El agujero negro, a pesar de todo, ese gran desconocido

Seguramente todos hayáis oído hablar de agujeros negros, entes supermasivos que se encuentran en el centro de las galaxias y fascinan a los autores de ciencia ficción. Algunas de las mayores mentes científicas desde principios del siglo pasado han dedicado su esfuerzo a desentrañar estos objetos anómalos que parecían violar las leyes de la física. Como ya hay mucha divulgación escrita sobre la radiación de Hawking y sobre la relatividad general, no voy a hablar de esto, si no de una cuestión mucho más fundamental para el público: ¿Qué aspecto tienen los agujeros negros?

Es probable que los imaginéis como una especie de aspiradora gigantesca de la que nada puede escapar, y que al ser negra no se ve, una imagen tan aterradora… como llena de concepciones erróneas. Mi objetivo hoy es ayudaros a imaginaros cómo es un agujero negro, qué aspecto tiene desde fuera, y haceros una idea de qué efecto tiene sobre los cosas que los rodean. Empezaré por describir algunos fenómenos cotidianos que se asemejan a un agujero negro, y después hablaré brevemente de la física que hay detrás.

Vamos a empezar haciendo un pequeño experimento, podéis hacerlo mentalmente, o si os apetece verlo, cómodamente en casa. No necesitaréis nada más que un grifo y un lavabo con un desagüe y tapón para el desagüe. Si no, podéis echar mano de un recuerdo de la infancia: la hora del baño. Cuando la bañera, o el lavabo, están llenos de agua y retiramos el tapón, el agua empieza a salir por el desagüe. Hay un punto (que desfortunadamente dura poco tiempo) en el que se forma un torbellino de agua girando en torno al desagüe. Si nos fijamos, hay un hueco central casi hasta abajo, donde el agua forma paredes casi verticales, pero fuera del remolino el agua apenas se mueve. Si tenéis algún objeto pequeño que flote podéis hacer la prueba y ver que si lo dejáis quieto cerca del torbellino, casi siempre cae dentro, pero si está lejos apenas se acerca y si lo lanzáis hacia el remolino, pasa una cosa curiosa y es que el agua lo arrastra alrededor del agujero, de modo que da la vuelta sin caer dentro.

Otra imagen buena es una especie de “tragaperras” que hay en algunos museos infantiles y parques de atracciones, es un aparato circular de plástico que cae de manera cada vez más inclinada desde el círculo exterior hasta un pequeño agujero en el centro más abajo. Hay una ranura para introducir una moneda, que da vueltas y vueltas y vueltas cada vez más rápido hasta caer dentro. Cuánto más rápido lances la moneda, más vueltas dará y más tardará en caer. Siempre suplicaba a mis padres que me dejaran lanzar más pero sólo me daban una moneda, así que había que contentarse con ver derrochar al resto de niños, si nunca lo habéis probado acercaos al museo de ciencia más cercano, es bastante bonito de ver.

Juntando estas dos imágenes podemos hacernos una buena idea de cómo es un agujero negro; el torbellino o la parte de mayor inclinación del “tragaperras” representan la parte interior del agujero negro, que no podemos ver y del que nada puede escapar una vez dentro, y el agua de la bañera que gira lentamente alrededor pero no está dentro o la parte más plana del “tragaperras”, en la que las monedas a veces vuelven cuesta arriba mientras giran en torno al agujero, es la parte externa y visible del agujero negro. Entonces, vemos que hay una zona cercana al agujero negro de la que los objetos, si llevan suficiente velocidad, pueden escapar, a pesar de notar fuertemente su influencia y estar obligadas a girar en torno a él, debido a su gran atracción gravitatoria.

Esta zona externa, cuando se trata del agujero negro central de algunas galaxias (núcleos de galaxia activos o AGN), se conoce como disco de acreción. Es de hecho uno de los objetos que más luz emiten del universo, donde por luz entendemos todo el espectro electromagnético, no sólo la pequeña parte del mismo que nuestros ojos ven. Se compone de un gas a gran temperatura, que al estar rotando tan rápidamente mientras cae hacia el agujero sufre gran rozamiento, perdiendo los átomos sus electrones y convirtiéndose en un plasma, es decir, un gas compuesto de partículas cargadas. Los fuertes campos eléctricos y magnéticos que se generan por esto hacen que se emita una cantidad abrumadora de energía en forma de rayos X y gamma (los rayos gamma son los más energéticos que existen, seguidos por los X). Estos campos, además, generan haces colimados de radiación y materia que salen a gran velocidad de los polos del agujero negro. Hay otros agujeros negros que no poseen disco de acreción (la mayoría) pero cuando cae materia hacia ellos, se comporta del mismo modo durante el tiempo que cae, como sucede con los agujeros negros en sistemas binarios que engullen a su estrella compañera.

La cuestión que estoy segura que algunos os hacéis ahora es ¿por qué se llama agujero negro, si visto desde fuera es un objeto tan luminoso? O quizás os preguntéis ¿no se suponía que nada escapaba, ni siquiera la luz? Bien, la respuesta a esto es sencilla y puede ilustrarse con una fórmula, la de la velocidad de escape.

Como todos sabréis, la fuerza gravitatoria de la tierra nos mantiene firmemente pegados a ella, pero somos capaces de construir cohetes que escapan esta fuerza; basta con que lleven una velocidad superior a la de escape, que para la tierra es unos 11m/s. Por otro lado, la luna orbita alrededor de la tierra desde hace mucho, mucho tiempo, atraída por su fuerza gravitatoria, y no muestra señales de que vaya a caernos encima, sencillamente porque está lo suficientemente lejos que, con la velocidad que lleva (que va perdiendo por efectos de marea pero ese es otro asunto) podemos estar tranquilos que se dedicará a dar vueltas alrededor de la tierra indefinidamente hasta que el sol explote y nos engulla (tranquilos, quedan cinco mil millones de años para eso). Esto se debe a que la velocidad de escape disminuye al aumentar la distancia, así:

(v_e es la velocidad de escape, G la constante universal de gravitación, M la masa del cuerpo del que se quiere escapar y r la distancia al centro del mismo)

Bien, pues una manera de definir agujero negro (así, como de andar por casa) es decir que es un objeto masivo cuya velocidad de escape supera la velocidad de la luz (300 000 000m/s). Entonces, que un objeto (una estrella, una nave espacial, una nube de polvo o un rayo de luz) quede atrapado para siempre depende de lo cerca que esté del agujero negro, y la distancia a la que la velocidad de escape es justo la de la luz define una zona más o menos esférica denominada horizonte de sucesos.

Resumiendo entonces, un agujero negro estándar podemos imaginarlo como el agujero central de un colosal vórtice, que en vez de estar formado por agua, es un agujero en el mismo espacio-tiempo.