Agujeros negros: de lo místico a un objetivo científico cada vez más abordable

El 85% de la materia del universo es oscura, de la que solo percibimos su huella gravitatoria y de la que desconocemos prácticamente todo lo demás. Esa misma huella, las ondas gravitacionales, es las que a su vez han abierto las puertas a una de las investigaciones más fascinantes de la Humanidad hasta ahora: los agujeros negros primordiales.

Juan García-Bellido es físico teórico, cosmólogo, y experto en agujeros negros primordiales. Catedrático de la Universidad Autónoma de Madrid, García-Bellido ha trabajado en el CERN, el Imperial College de Londres y la Universidad de Stanford, además de ser colaborador del proyecto europeo LISA: el siguiente gran salto en la exploración de estos misteriosos objetos espaciales.

En conversación con D+I, Juan García-Bellido desmonta los mitos que rodean a los agujeros negros, muestra su pasión por abordar lo inexplicable y el enorme papel que están jugando los avances tecnológicos, como los proyectos LIGO y LISA, en estas lides.

Este año, el Premio Nobel de Física recayó en el inglés Roger Penrose, el alemán Reinhard Genzel y la estadounidense Andrea Ghez por sus respectivos trabajos sobre los agujeros negros. Estamos asistiendo a un renovado interés por este tema en los últimos años, ¿a qué se debe y por qué debería importarnos?

Diría que, independientemente de que le hayan dado el Nobel a estos investigadores que sin duda se lo merecen, yo creo que lo fascinante es que un agujero negro es algo que está ahí, que no podemos tocar, que no podemos experimentar con él. Y sin embargo, nos atrae irremediablemente.

Primero porque es un misterio. Nos deja de repente una cajita en la cual no podemos acceder a lo que hay dentro y nos atrae como lo hacen todas las cosas que van más allá de nuestro conocimiento. Y al ser tan poco accesible, nos lleva a inventar fenómenos complejos que no están cerca de nuestra experimentación.

Además, no podemos olvidar la mala fama que tienen los agujeros negros, de ser peligrosos y 'engullir' todo lo que hay a su alrededor. Es cierto que a partir de una cierta distancia de ese agujero negro no se puede sacar nada, pero eso no quiere decir que no pueda haber objetos que orbitan alrededor de un agujero negro.

De hecho, esto es, entre otras cosas, lo que han visto los investigadores que han recibido el Premio Nobel: que hay estrellas que orbitan alrededor de los agujeros negros y no les pasa nada. Algunas estrellas pasan tan cerca que pierden las capas exteriores, lo único. Por eso, si tenemos agujeros negros cerca del sistema solar y sencillamente orbitan alrededor del Sol, siempre que sea lo suficientemente lejos, no nos plantean ningún problema. El público debe ser consciente de que son objetos astrofísicos, que están ahí y que no nos van a comer.

Conocemos la existencia de los agujeros negros desde hace mucho tiempo, incluso Einstein ya los incluyó en sus cálculos. Pero no fue hasta hace nada, en 2014, cuando tuvimos la constatación directa de las ondas gravitacionales que demostraron su existencia...

Efectivamente, Einstein consideraba que los agujeros negros eran una solución de sus ecuaciones, que debían estar ahí, aunque tenía sus dudas sobre si la descripción matemática de esos objetos realmente daba pie a que existieran en la naturaleza. Ya antes de él había observaciones sobre lo que llamaban "estrellas negras", que tienen muchas propiedades de las que hoy asociamos a los agujeros negros, como que la luz queda atrapada en ellos.

Por otro lado, es verdad que para constatar todo esto hubo que esperar a un desarrollo tecnológico que no había hasta el momento de observaciones astrofísicas para poder ver que le pasa la materia cerca de estos objetos.

En todo este camino de estudio de los agujeros negros, ¿qué sabemos realmente de ellos?

Algo sabemos, y no solo gracias a las ondas gravitacionales, sino también por medio del Telescopio de Horizonte de Eventos, que nos permite ver qué le pasa al gas muy cerca del horizonte. En concreto, hemos estudiado los sucesos de un agujero negro en una galaxia lejana, la M-87. Es un agujero negro inmenso, mucho mayor que el de nuestra galaxia y el primero del que tenemos imagen. 

Sabemos de él que tiene masa, que es posible que rote pero que no tiene carga, porque si la tuviera habría un campo magnético que habría modificado las trayectorias de la materia que cae en el agujero negro y no se ha visto. Esto es lo que podemos observar por el aspecto exterior, pero lo fascinante y lo que no responde la teoría de Einstein, es qué sucede en el interior de los agujeros negros, cerca de la singularidad. Ahí es donde están los grandes misterios.

Hoy por hoy, eso resulta imposible porque implicaría meternos dentro de estos agujeros negros. Pero entre las hipótesis que maneja la comunidad científica, y que usted mismo ha planteado en una reciente conferencia en la Fundación Ramón Areces, es que hay un tipo de agujeros negros, los primordiales, que podrían ayudarnos a entender el origen mismo del universo...

Los agujeros negros pueden ayudarnos a saber cuál es el comportamiento de la materia en condiciones extremas, tanto por cómo la materia colapsa y entender cómo evolucionan las estrellas, pero también, como decías, sobre el origen del universo.

Ahí estamos también en una situación extrema con una enorme densidad de energía y grandes concentraciones de masas, como sucede en los agujeros negros. Y en ese momento, cuando el universo comenzó, creemos que se generaron no sólo esas irregularidades que vemos ante nuestros ojos, sino también posiblemente a regiones muy densas donde se pudieron formar los agujeros negros primordiales.

Lo que proponemos es que estos agujeros negros primordiales formaban parte de la materia oscura inicial. Por ello, remontándonos al origen del universo, podríamos usar los agujeros negros para sondear, para conocer cómo era, cómo fue ese origen.

Por ahora es una hipótesis. Todavía no tenemos la confirmación final de que la materia oscura son agujeros negros primordiales. Pero vamos en ese camino gracias a las ondas gravitacionales y a otras investigaciones en marcha.

Como comenta, hay muchas formas de aproximarse a la investigación de los agujeros negros. Una de ellas es mediante las ondas gravitacionales, donde hemos visto un gran acelerón en los últimos años tanto con el proyecto LIGO (EE. UU.) como Virgo (Europa). ¿En qué consisten exactamente estos estudios?

Una de las máximas que hemos extraído de la Teoría de la Relatividad General es que los distintos objetos en el espacio cambian la trayectoria de la materia a su alrededor. Como sabemos, la Tierra orbita alrededor del Sol y lo entendemos ahora porque se curva el espacio, se curva esa relación entre las posiciones de los objetos, pero también esos objetos al moverse están haciendo una deformación del espacio.

El movimiento induce una onda de la misma manera que cuando tiramos una piedra a un estanque. En el espacio sucede lo mismo y a esa perturbación que se propaga la llamamos una onda gravitatoria. Gracias a ellas, podemos ver objetos muy lejanos que no emiten ondas electromagnéticas, sino gravitatorias, allí donde la luz no llega porque hay cargas de por medio que nos impiden verlos directamente. Nos permiten ver el interior de objetos astrofísicos tan complejos como los centros galácticos, el comportamiento de las estrellas alrededor de agujeros negros supermasivos o cómo finalmente se fusionan y explosionan.

El funcionamiento de los sensores, como LIGO y Virgo es muy sencillo: son enormes sensores extraordinariamente sensibles, como los sensores sísmicos que se usan habitualmente en Japón. Estos sensores notan los movimientos de vibración inducidos por estas ondas gravitacionales que atraviesan la Tierra.

Sin duda, el estudio de ondas gravitacionales nos ha abierto una nueva forma de explorar el universo. Nos permite ver cómo era el universo cuando era muy pequeñito y se produjo el fondo cósmico de microondas, y, en definitiva, entender mejor cómo era el universo cuando se creó.

El siguiente paso en esta aventura es la antena LISA [en realidad, tres satélites espaciales conformando un interferómetro láser en órbita heliocéntrica], en el que ya está inmersa la Unión Europea con la vista puesta en 2030...

La tecnología de LISA es distinta a todo lo visto anteriormente. Si queremos estudiar fenómenos más grandes no tiene sentido esperar a que se refleje la onda. Además, Virgo y LIGO perciben pocas variaciones de frecuencias, similares a las ondas de sonido. Por eso decimos que estamos "escuchando" al universo. 

En el caso de LISA, vamos a ver longitudes de onda del orden de millones de kilómetros, y eso nos permitirá explorar otro tipo de fenómenos distintos a los que ya investigamos con Virgo y LIGO.

Ahora mismo son típicamente explosiones, supernovas o bien colisiones de estrellas de neutrones. Con LISA, veremos las fusiones de agujeros negros supermasivos, podríamos llegar a descubrir finalmente cómo se generaron esos agujeros negros. Es una máquina fascinante, incluso para mí que estoy involucrado en el proyecto como colaborador, me parece ciencia ficción. Honestamente, es espectacular pensar que podemos controlar esos satélites en caída libre alrededor del Sol separados millones de kilómetros, distancias comparables a distancia del Sol a la Tierra.

¿Qué le gustaría descubrir con LISA? ¿Qué podemos esperar de este nuevo avance tecnológico en la carrera por entender el universo?

Una cosa que me gustaría con LISA es encontrar el origen de esa materia oscura para saber si efectivamente los agujeros negros primordiales son parte de la materia oscura. ¿Cómo lo veríamos? Pues es una manera muy sencilla. Si vemos fusiones de agujeros negros, de cientos de masas solares que son de origen primordial, entonces deberíamos empezar a ver esas fusiones a una enorme distancia cuando el universo era muy joven, cuando tenía aproximadamente el uno por ciento de la edad actual y por tanto, cuando todavía no se habían empezado a formar las primeras estrellas.

Cabe destacar que los agujeros negros de alrededor de diez masas solares se forman por evolución estelada cuando una supernova explota y deja como remanente un agujero negro. Pero los agujeros negros estelares son distintos de los primordiales. Y los podríamos distinguir, entre otras cosas, porque la formación de los primordiales ocurrió en el universo primitivo, mucho antes que la formación de las estrellas, luego no podrían ser estelares. 

Su nombre es uno de los pocos españoles que figuran en la lista de estos proyectos de alto nivel científico a escala internacional. ¿Cuál es la contribución de nuestro país, de la ciencia española, en estas lides?

Mientras que en otras áreas como la biología o la ciencia de partículas hay una gran participación española, con un volumen alto de gente trabajando en esas áreas, en ondas gravitacionales no hay muchos grupos trabajando en España.

Desde el comienzo de estos estudios, hay un grupo de trabajo en Baleares y otro en Galicia. Ya más recientemente se han sumado otros dos grupos, de Valencia y Barcelona, al proyecto de Virgo, para el que también nosotros [por la Universidad Autónoma de Madrid] estamos en proceso de participación. Y luego hay alguna gente en colaboración con el proyecto japonés.

La nota positiva es que, en los nuevos proyectos como LISA o Einstein, la participación española está siendo mayor porcentualmente porque nos ha dado tiempo a entrar en las colaboraciones internacionales y hacerlo a más alto nivel, con responsabilidades en el diseño y construcción de los aparatos o de desarrollo de los experimentos.