masa del Sol. Estos agujeros negros gigantes alcanzan tamaños colosales al absorber materia circundante y fusionarse con otros agujeros negros durante cientos de millones de años.
¿Cómo se ven los agujeros negros?
Los agujeros negros, fieles a su nombre, son oscuros ya que no emiten luz. Sin embargo, los astrónomos pueden detectarlos a través de sus efectos gravitacionales en los objetos cercanos y sus impactos caóticos. Para algunos agujeros negros, especialmente los supermasivos, su presencia se observa a través de los cuásares que producen. Cuando la materia cae en un agujero negro, se comprime y se calienta, creando un disco de acreción brillante, a veces más brillante que toda la galaxia huésped. Estos agujeros negros también pueden emitir chorros de partículas altamente energéticas a velocidades cercanas a la de la luz, a distancias que alcanzan decenas de miles de años luz.
Otra forma de «ver» los agujeros negros es durante su fusión. Cuando dos agujeros negros colisionan, envían ondas gravitacionales a través del espacio-tiempo. Aunque estas ondas son extremadamente débiles, los instrumentos sensibles en la Tierra pueden detectarlas. Hasta ahora, los astrónomos han registrado 50 eventos de fusión de agujeros negros.
En 2019, se capturó la primera imagen real de un agujero negro cuando los astrónomos usaron el telescopio Event Horizon, una red de antenas que se extiende por todo el planeta, para fotografiar el disco luminoso de materia alrededor de un agujero negro con una masa superior a 6 mil millones de veces la del Sol, ubicado en la galaxia M87, a unos 55 millones de años luz de distancia. La imagen aparece como un anillo anaranjado deformado debido a la imposibilidad de capturar el agujero negro en sí, ya que la luz no puede escapar de él. En cambio, los astrónomos observaron la sombra del agujero negro contra la materia luminosa que lo rodea.
