¿Qué sabemos realmente de los agujeros negros? Los misterios que la ciencia ya logró descifrar

Son algunos de los objetos más extremos del universo: concentran enormes cantidades de masa en regiones extraordinariamente pequeñas y generan una fuerza gravitatoria tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Durante mucho tiempo, los agujeros negros fueron considerados una posibilidad matemática; hoy, su existencia cuenta con evidencias observacionales y mediciones científicas.

Pero ¿qué son exactamente?, ¿cómo se forman?, ¿por qué no podemos verlos directamente y qué ocurriría si algo cayera en uno?

Un agujero negro no es un agujero vacío en el espacio, sino una concentración de materia cuya gravedad deforma profundamente el espacio-tiempo. Su característica más conocida es el horizonte de sucesos, una frontera a partir de la cual nada puede regresar al exterior, ni siquiera la luz.

Esto no significa que todo lo que se encuentre cerca sea absorbido inevitablemente. A una distancia suficiente, la gravedad de un agujero negro se comporta como la de cualquier otro objeto con la misma masa. Si el Sol fuera sustituido por un agujero negro de idéntica masa, por ejemplo, los planetas conservarían sus órbitas, aunque la Tierra dejaría de recibir su luz y calor.

De una posibilidad matemática a una realidad científica

La idea de que pudieran existir cuerpos tan densos que la luz no consiguiera escapar de ellos tiene antecedentes en el siglo XVIII. En 1783, el científico británico John Michell planteó la posibilidad de las llamadas estrellas oscuras. Años después, Pierre-Simon Laplace desarrolló una propuesta semejante.

Sin embargo, el concepto moderno de agujero negro surgió con la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, publicada en 1915. Un año después, el físico alemán Karl Schwarzschild encontró una solución matemática a las ecuaciones de Einstein que describía el campo gravitatorio de un objeto esférico y permitió avanzar en la comprensión de estos cuerpos.

Durante décadas, los científicos debatieron si aquellos resultados matemáticos podían representar objetos reales en el universo. En 1965, el físico Roger Penrose demostró que la formación de agujeros negros era una consecuencia robusta de la relatividad general bajo determinadas condiciones de colapso gravitacional.

El término agujero negro se popularizó posteriormente, durante la década de 1960, y terminó incorporándose al lenguaje científico y cotidiano.

El reconocimiento de estos avances llegó también con el Premio Nobel de Física de 2020. La mitad del galardón fue para Penrose por demostrar que la formación de agujeros negros es una predicción sólida de la relatividad general; la otra mitad fue compartida por Reinhard Genzel y Andrea Ghez, quienes aportaron pruebas de la existencia de un objeto supermasivo en el centro de nuestra galaxia.

¿Cómo se forman los agujeros negros?

Uno de los mecanismos mejor conocidos ocurre al final de la vida de una estrella muy masiva. Durante millones de años, las estrellas mantienen un equilibrio entre la gravedad, que intenta comprimirlas, y la energía generada por las reacciones nucleares en su interior.

Cuando una estrella suficientemente masiva agota su combustible, pierde ese equilibrio. Su núcleo puede colapsar bajo su propia gravedad y, si reúne las condiciones necesarias, formar un agujero negro. En algunos casos, el proceso está acompañado por una explosión de supernova que expulsa las capas externas de la estrella.

También pueden crecer mediante la acumulación de gas, polvo y otros materiales, así como por la fusión con otros agujeros negros.

Los científicos distinguen varias categorías:

• Agujeros negros de masa estelar: se forman a partir del colapso de estrellas masivas y suelen tener varias veces la masa del Sol
• Agujeros negros supermasivos: concentran millones o miles de millones de masas solares y se encuentran en el centro de la mayoría de las grandes galaxias
• Agujeros negros de masa intermedia: ocuparían una categoría entre los anteriores. Se han identificado candidatos, aunque su detección y confirmación siguen siendo un desafío para la astronomía

También existen hipótesis sobre los llamados agujeros negros primordiales, que podrían haberse formado durante los primeros instantes del universo. Sin embargo, hasta ahora no existe una prueba definitiva de que esta clase haya existido.

¿Cómo pueden estudiarlos los científicos si no emiten luz?

Si la luz no puede escapar del interior del horizonte de sucesos, ¿cómo sabemos que los agujeros negros están ahí?

La respuesta está en observar lo que ocurre a su alrededor. Los astrónomos estudian los movimientos de estrellas, el comportamiento del gas y la radiación producida por la materia que se aproxima a estos objetos.

Cuando el gas y el polvo caen hacia un agujero negro, pueden formar un disco de acreción: una estructura de material que gira a gran velocidad y alcanza temperaturas extremadamente elevadas. Las colisiones y la fricción calientan ese material, que puede emitir rayos X y otras formas de radiación detectables por los telescopios.

Otra evidencia proviene de las estrellas que orbitan alrededor de objetos invisibles. Al medir sus trayectorias y velocidades, los investigadores pueden calcular la masa y concentración del cuerpo que ejerce la atracción gravitatoria.

Además, los agujeros negros pueden producir ondas gravitacionales, pequeñas perturbaciones del espacio-tiempo generadas por movimientos de objetos extremadamente masivos, como la colisión de dos de ellos.

Las imágenes que cambiaron nuestra comprensión del universo

Uno de los grandes avances ocurrió el 10 de abril de 2019, cuando la colaboración internacional del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT, por sus siglas en inglés) presentó la primera imagen de la región que rodea un agujero negro: el situado en el centro de la galaxia M87, a unos 55 millones de años luz de la Tierra.

La imagen mostró un anillo luminoso alrededor de una región oscura. Ese brillo procede del gas caliente que gira cerca del agujero negro, mientras que la zona central representa su sombra, proyectada por la intensa gravedad sobre la luz del entorno.

El objeto tiene una masa estimada de aproximadamente 6 mil 500 millones de veces la del Sol. Para obtener la imagen, los investigadores conectaron radiotelescopios distribuidos por distintos puntos del planeta, creando un instrumento virtual con una capacidad de observación comparable a la de un telescopio del tamaño de la Tierra.

Tres años después, en mayo de 2022, la misma colaboración presentó la primera imagen de Sagitario A, el agujero negro supermasivo situado en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.

Este objeto tiene alrededor de cuatro millones de veces la masa del Sol y se encuentra a unos 26 mil años luz de la Tierra. Su imagen fue otro paso importante porque permitió observar directamente la región que rodea al objeto cuya presencia ya había sido demostrada mediante el seguimiento de las estrellas que orbitan cerca del centro galáctico.

Las ondas gravitacionales: escuchar las colisiones cósmicas

En septiembre de 2015, los detectores del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) registraron por primera vez ondas gravitacionales procedentes de la fusión de dos agujeros negros. El hallazgo fue anunciado en febrero de 2016 y confirmó una predicción fundamental de la teoría de Einstein.

El acontecimiento, identificado como GW150914, ocurrió hace aproximadamente mil 300 millones de años. Dos agujeros negros giraron uno alrededor del otro hasta fusionarse y formar un objeto más masivo, liberando parte de su energía en forma de ondas gravitacionales.

Este descubrimiento abrió una nueva manera de estudiar el universo: además de observar la radiación electromagnética, los científicos pueden detectar las perturbaciones del espacio-tiempo provocadas por fenómenos cósmicos extremos.

Desde entonces, LIGO y otros observatorios han registrado numerosas señales de fusiones de agujeros negros, lo que ha permitido investigar sus masas, velocidades y características.

¿Qué pasaría si una persona cayera en un agujero negro?

La respuesta depende, entre otras cosas, del tamaño del agujero negro y de la distancia a la que se encuentre el objeto que cae.

En uno de masa estelar, las diferencias de gravedad entre distintas partes del cuerpo podrían estirarlo y comprimirlo hasta producir un fenómeno conocido como espaguetización. En términos sencillos, la fuerza gravitatoria sería mucho mayor en la parte más cercana al agujero negro que en la más alejada, provocando un estiramiento extremo.

En uno supermasivo, las fuerzas de marea en el horizonte de sucesos podrían ser menos intensas, por lo que una persona podría cruzar esa frontera sin experimentar necesariamente un cambio inmediato. Sin embargo, una vez dentro, no podría regresar ni enviar información al exterior.

Los científicos pueden describir algunos aspectos de este proceso mediante la relatividad general, pero no cuentan con observaciones directas del interior de un agujero negro.

Lo que todavía no sabemos

Pese a los avances, los agujeros negros siguen planteando algunos de los problemas más importantes de la física moderna.

Uno de ellos es la singularidad, concepto que aparece en las ecuaciones de la relatividad general para describir una región donde la curvatura del espacio-tiempo se vuelve extrema y las teorías actuales dejan de ofrecer una explicación completa. Los científicos no saben con certeza qué ocurre en esa región ni cómo debe describirse físicamente.

Otro enigma es la llamada radiación de Hawking, propuesta por el físico Stephen Hawking en la década de 1970. Según esta predicción, los efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos permitirían que los agujeros negros emitieran una cantidad muy pequeña de radiación y perdieran energía lentamente hasta, en principio, evaporarse.

La radiación de Hawking todavía no ha sido detectada directamente en agujeros negros astrofísicos. Su estudio es importante porque conecta dos grandes teorías de la física: la relatividad general, que explica la gravedad, y la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de la materia y la energía a escalas microscópicas.

También permanece abierta la pregunta sobre qué sucede con la información de la materia que cae en un agujero negro, un problema conocido como la paradoja de la información.

Los agujeros negros ya no son solamente una predicción matemática ni un misterio imposible de observar. Las imágenes, las mediciones de estrellas y las ondas gravitacionales han permitido confirmar su existencia y estudiar sus propiedades. Sin embargo, comprender qué sucede en su interior y cómo se comportan cuando intervienen los efectos cuánticos sigue siendo uno de los grandes desafíos científicos del siglo XXI.