Agujeros negros (I): guía para perplejos

La mayoría de nosotros guarda un vínculo casi emocional con algunos temas no necesariamente relacionados con aquellos a los que se dedica, ya sea el arqueólogo apasionado por la Segunda Guerra Mundial o el director de comedias románticas aficionado a las películas de zombies. Si por casualidad, la conversación deriva hacia ese tema, uno se puede permitir un poco de relax y la satisfacción de compartir una de sus pasiones. Y si se lo dejan en bandeja, como me ocurrió el otro día, mejor que mejor.

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Y a ti, Miguel, ¿qué clase de objetos es la que más te gusta del Cosmos?

- Los agujeros negros - contesto sin dudar.

Pues sí. En mi caso, si tuviera que decir cuál es el objeto astronómico que más me atrae, tanto para tener una buena conversación como para escribir ciencia ficción, me inclinaría por los agujeros negros, abismos insondables que devoran y retuercen, cual monstruos mitológicos, el telar del espacio y el tiempo a su alrededor. Monstruos a los que haremos una visita hoy.

- Pensaba que estudiabas nebulosas planetarias...

- Sí, y me encantan - me encojo de hombros- , pero los agujeros negros me despiertan una inquietud distinta, algo aquí dentro que...

- ¿Intriga? - dice, torciendo la sonrisa- ¿Desafían los límites de tu entendimiento?

- Bueno, algo así.

- Pues imagínate a mí, que prácticamente no sé ni lo que son...

Esta vez la pregunta implícita ni siquiera me incomoda.

- Un agujero negro es un objeto con suficiente masa, comprimida en una región lo bastante pequeña, como para que la velocidad necesaria para escapar de su atracción gravitatoria sea mayor que la de la luz...

Mi interlocutor frunce el ceño, aparentemente sin comprender.

- En otras palabras, un objeto tan masivo, a la vez que pequeño, del cuál ni siquiera la luz puede escapar. De ahí que sea negro, o sea, que no emita luz visible, ni radiación electromagnética alguna.

- Ah, ya lo entiendo... - y entorna los ojos, pensativo- . Algo así debe ser muy denso, ¿no?

- Bueno, no se trata de algo que puedas comparar con nada conocido. Imagino que has oído aquello de que la densidad de una enana blanca (la etapa final de la vida de una estrella de masa parecida a la del Sol como estrella central de una nebulosa planetaria, de la que ya hablamos en el primer artículo de esta guía para perplejos) es tal que una cucharilla de té de su materia pesaría tanto como un camión hormigonera lleno de cemento.

Mi amigo pone cara de asombro.

- Bien, pues dicha densidad no es nada; la Tierra se convertiría en un agujero negro si todo el planeta, con sus 6 cuatrillones de kilogramos, estuviera estrujado en una esfera del tamaño de una canica.

Ahora deja caer la mandíbula y mira al infinito, intentando imaginar semejante barbaridad.

- Íbamos a estar bastante apretados ahí dentro - comento con una sonrisa...

- Vaya... - dice al recuperar el habla- vete tú ahora a quejarte de los pisos de 30 metros cuadrados...

- Pues sí. Como ves, además de masivos, son relativamente pequeños. Un agujero negro normal y corriente, de unas 10 masas solares, está comprimido en una esfera de 30 kilómetros de radio.

- Algo tan pequeño y oscuro perdido en el espacio profundo... - y entonces se detiene, y una sonrisa burlona cruza su cara- . Un momento... ¿entonces cómo se los ha visto? Es más, ¿Cómo se sabe que existen? Porque si no emiten luz alguna, como dices, son invisibles, ¿no? Indetectables...

- Bueno, bueno, ¡dame un respiro! Vayamos por partes. Hay bastantes evidencias de que existen, ya que aunque invisibles directamente, no son indetectables, pues siguen atados a la fuerza gravitatoria - como recordará quien haya leído la anterior entrega de la guía para perplejos- , de manera que podemos detectarlos por las perturbaciones orbitales que causan en las estrellas cercanas. O por la manera en que curvan la luz de otros objetos del fondo, haciendo que rodee el agujero por varios caminos (la que no es absorbida por él, se entiende).

Hago una breve pausa durante la que me mira, asintiendo.

- Y también por su emisión en rayos X.

Su gesto de comprensión se rompe de repente.

- Pero... ¿en qué quedamos? ¿Emiten o no emiten?

- Perdona, ellos directamente no - digo levantando las manos- . Lo que ocurre es que en muchos casos los agujeros negros están "casados'' gravitatoriamente con estrellas bastante desgraciadas, formando un sistema binario muy especial en el que el campo de marea del agujero negro arranca materia de su estrella compañera, atrayéndola progresivamente hasta formar un disco giratorio alrededor de él. Hasta ahí, nada nos permitiría ver el agujero - asiente de nuevo- . Pero según el gas va cayendo y rotando, su fricción en el disco es tan intensa y la velocidad que alcanza, acelerada por el campo gravitatorio, tan grande, que en el proceso no se libera luz visible sino rayos X, muchísimo más energéticos. Y éstos, emitidos desde fuera del agujero negro, sí que pueden alejarse y llegar hasta nosotros.

- Ah...

- Y por otro lado, como también hay en juego campos magnéticos muy fuertes, parte del gas en el disco no llega a caer, sino que, a veces, una pequeña fracción es expelida a velocidades cercanas a la de la luz canalizada por el campo magnético. Son esos violentos procesos los que sí podemos observar desde telescopios en órbita sobre la Tierra. En resumen, esperamos que en las cercanías de un agujero negro pueda haber intensísimas fuentes de rayos X.

- Ah, eso es otra cosa...

- Y de manera similar, pero mediante la detección en ondas de radio e infrarrojo de gas muy caliente en el centro de la Vía Láctea, hemos hallado una masa de casi 4 millones de veces la del Sol encerrada en una región más pequeña que el Sistema Solar: un agujero negro supermasivo que reside en el centro mismo de nuestra galaxia.

- ¡Suena muy agresivo! Apuesto a que, de dónde quiera que vengan, los agujeros negros habrán nacido por un proceso violento...

- Puedes estar seguro: creemos que un agujero negro se forma tras la explosión de ciertas supernovas...

- Supernova... Eso era una peli con Marta Sánchez, ¿no?

- Sí, y también una de ciencia ficción que tenía tanto que ver con una supernova de verdad como la de Marta Sánchez. Pero eso no viene al caso. Una supernova es lo que ocurre al final de la vida de una estrella muy masiva. Verás, la estrellas se pasan el tiempo sintetizando en su núcleo elementos más pesados a partir de otros más ligeros; así es como consiguen la energía que liberan en forma de luz, y la presión de radiación que equilibra la gravedad de la propia estrella.

- ¿Presión... que equilibra? Será mejor que te expliques.

- Sí. La vida de una estrella es una lucha constante entre dos fuerzas...

- No me lo digas... ¿el bien y el mal? O mejor aún, ¡la luz y la oscuridad!

- Nos hemos levantado peliculeros hoy, ¿eh? Pues no. Una estrella pesa tanto que se hundiría sobre sí misma de no ser por la energía en forma de luz que produce, que ejerce una presión que...

- ¿Cómo? - me interrumpe alarmado- ¿Que la luz ejerce presión? ¿Quieres decir que empuja el gas con el que choca?

- Exactamente. Como esos molinillos con palas blancas por un lado y negras por el otro que giran como locos cuando los pones al sol. Si tuviéramos una "vela" lo suficientemente amplia incluso podríamos usarla para desplazarnos en el espacio como en una regata.

- Vale, vale, te creo. La energía generada por la estrella ejerce presión...

- Y esta presión - completo- tiende a hinchar la estrella como si fuera un globo, compensando la fuerza de gravedad. Así, habrá fases tardías en su vida en las que producirá más energía, por lo que se expandirá, tragándose algunos de sus posibles planetas, y otras de carestía en las que ocurrirá lo contrario.

- ¿Y qué tiene que ver eso con una supernova?

- Pues que, cuanto más masiva sea una estrella, más pesados serán los elementos que puede llegar a sintetizar y a disponer en capas, como si fuera una cebolla. Desde el exterior adentro: hidrógeno, helio, nitrógeno, carbono, oxígeno... etc. Pero eso, y aquí está el quid de la cuestión, tiene un límite: el hierro. Cuando una estrella de 10 masas solares ha ido transformando los elementos y se ve de repente con un núcleo de hierro recién sacado del horno, descubre con horror que no puede hacer nada con él, porque para sintetizar elementos más pesados se necesita energía en lugar de producirla.

- Oh, oh.

- Y entonces es demasiado tarde. La estrella deja de liberar energía, y la presión de radiación ya no puede hacer frente a la descomunal gravedad. En un desastre que dura escasos minutos, la estrella colapsa, hundiéndose a toda velocidad sobre sí misma, y al llegar al núcleo rebota, produciendo una explosión de proporciones mastodónticas, cuyo brillo supera al de una galaxia entera.

- Ríete tú de la estrella de la muerte...

- Y en su núcleo, si la estrella era lo suficientemente masiva, puede continuar el colapso, acabando en una estrella de neutrones, o seguir sin que nada pueda detenerlo, y producir un agujero negro.

- ¿Una estrella de neutrones?

- Sí. Si la estrella no es muy masiva, el colapso puede frenarse cuando todos los protones y los electrones de la estrella se combinan formando neutrones, cuya presión conjunta podría equilibrar la gravedad. Son objetos muy compactos, aún más que las enanas blancas, pero menos, claro, que los agujeros negros.

- Estrella de neutrones, agujero negro...- comenta mi amigo con sorna- . La verdad es que eso del colapso suena un poco... fantasioso.

- Pues eso mismo pensó Eddington: Chandrasekhar formuló la idea del colapso estelar en los años 30 y concluyó que era inevitable el colapso de una estrella muy masiva hasta una "singularidad", cuya descripción como una solución puramente matemática, en términos de Relatividad General, habían hecho Schwarzschild, Weyl y Droste. A Eddington le pareció que el Universo no podía ser un lugar tan aberrante que permitiera tal cosa, y su gran influencia hizo que a Chandrasekhar no se le tomara demasiado en serio.

- Típico...

- Puede; Eddington era un prestigioso científico. Pero lo cierto es que, a pesar de su resistencia, la Ciencia (como siempre) terminó poniendo las cosas en su sitio: una década más tarde Snyder y Oppenheimer revisaron la evolución estelar y llegaron al mismo resultado que Chandrasekhar. A partir de cierto límite de masa (que hoy lleva su nombre, por cierto), el colapso provocaría una "singularidad" (no se comenzaría a hablar de "agujeros negros" hasta finales de los 60).

- Aceptamos colapso, entonces - dice mostrando las palmas- . Ciertamente, qué objetos tan agresivos... Entre eso, y que absorben todo a su alrededor... ¿qué peligro, no?

Niego con la cabeza.

- Que la luz no pueda escapar de ellos no quiere decir que absorban a sus vecinos como si fueran una aspiradora gigante. Sus posibles estrellas compañeras seguirán orbitando a su alrededor como lo hacían antes del colapso. Piensa que en el centro de la Vía Láctea, nuestra galaxia, hay precisamente un agujero negro de proporciones gigantescas. Y aquí seguimos nosotros - añado como prueba irrefutable.

- Vale. Pero ahora que lo pienso... antes has dicho "un objeto tan masivo"... estamos hablando de masas enormes, parecidas a las del Sol - asiento despacio, sin anticiparme a su objeción- . Entonces, ¿qué ocurre con ese miedo de que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, Large Hadron Collider) pueda crear un agujero negro que se trague la Tierra? ¿De dónde se iba a sacar tanta masa como para crearlo? Porque imagino que será un temor infundado, ¿no?

- Uy, de eso habría bastante que hablar, pero por hoy ya hemos tenido suficiente, así que te voy a dejar con la duda hasta la semana que viene. No me mires así: entonces, si quieres, podemos discutirlo, y hablar de algunas otras cosas muy interesantes sobre los agujeros negros, como los efectos cuánticos en sus proximidades, e incluso hacer una excursión imaginaria alrededor de alguno.

- Bueno, si no hay más remedio... ¡pero confío en que la espera merezca la pena!

(Continuará)