UNAM
24 de abril de 2018
II
II
¿Cómo ves?
Inicio » Número » Índice 44 » Los agujeros negros
imprimirpdfmenosmas

Los agujeros negros
Ilustración: Rapi Diego

Los agujeros negros

Miguel Alcubierre

Lo que pasaría si viajaras a uno de estos objetos, los más extraños del cosmos.

Todo lo que sube tiene que bajar", dice el dicho. En efecto, en la vida cotidiana, si lanzamos un objeto al aire, éste siempre vuelve a caer. Una pelota lanzada hacia arriba llega hasta cierta altura, generalmente no muy grande, y regresa. Una bala sube mucho más alto, y luego vuelve a caer (cosa en la que parecen no pensar quienes disparan balas al aire en ciertas fi estas; la bala que cae de regreso puede fácilmente matar a alguien).

Quizá debería añadirse al dicho que mientras más rápido se lance el objeto al aire, más alto llegará y más tiempo tardará en caer. Esta observación nos lleva inmediatamente a la siguiente pregunta: ¿será posible lanzar un objeto tan rápido que no caiga nunca?

La respuesta a esta pregunta es un simple sí. La velocidad a la que se debe lanzar un objeto para que no vuelva a caer se conoce como velocidad de escape (véase recuadro) y depende de dónde te encuentres: es menor en la Luna que en la Tierra, y menor en la Tierra que en el Sol. La velocidad de escape de un cuerpo celeste (un planeta o una estrella, digamos) está determinada por dos características del cuerpo celeste: su masa y su tamaño (medido por su radio). Dados varios cuerpos del mismo radio, el de mayor masa tendrá la mayor velocidad de escape; dados varios cuerpos de la misma masa, el de menor radio tendrá la mayor velocidad de escape. En el caso de la Tierra, la velocidad de escape resulta ser de aproximadamente 11 kilómetros por segundo (unos 40 000 kilómetros por hora). Esto signifi ca que si quisieras lanzar una piedra (o un elefante, da lo mismo) de un solo impulso sin que volviera a caer, tendrías que darle una velocidad inicial de 40 000 kilómetros por hora.

Es muy importante decir que una nave espacial, o cualquier objeto con propulsión propia —por ejemplo, una persona subiendo una escalera hasta la Luna o un caracol trepando por una pared  suficientemente elevada—, no necesitaría alcanzar la velocidad de escape. La restricción sólo se aplica cuando quieres escapar del objeto celeste de un solo empujón inicial.

Estrellas oscuras

Así, la velocidad de escape depende tanto de la masa del cuerpo celeste como de su tamaño. A fi nes del siglo XVIII, John Michell, en el Reino Unido, y Pierre Simon de Laplace, en Francia, se preguntaron de qué tamaño tendría que ser una estrella de una masa dada para que su velocidad de escape fuera tan alta que no pudiera escapar de ella ni siquiera la luz, que se propaga a una velocidad altísima (de cerca de 300 000 kilómetros por segundo). Semejante estrella no emitiría luz y podría llamarse "estrella oscura". Michell y Laplace encontraron independientemente una fórmula para el radio que tendría que tener la estrella para no dejar escapar la luz (véase recuadro), valor que se El radio gravitacional es distinto para cada cuerpo y depende sólo de la masa de éste. Y por cierto, el cuerpo no tiene que ser una estrella: puede ser cualquier cosa, desde un planeta hasta una taza de café.

Con la fórmula del radio gravitacional de Michell y Laplace se pueden hacer cálculos muy divertidos. Por ejemplo, una taza de café de 500 gramos tendría que reducirse a una bolita de una cuatri llonésima de milímetro (un 1 colocado después de 23 ceros a la derecha del punto decimal) para convertirse en una estrella oscura. Este tamaño es tan pequeño comparado con el núcleo de un átomo como el núcleo comparado con, digamos, la taza original.

Para objetos celestes comunes (planetas, estrellas...), el radio gravitacional es siempre mucho más pequeño que su tamaño real. Por ejemplo, para convertir a la Tierra en una estrella oscura sería necesario comprimir toda su masa en una esfera de aproximadamente un centímetro de radio. En el caso del Sol, sería necesario concentrar su masa en una esfera con un radio de unos tres kilómetros.

Agujeros negros

Las estrellas oscuras se consideraron sólo como una curiosidad matemática que no correspondía a ningún objeto real, hasta que, a fi nes de 1915, Albert Einstein publicó la teoría general de la relatividad, una teoría moderna de la gravitación que reemplazó a la famosa gravitación universal de Newton (aunque esta última se sigue usando, por ejemplo, para mandar naves al espacio). Pocas semanas después de que Einstein postulara su teoría, Karl Schwarzschild la aplicó al campo gravitacional que produce un objeto es férico (por ejemplo, un planeta, una estrella, o una canica). Con el cálculo relativista de Schwarzschild se puede deducir una nueva fórmula para el radio gravitacional, pero ahora desde el punto de vista de la teoría de Einstein. Pues bien, resulta que la expresión matemática que se obtiene con la teoría de Einstein es exactamente igual a la que se obtiene con la de Newton.

Pero ahí termina el parecido entre ambas teorías. En la teoría de Newton, la luz que sale de la superfi cie de una estrella oscura subiría hasta cierta altura y luego volvería a caer, igual que una piedra. Pero en la teoría de Einstein la luz simplemente se queda atrapada en el radio gravitacional y no sale nunca. Esto tiene consecuencias sorprendentes. En la teoría de la relatividad la velocidad de la luz es la máxima posible en el Universo: nada puede viajar más rápido. Si la luz se queda atrapada en el radio gravitacional entonces la materia no sólo no puede salir, sino que tiene por fuerza que moverse hacia abajo, hacia el centro de la estrella oscura. Esto implica, por extraño que parezca, que la estrella oscura no puede tener una superfi cie material. En la vieja teoría de Newton, en cambio, nada impide que la estrella, por más comprimida que esté, tenga una superfi cie material.

En la teoría general de la relatividad el radio gravitacional marca la frontera de una región sin retorno: si te encuentras afuera, siempre puedes escapar con una nave lo suficientemente potente. Pero si estás adentro, escapar es imposible y caerás inevitablemente hacia el centro. Un objeto con estas propiedades no es ya la relativamente inofensiva estrella oscura de Michell y Laplace, sino una especie de agujero en el espacio, del que, una vez dentro, resulta imposible salir. En la década de los 60 el físico estadounidense John A. Wheeler llamó a estos extraños objetos agujeros negros.

Velocidad de escape

Estar en el campo gravitacional de un planeta es como estar en un pozo. Para salir necesitas hacer esfuerzo —brincar, trepar por una cuerda—, es decir, necesitas invertir energía. La energía que tienes que pagar para escapar de la superfi cie de un cuerpo esférico de radio R y masa M es la energía potencial gravitacional:

Ep= GMm
R

donde m es tu propia masa y G es la constante de gravitación universal. ¿Cómo pagas esa energía? Si quieres pagar de contado, lo mejor es hacerlo con energía de movimiento o cinética, es decir, adquiriendo cierta velocidad Ve hacia arriba. La energía cinética de un cuerpo con masa m y velocidad V e es:

Ec= mVe
2

Lo que necesitas para escapar del pozo gravitacional es adquirir una energía cinética inicial igual al costo en energía potencial, o sea

Ec = Ep
mVe
2=
GMm
R
donde Ve será la velocidad de escape. Despejando
V
e jando Ve = 2GM
R

Ve es la velocidad necesaria para escapar de un solo impulso de un planeta o de una estrella de masa M y radio R. Observa que la masa m del objeto que escapa no aparece en esta fórmula: la velocidad de escape es igual para una piedra, un ratón o un elefante.

Por ejemplo, para calcular la velocidad de escape de la Tierra solo hay que sustituir en esta fórmula los valores de la masa y el radio de nuestro planeta

M = 5.9 billones de billones de kilogramos
= 5.9 x 1024 kg

R = 6.4 millones de metros
= 6.4 x 106 m

G = 6.6 x 10-11 N x m2
kg2
Ve = 2 x 6.6 x 10-11 x 5.9 x 1024 kg
6.4 x 106

= 11 031 metros por segundo

= 11 kilómetros por segundo

Torciendo el tiempo y el espacio

Antes de seguir adelante me gustaría disipar un error conceptual muy común acerca de los agujeros negros: pese a lo que hemos visto en incontables películas, los agujeros negros no son de ninguna manera aspiradoras cósmicas que se tragan todo lo que se les acerca. Si en este momento el Sol se convirtiera en un agujero negro (es decir, si se comprimiera hasta alcanzar su radio gravitacional), no notaríamos ningún cambio (fuera de que nos daría mucho frío y estaría muy oscuro). La Tierra seguiría en su órbita tan campante, sin alterarse. Los agujeros negros sólo resultan peligrosos si uno se aproxima mucho, a distancias cercanas al radio gravi tacional. En el caso del Sol tendrías que acercarte a unos tres kilómetros, pero no a tres kilómetros de la superfi cie actual del Sol, sino a tres kilómetros del centro del Sol si toda su masa estuviera concentrada en un punto.

Un agujero negro es mucho más que un simple hueco en el espacio. En su interior las propiedades del espacio y del tiempo se alteran de maneras insólitas. La frontera del agujero negro está marcada por su radio gravitacional, también conocido como el horizonte de eventos.

Para entender lo que ocurre en el interior del agujero negro, imagínate que te acercas en una nave espacial y que un amigo te observa con un telescopio desde una distancia prudente.

A medida que te aproximas al horizonte de eventos tú no notarás nada especial, pero tu amigo verá que el tiempo en tu nave transcurre cada vez más lentamente. Si, por ejemplo, tu amigo pudiera verte por televisión, notaría que todo en la nave sucede como en cámara lenta. Este fenómeno se conoce como dilatación gravitacional del tiempo y ocurre de forma modesta en cualquier campo gravitacional.

La dilatación gravitacional del tiempo se ha medido incluso en la Tierra utilizando relojes atómicos, pero el efecto es imperceptible en la vida diaria porque el campo gravitacional terrestre es simplemente muy débil. Cerca de un agujero negro, sin embargo, el efecto es tan grande, que cuando llegas al horizonte de eventos tu amigo ve que el tiempo en tu nave se detiene por completo. Vistas las cosas desde lejos, tu nave se queda congelada para siempre en el umbral del agujero negro, sin entrar. Esta propiedad de los agujeros negros fue una de las primeras en descubrirse y llevó a los científicos de la primera mitad del siglo XX a llamar a estos objetos estrellas congeladas, pues pensaban que si el tiempo no transcurría visto desde fuera, no había nada más que discutir.

Pero como se supo después, la historia no termina ahí. Si bien es cierto que tu amigo, que se encuentra a una distancia conveniente del agujero negro, ve que el tiempo deja de transcurrir para ti al llegar al horizonte, desde tu punto de vista no ocurre así. De hecho, tú no notas nada especial al llegar al horizonte y lo cruzas como si nada. Una vez dentro, sin embargo, observarás (quizá con cierta preocupación que pronto se convertirá en terror) que no importa qué potencia apliques a los motores de la nave, no puedes evitar acercarte más y más al centro del agujero negro. Dentro del agujero negro la estructura del espacio y el tiempo se altera de una manera difícil de creer (y de imaginar): espacio y tiempo intercambian papeles, de modo que el transcurrir del tiempo resulta equivalente a moverse en el espacio. La única dirección posible en el interior de un agujero negro es hacia el centro. No hay fuerza en la naturaleza capaz de detener el paso del tiempo, y por lo mismo ninguna nave espacial, por más potente que sea, puede evitar caer al centro del agujero negro una vez que ha cruzado el horizonte de eventos.

Si entonces miraras hacia atrás, verías desarrollarse ante ti todo el futuro del Universo en cámara super rápida: el Sol se apaga, la vida en la Tierra desaparece y el Universo muere en un instante. Ya no puedes enviar ningún mensaje a tu amigo pues ya no hay amigo a quien enviarlo. Al cruzar el horizonte te desconectas por completo y para siempre del Universo exterior. Por eso la frontera del agujero negro se conoce como horizonte de eventos: ningún evento que ocurra en el interior, por más violento que sea, puede afectar al exterior.

Radio gravitacional

La velocidad de escape es función de la masa y el radio del cuerpo del que se quiere escapar. Dada una masa M y una velocidad V, podríamos calcular qué radio debe tener el cuerpo para que V sea su velocidad de escape. Despejando de la fórmula para la velocidad de escape

R= 2GM
V2

Un agujero negro es un objeto cuya velocidad
de escape es la velocidad de la luz, c (c = 300 000
km/s aprox.) El radio que debe tener un objeto
de masa M para ser un agujero negro (o sea su
radio gravitacional) es

Rg = 2GM
c2

Triste final del explorador de agujeros negros

Si el transcurrir del tiempo te lleva irremediablemente al centro, la siguiente pregunta que se te puede ocurrir es: ¿qué ocurre al llegar al centro? En el centro del agujero negro se encuentra lo que los científi cos llaman una singularidad, un punto del espacio-tiempo donde los campos gravitacionales se vuelven infi nitos y la física ya no es válida. Pero tú no llegarías a la singularidad con vida. Antes de llegar, las llamadas fuerzas de marea, que son la diferencia del campo gravitacional entre un punto y otro, te despedazarían al jalarte con mucho más fuerza los pies que la cabeza (véase recuadro). Tú y tu nave quedarían convertidos en un enjambre de partículas elementales, al partirse en pedazos que a su vez se parten en pedazos que se parten en pedazos… que finalmente chocarían con la singularidad.

Lo peligroso de acercarse a un agujero negro son las fuerzas de marea y la intensidad de éstas depende de la masa del agujero negro. Las fuerzas de marea son infi nitas al llegar a la singularidad en cualquier agujero negro, pero la distancia a la que se vuelven peligrosas puede variar enormemente de uno a otro. Para un agujero negro con masa igual a la del Sol, las fuerzas de marea en la región cercana al horizonte de eventos son gigantescas. Pero, contra lo que podría esperarse, los agujeros negros de masa mucho mayor —como los que existen, según se cree, en el centro de casi todas las galaxias (con masas millones de veces mayores que la del Sol)—, tienen horizontes de eventos donde las fuerzas de marea son muy pequeñas. Si cruzáramos el horizonte de uno de estos monstruos no notaríamos nada, y tardaríamos varios días en caer hasta el centro.

Lo demás es silencio

¿Y después de la singularidad qué? Pues después, nada. La singularidad marca la frontera donde terminan el espacio y el tiempo, o si se prefi ere, el punto donde y nada se puede decir de lo que ocurre una vez ahí.

Una de las propiedades más exóticas de la singularidad es que, debido a la mezcla entre espacio y tiempo que ocurre dentro del horizonte, la singularidad no es un punto en el espacio, sino más bien un instante en el tiempo. Una vez que hemos cruzado el horizonte de eventos del agujero negro, la singularidad no es un lugar adonde llegar, sino un tiempo en nuestro futuro: predeterminado e irremediable.

Túneles a otros universos

Las propiedades extrañas de los agujeros negros no se limitan a la existencia del horizonte de eventos, la mezcla entre espacio y tiempo y la inevitable caída a la singularidad. Ya desde la primera mitad del siglo XX se había descubierto que en el interior del agujero negro debe existir no sólo una singularidad de campos gravitacionales infinitos, sino también un túnel que llevaría, de haberlo, a otro universo. Este túnel se conoce en lenguaje científi co como puente de Einstein- Rosen en honor a Albert Einstein y Nathan Rosen, los científi cos que dedujeron su existencia por primera vez. En el lenguaje más popular también se le conoce como "agujero de gusano".

El agujero de gusano que se supone se encuentra en el interior de un agujero negro sería un puente entre dos universos exteriores distintos (el nuestro y algún otro, digamos), en cada uno de los cuales habría un agujero negro y un horizonte. Sin embargo, este túnel no se puede usar para viajar a otros posibles universos. El túnel aparece y desaparece sólo una vez, y lo hace tan rápido que incluso viajando a la velocidad de la luz (y no se puede ir más rápido) el túnel se cerraría antes de que pudieras atravesarlo. La singularidad del agujero negro puede entenderse también como el resultado del cerrarse del túnel: al derrumbarse éste sobre nosotros, nos veríamos de pronto atrapados en una región del espacio-tiempo que desaparece.

Es posible imaginarse agujeros de gusano que no se cierren y que nos permitan llegar a otros universos o a regiones lejanas de nuestro propio Universo en un abrir y cerrar de ojos, pero esa es una historia para otro momento.

Fuerzas de marea

Si alguna vez has ido a la playa habrás notado cómo el nivel del agua del mar a veces es más alto y otras veces más bajo. Normalmente decimos que hay "marea alta" o "marea baja", dependiendo del nivel al que se encuentre el agua. En algunos lugares del mundo el fenómeno de la marea es tan notorio, que el mar puede alejase de la playa decenas de metros durante la marea baja, dejando a los botes inclinados sobre el lodo del fondo (en la bahía de Fundy en Nueva Escocia, por ejemplo, el nivel del mar puede variar hasta 15 metros en seis horas).

¿A qué se deben las mareas? Durante siglos los navegantes conocieron e hicieron uso del ritmo de las mareas, sin saber qué las producía. Hasta donde sabemos, el primero en sugerir la explicación correcta fue Johannes Kepler a principios del siglo XVII, cuando las atribuyó a la infl uencia de la Luna sobre la Tierra. Sin embargo, el mismo Galileo Galilei no pudo aceptar dicha explicación y acusó a Kepler de interesarse en ideas oscurantistas e infantiles al pensar que la Luna tenía algo que ver en el asunto. Pero Kepler tenía razón. Las mareas se deben a la diferencia de fuerza con que la Luna atrae un lado de la Tierra y el lado opuesto. La fuerza de gravedad cambia con la distancia; el lado de la Tierra que está más cerca de la Luna siente una fuerza mayor que el lado más lejano. Esta diferencia en la atracción gravitacional de la Luna sobre la Tierra resulta en una fuerza deformante que tiende a dar a la Tierra forma de huevo alargado en la dirección que apunta a la Luna. La superfi cie terrestre es sólida, por lo que no se deja estirar gran cosa, pero el mar es un líquido, mucho mas fácil de deformar. El resultado es que las aguas se abultan en la punta y la base del huevo, por así decir. Al girar la Tierra sobre su eje una vez al día, la parte del mar que mira hacia la Luna cambia constantemente, dando como resultado que el nivel del agua suba y baje. La marea alta ocurre dos veces al día, pues el nivel del agua es más alto tanto en la parte del mar más cercana a la Luna como en la más lejana.

Por su relación con el fenómeno de las mareas, a las fuerzas que resultan de la diferencia en el campo gravitacional en distintos sitios del espacio se les conoce como "fuerzas de marea". En lugares donde el campo gravitacional es muy intenso, las fuerzas de marea también lo son. Cerca del centro de un agujero negro, por ejemplo, las fuerzas de marea son tan intensas que cualquier objeto físico sería estirado hasta despedazarse, convirtiéndose en un enjambre de partículas elementales.

Como ver lo invisible

Hasta ahora quizá estés pensando: todo esto de los agujeros negros me resulta muy interesante, pero fi nalmente, ¿existen estos objetos en el espacio? Las propiedades del espacio-tiempo en el interior de un agujero negro son tan extrañas, que todavía hoy en día hay quien trata de demostrar a toda costa que unos objetos tan absurdos no pueden existir. Su realidad, sin embargo, es inevitable si la teoría de la relatividad es correcta.

Aún así, es un hecho que hasta ahora no se ha detectado ningún agujero negro de manera directa. Las pruebas indirectas, por otro lado, se acumulan día a día. Cada vez se descubren más regiones del espacio donde se encuentra una enorme cantidad de materia (que se puede detectar por su infl uencia gravitacional sobre el movimiento de los cuerpos cercanos) concentrada en un volumen tan pequeño, que debe tener un radio menor que su radio gravitacional. La física de hoy no admite otra interpretación de estas regiones: tienen que ser agujeros negros. Por eso hoy en día se cree, por ejemplo, que hay agujeros negros gigantescos en el centro de casi todas las galaxias, incluyendo a la nuestra.

Sin embargo, tener pruebas indirectas de que existen los agujeros negros no es lo mismo que observarlos directamente. Pero, ¿cómo ver un objeto que, como su nombre indica, no emite ningún tipo de luz? Sorprendentemente, existe un método directo para detectar agujeros negros que podría dar fruto en un futuro cercano.

El método consiste en perturbar ligeramente un agujero negro para ver qué le sucede. Un agujero negro en perfecto reposo es esencialmente invisible, pero un agujero negro que ha sido perturbado (por ejemplo, al arrojarle una piedra), aunque no emite luz, sí emite radiación gra vitacional u ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son a la teoría de la gravedad lo que la luz y las ondas de radio son a la teoría electromagnética. Consisten en pequeñas variaciones del campo gravitacional que se propagan a la velocidad de la luz. Al perturbar a un agujero negro, su campo gravitacional empieza a oscilar. El agujero negro se pone a emitir ondas gravitacionales hasta alcanzar nuevamente el reposo. Es algo así como golpear una campana con un martillo y oírla vibrar hasta que se detiene. Al igual que la campana, el agujero negro tiene un "sonido" De modo que si logramos perturbar a un agujero negro y observamos las ondas gravitacionales que éste emite, podemos estar seguros de que se trata de un agujero negro y no otra cosa. Esto nos lleva a dos preguntas naturales: 1) ¿Cómo hacemos para perturbar a un agujero negro? Afortunadamente, la naturaleza lo hace por nosotros. Los agujeros negros rara vez estarán aislados. Al contrario, por lo general se encuentran cerca de estrellas u otras fuentes de masa y continuamente absorben materia. 2) ¿Cómo observamos las ondas gravitacionales? Pues construimos un detector de ondas gravitacionales, por supuesto. Las ondas gravitacionales comprimen los objetos al pasar a través de ellos, por lo que el detector debe ser capaz de medir cambios de longitud en esos objetos con alta precisión. Para nuestra desgracia, las ondas gravitacionales, según la teoría, son extremadamente débiles, y al llegar a la Tierra causarían cambios en las longitudes de apenas una parte en 1021 (un 1 colocado después de 20 ceros a la derecha del punto decimal), es decir, aproximadamente la diferencia entre el tamaño de un átomo de hidrógeno y la distancia de la Tierra al Sol. Medir cambios de longitud tan pequeños es un problema tecnológico muy complejo que ha impedido detectar las ondas gravitacionales hasta la fecha. Sin embargo, al parecer, los problemas técnicos han sido finalmente resueltos y hoy en día hay varios detectores de ondas gravitacionales en avanzado estado de construcción en distintos lugares del mundo. Si todo sale bien, en unos años estas máquinas estarán mirando el cielo de manera habitual en busca de ondas gravi tacionales y —crucemos los dedos— observando directamente por primera vez a los agujeros negros.

Miguel Alcubierre es físico, egresado de la Facultad de Ciencias de la UNAM. Obtuvo el doctorado en la Universidad de Gales, en Cardiff, Reino Unido, y durante varios años fue investigador adjunto del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, en Postdam, Alemania. Recientemente volvió a nuestro país para integrarse al Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM. Su área de trabajo es la relatividad numérica.

 
En ediciones anteriores
Slide 1

Medicina espacial*

Slide 2

El agente secreto de la evolución

Slide 3

Experimentos con animales, ¿mal necesario?

Facebook Twitter Google+ YouTube

suscripción Antología Nuestro canal en Youtube
promociones2 promociones1 promociones3
Evita el ciberbullying Nutilus
Subir