Qué son los agujeros negros y por qué son importantes más allá de las ondas gravitatorias

Glaciers melting in the dead of the night

and the superstars sucked into the super massive

Super massive black hole

Hasta la semana pasada, el término "agujero negro supermasivo" quizás tuviera más eco mediático por una canción de Muse que por otra cosa. Sin embargo, el anuncio de que el detector LIGO había encontrado, por fin, ondas gravitacionales, provenientes de la fusión de dos agujeros negros supermasivos, les ha vuelto dar una mayor popularidad, sobre todo a la hora de explicar qué son y por qué resultan tan importantes para la astronomía.

El término "agujero negro" fue popularizado por John Archibald Wheeler, en 1968, y hace referencia a regiones en el universo con una concentración de masa tan intensa, que genera un potente campo gravitatorio de cuya atracción ni siquiera la luz puede escapar. Ya se teorizó sobre ellos en el siglo XVIII, a través de estudios independientes de John Michell y Pierre-Simon Marqués de Laplace, pero sería en el XX cuando los físicos se plantearían realmente su existencia y, en ese caso, qué serían.

Qué es un agujero negro

La mejor manera de comprender qué es un agujero negro es ver cómo se forma uno de ellos, los de masa estelar. Tenemos que imaginar una estrella un poco más masiva que el Sol, en las últimas fases de su vida, cuya masa va colapsando hacia su núcleo. Llega un momento en el que la presión en él es demasiado intensa y la estrella explota en una supernova. Pero no desaparece. Queda un resto muy compacto, una enana blanca o una estrella de neutrones, y si el colapso gravitatorio continúa, acaba formándose un agujero negro.

Lo que es el agujero negro en sí no se puede observar (de ahí su nombre), pero sí es posible detectar el disco de acreción a su alrededor, formado por la materia atraída hacia el centro del agujero. Esa materia ya no tiene escapatoria una vez atraviesa el horizonte de sucesos, que es la zona alrededor del agujero en la que, para poder huir de su atracción, dicha materia necesitaría una velocidad de escape equivalente a la de la luz.

Hay varios tipos de agujeros negros. Si nos ceñimos sólo a su masa, podemos encontrar los estelares, que son los formados a partir del colapso de una estrella más masiva que el Sol, o los supermasivos, verdaderos monstruos que se encuentran en el centro de bastantes galaxias, y cuyo origen no está tan claro. Para hacernos una idea de sus tamaños, el que se encuentra en el corazón de la galaxia M87 tiene una masa unas 3.000 millones de veces superior a la solar y mide, aproximadamente, 18.000 kilómetros de diámetro.

Los agujeros negros representan uno de los mejores ejemplos de la teoría de la relatividad de Einstein, cuyas ecuaciones ya predecían su existencia. Todo cuerpo con masa y un campo gravitatorio curva el espacio-tiempo a su alrededor, así que imaginad la curvatura generada por uno de estos exóticos objetos. De hecho, así es cómo se han detectado algunos de ellos, por el efecto de lente gravitatoria que provocan en la luz de las galaxias lejanas; es decir, dicha luz se curva al pasar por sus proximidades en su camino hacia la Tierra.

¿Hay galaxias sin agujeros negros?

Los agujeros negros supermasivos son, probablemente, los más estudiados por los astrónomos por su especiales características. No sólo son verdaderos monstruos, con cientos de millones de masas solares, sino que juegan un papen fundamental en la evolucion de las galaxias, que son las estructuras más grandes que se formaron en el Universo temprano.

El telescopio espacial Hubble, por ejemplo, ha permitido descubrir que bastantes galaxias de grandes dimensiones, aunque no todas, albergan un agujero negro supermasivo en su centro. El de la Vía Láctea, por ejemplo, es Sagitario A*, tiene una masa equivalente a algo más de cuatro millones de masas solares y produce varios intensos fogonazos de rayos X al día, originados por la materia que cae en él. Y su actividad está muy ligada a la evolución de nuestra galaxia.

En general, las galaxias van creciendo a través de la formación de nuevas estrellas. Esto ocurre en regiones de gas frío y polvo, en las que tienen que darse determinadas condiciones para que ese gas vaya colapsando sobre sí mismo y formando el embrión de una protoestrella. Es probable que un agujero negro supermasivo muy activo, que eyecte bastante energía, caliente y barra hacia el exterior ese gas, impidiendo que nazcan nuevas estrellas y que la galaxia se rejuvenezca. Es algo que se ha estudiado en galaxias elípticas, pero que todavía se está observando.

El origen y la evolución de las galaxias es un importante aspecto de la cosmología porque da pistas sobre la propia evolución del Universo, y si los agujeros negros supermasivos en sus núcleos resultan decisivos en, por ejemplo, pausar la formación de nuevas estrellas, su estudio es relevante para comprender mejor nuestro Universo.

Agujeros negros y ondas gravitatorias

Estos objetos tremendamente masivos, y con un campo gravitatorio tremendamente intenso, tienen que ser, a la fuerza, una de las fuentes de emisión de las ondas gravitatorias predichas por Albert Einstein. La curvatura que causan en el tejido espacio-temporal es lo suficientemente pronunciada para que, si dos de ellos colisionan, generen unas ondas gravitatorias tan intensas, que puedan ser detectadas por observatorios como LIGO, en tierra, o la misión espacial que nazca de la demostración de tecnología de LISA Pathfinder.

Choques de este estilo pueden producirse en procesos de fusión galáctica, por ejemplo, en los que dos galaxias colisionan y se absorben, de tal modo que los agujeros negros en sus centros acaban fusionándose también. El hallazgo de LIGO, precisamente, es una prueba más directa de que estos objetos existen.

Hasta ahora, se sabía de su existencia por su influencia en su entorno; por los estallidos de rayos X generados por la materia que cae a ellos, por el efecto de lente gravitatoria qhe hemos comentado antes, por cómo distorsionan una estrella que forma con uno de ellos un sistema binario, y de la que el agujero está alimentándose. La detección de ondas gravitatorias permite detectar también a estos monstruos ocultos del Universo.

Imagen | ESA/V. Beckmann (NASA/GSFC)