Por David Maya

Voraz e invisible, oculto en lo más profundo del espacio, camina sigilosamente por el tejido espacio-temporal devorando todo a su paso, detectable sólo hasta que ya es demasiado tarde y ha comenzado a engullir todo a su paso, inclusive la increíble velocidad de la luz cae ante ellos, los agujeros negros son los objetos más monstruosos en el universo.

Desde hace décadas, la teoría de la relatividad general ya predecía la existencia de estos monstruos, puntos en el espacio en donde la gravedad es tan grande que nada puede escapar a la atracción de su campo gravitatorio. En el pasado se les llamaba “estrellas congeladas”, sin embargo en 1967 John Wheeler acuñó el nombre de agujeros negros, debido a que son puntos del espacio que al no emitir luz, se ven como un punto negro en el espacio1.

Un agujero negro en síntesis es un punto en el espacio en el cual la gravedad ha vencido a una estrella y se ha concentrado una masa de miles o incluso millones de veces más grande que la del Sol. Su campo gravitatorio es tan grande que ni siquiera la velocidad de la luz es suficiente para escapar de su atracción gravitatoria.

Una vez que la estrella ha consumido todo su combustible (véase “Caldera cósmica) convirtiendo el hidrógeno en Helio y luego éste en otros elementos más pesados, la gravedad de la estrella comienza a empujar sobre sí misma de nuevo. Al no tener ya combustible que quemar para contrarrestar la compresión de la gravedad, ésta cae sobre su propio peso y comienza a acumular mucha materia en un espacio muy pequeño, lo que provoca que se convierta en una estrella de neutrones. Si esto no es suficiente para detener la gravedad de la masa de la estrella, ésta seguirá colapsando hasta deformar de manera extraordinaria el espacio-tiempo convirtiéndose en un agujero negro.

Un agujero negro es tan grande, que ni la luz puede escapar de su campo gravitatorio, es por ello que no se pueden detectar, ya que no emiten radiación electromagnética en ninguna frecuencia. Ningún instrumento puede detectar un agujero negro, sin embargo sí podemos saber de él por los efectos sobre su entorno.

Una vez que un objeto cae en el agujero negro, su atracción gravitatoria provoca su aceleración en una órbita elíptica, lo que genera un disco de aceleración en el que la materia adquiere una gran velocidad hasta llegar al horizonte de sucesos. En ese punto, antes de caer en él, su temperatura permite que eyecte chorros de partículas en frecuencias de rayos X. El horizonte de sucesos es el sitio del agujero negro en el que ya no se puede escapar a la gravedad del agujero negro y todo lo que pase este punto caerá irremediablemente hasta el fondo del agujero.

De este modo la materia que va acercándose hasta el vórtice emite radiación de rayos X que es detectable por telescopios como el Chandra de rayos X2. Con instrumentos como éste podemos observar partes o fases dentro de un agujero negro.

El físico Stephen Hawking, uno de los pioneros más destacados en materia de agujeros negros, realizó uno de los trabajos más importantes sobre la emisión de radiación por los agujeros negros. Este trabajo surgió a partir de estudios realizados por el físico Jacob Bekenstein3, que menciona que el horizonte de sucesos era una medida de la entropía4 del agujero negro en sí. Derivado de este pensamiento, Stephen Hawking comenzó a realizar un trabajo sobre la radiación que había sido predicha por los rusos Yakov Zeldovich y Alexander Starobinsky, los cuales apuntaban al principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, el cual apuntaba a que un agujero negro en rotación debería de emitir partículas.

Profundizando en su trabajo, Hawking se dio cuenta de que todo apuntaba a que sus cálculos eran correctos debido a que la velocidad de emisión de partículas cumplía los requerimientos para no incumplir la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, es muy cuestionable pensar, ¿por qué un objeto que por definición no permite que nada escape de su atracción gravitatoria, emite partículas que pueden generan un brillo detectable? Esto se debe a una teoría cuántica que predice la creación de pares de partículas en el vacío, fuera del horizonte de sucesos. Por la ley de la conservación de la energía no se puede crear energía de la nada, sin embargo estos pares de partículas son creados espontáneamente, lo que hace que estas partículas se busquen mutuamente para ser aniquiladas un brevísimo instante después de su creación. Sin embargo al ocurrir esto cerca del horizonte de sucesos, es posible que una de las partículas caiga por atracción gravitatoria dentro del agujero y la otra al no tener a su compañera no se aniquile y viaje a través del espacio-tiempo. Gracias a este trabajo y a sus posteriores estudios, se le dio el nombre de Radiación de Hawking a este tipo de emisión de partículas.

Una Caldera Cósmica.

La formación de las estrellas implica dos factores importantes que necesitan encontrar el equilibrio para permitir que una estrella comience a brillar. En primera existe un gas que se acumula debido a la acción de la gravedad; si se tiene la suficiente masa, ésta comienza a aglutinar los elementos en el centro de lo que es la proto-estrella. El principal elemento del universo es el hidrógeno, que también es el elemento más simple de la tabla periódica con un núcleo compuesto por un protón y un neutrón. Así mismo existen isótopos de hidrógeno que consisten en el mismo átomo de hidrógeno, sólo que el número de neutrones en el núcleo aumenta, teniendo deuterio y tritio.

Una vez que la gravedad comienza a ganar terreno aglutinando masa en un punto, esta comprime los átomos hasta vencer la fuerza que los mantiene separados y con una temperatura de millones de grados comienza a convertir los átomos de hidrógeno (tritio y deuterio) en helio, lo que además de un átomo más pesado genera una cantidad considerable de energía que permite evitar que la gravedad haga que la estrella colapse sobre su propio peso y es entonces cuando comienza a brillar.

La proto-estrella se convierte en una estrella que vivirá mientras tenga material qué fusionar. Después de la fusión del hidrógeno, la estrella comienza a fusionar los átomos de helio para formar carbono y oxígeno, y posteriormente empieza a fusionar estos elementos hasta obtener el más pesado y estable de los elementos, el hierro. Durante este ciclo de fusión y creación de elementos, la estrella sufre cambios en cuanto a su temperatura, tamaño y brillo, siendo en el inicio el periodo más brillante y caliente de la estrella hasta convertirse en un cuerpo frío o un agujero negro.

1. 50 Cosas que hay que saber sobre el Universo – Joanne Baker.

2. Recurso Multimedia: http://chandra.harvard.edu/learn_bh.html

3. Historia del Tiempo. Stephen Hawking.

4. Medida del grado de desorden de un sistema.