En las enmarañadas cámaras de los agujeros negros, chocan dos teorías fundamentales sobre nuestro mundo. ¿Existen realmente los agujeros negros? Parece que sí. ¿Pueden resolverse los problemas fundamentales que surgen tras una inspección más cercana de los agujeros negros? Desconocido. Para comprender a qué se enfrentan los científicos, tendrá que sumergirse un poco en la historia del estudio de estos objetos inusuales. Y comenzaremos con el hecho de que de todas las fuerzas que existen en la física, hay una que no entendemos en absoluto: la gravedad.
La gravedad es la intersección de la física fundamental y la astronomía, la frontera en la que chocan dos de las teorías más fundamentales que describen nuestro mundo: la teoría cuántica y la teoría del espacio-tiempo y la gravedad de Einstein, también conocida como relatividad general.
Agujeros negros y gravedad
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Estas dos teorías parecen incompatibles. Y eso ni siquiera es un problema. Existen en mundos diferentes, la mecánica cuántica describe muy pequeños y la relatividad general describe muy grandes.
Es solo cuando se llega a escalas extremadamente pequeñas y una gravedad extrema que las dos teorías chocan y de alguna manera una de ellas resulta estar equivocada. En cualquier caso, se desprende de la teoría.
Pero hay un lugar en el universo donde podríamos presenciar este problema, y tal vez incluso resolverlo: el borde de un agujero negro. Aquí es donde nos encontramos con la gravedad más extrema. Pero hay un problema: nadie ha "visto" un agujero negro.
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¿Qué es un agujero negro?
Imagínese que todo el drama del mundo físico se desarrolla en el teatro del espacio-tiempo, pero la gravedad es la única fuerza que realmente cambia el teatro en el que se representa.
La fuerza de la gravedad controla el universo, pero puede que ni siquiera sea una fuerza en el sentido tradicional. Einstein lo describió como consecuencia de la deformación del espacio-tiempo. Y tal vez simplemente no encaja en el modelo estándar de física de partículas.
Cuando una estrella muy grande explota al final de su vida, su parte más interna colapsa por su propia gravedad, ya que ya no hay suficiente combustible para mantener la presión contra la gravedad. Después de todo, la gravedad todavía es capaz de ejercer fuerza, parece así.
La materia colapsa y ninguna fuerza de la naturaleza puede salir de este colapso.
Durante un tiempo infinito, una estrella colapsa en un punto infinitesimal: una singularidad, o llamémosle un agujero negro. Pero en un tiempo finito, por supuesto, el núcleo estelar colapsará en algo de dimensiones finitas y aún tendrá una masa enorme en un área infinitamente pequeña. Y también se le llamará agujero negro.
Los agujeros negros no chupan todo a su alrededor
Sorprendentemente, la idea de que un agujero negro inevitablemente absorberá todo en sí mismo es incorrecta.
De hecho, ya sea que esté orbitando una estrella o un agujero negro formado a partir de una estrella, no importa siempre que la masa siga siendo la misma. La buena fuerza centrífuga a la antigua y su momento angular lo mantendrán a salvo y evitarán que se caiga.
Solo cuando acciona los frenos de cohete para interrumpir el giro, comienza a caer hacia adentro.
Sin embargo, tan pronto como empiece a caer en los agujeros negros, acelerará gradualmente a velocidades cada vez más altas hasta que finalmente alcance la velocidad de la luz.
¿Por qué la teoría cuántica y la relatividad general son incompatibles?
De momento, todo se está desmoronando, ya que de acuerdo con la relatividad general, nada puede moverse más rápido que la velocidad de la luz.
La luz es un sustrato utilizado en el mundo cuántico para intercambiar fuerzas y transportar información al macrocosmos. La luz determina la rapidez con la que puede conectar causa y efecto. Si te mueves más rápido que la luz, puedes ver los eventos y cambiar las cosas antes de que sucedan. Y esto tiene dos consecuencias:
- En el punto en el que alcanzas la velocidad de la luz al caer hacia adentro, también necesitas volar fuera de ese punto a una velocidad aún mayor, lo que parece imposible. Por lo tanto, la sabiduría física convencional le dirá que nada puede salir de un agujero negro rompiendo esta barrera, que también llamamos el "horizonte de eventos".
- También se sigue de esto que los principios básicos de conservación de la información cuántica se violan repentinamente.
Si esto es cierto y cómo podemos modificar la teoría de la gravedad (o la física cuántica) son preguntas a las que muchos físicos buscan respuestas. Y ninguno de nosotros puede decir con qué argumentos terminaremos.
¿Existen los agujeros negros?
Obviamente, toda esta emoción estaría justificada solo si los agujeros negros realmente existieran en este universo. Entonces, ¿existen?
En el siglo pasado, se ha demostrado de manera concluyente que algunas estrellas binarias con rayos X intensos son en realidad estrellas que se han colapsado en agujeros negros.
Además, en los centros de las galaxias, a menudo encontramos evidencia de concentraciones enormes de masa oscura. Estas podrían ser versiones supermasivas de agujeros negros, probablemente formados por la fusión de muchas estrellas y nubes de gas que se hundieron en el centro de la galaxia.
La evidencia es contundente pero circunstancial. Las ondas gravitacionales nos permitieron al menos "escuchar" la fusión de los agujeros negros, pero la firma del horizonte de sucesos aún es esquiva y nunca hemos "visto" agujeros negros hasta ahora; simplemente son demasiado pequeños, demasiado distantes y, en la mayoría de los casos, demasiado negros.
¿Qué aspecto tiene un agujero negro?
Si miras directamente a un agujero negro, verás la oscuridad más oscura imaginable.
Pero el entorno inmediato del agujero negro puede ser lo suficientemente brillante a medida que los gases se mueven en espiral hacia adentro, disminuyendo su velocidad debido a la resistencia de los campos magnéticos que transportan.
Debido a la fricción magnética, el gas se calienta a temperaturas enormes de varias decenas de miles de millones de grados y comienza a emitir rayos X y ultravioleta.
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Los electrones ultra calientes que interactúan con el campo magnético en el gas comienzan a producir una intensa emisión de radio. Por lo tanto, los agujeros negros pueden brillar y pueden estar rodeados por un anillo de fuego que se emite en diferentes longitudes de onda.
Anillo de fuego con un centro negro-negro
Y sin embargo, justo en el medio, el horizonte de sucesos atrapa, como un ave de presa, cada fotón que se acerca demasiado.
Dado que el espacio está curvado por la enorme masa del agujero negro, los caminos de la luz también se curvan e incluso forman círculos casi concéntricos alrededor del agujero negro, como serpentinas alrededor de un valle profundo. Este efecto de anillo de luz fue calculado ya en 1916 por el famoso matemático David Hilbert, pocos meses después de que Albert Einstein completara su teoría general de la relatividad.
Después de atravesar el agujero negro varias veces, algunos de los rayos de luz pueden escapar, mientras que otros terminarán en el horizonte de eventos. En este intrincado camino de luz, literalmente puedes mirar dentro de un agujero negro. Y la "nada" que aparece a tu mirada será el horizonte de eventos.
Si tomara una fotografía de un agujero negro, vería una sombra negra rodeada por una brillante neblina de luz. Llamamos a esta característica la sombra del agujero negro.
Sorprendentemente, esta sombra parece ser más grande de lo que cabría esperar si tomamos el diámetro del horizonte de eventos como su origen. La razón es que el agujero negro actúa como una lente gigante, amplificándose a sí mismo.
El entorno de sombra estará representado por un pequeño "anillo de fotones" debido a la luz que gira alrededor del agujero negro casi siempre. Además, verá más anillos de luz que aparecen cerca del horizonte de eventos, pero se concentran alrededor de la sombra del agujero negro debido al efecto de lente.
¿Fantasía o realidad?
¿Podría un agujero negro ser un invento real que solo se puede modelar en una computadora? ¿O puedes verlo en la práctica? Respuesta: es posible.
Hay dos agujeros negros supermasivos relativamente cercanos en el universo que son tan grandes y cercanos que sus sombras pueden capturarse utilizando tecnología moderna.
En el centro de nuestra Vía Láctea, hay agujeros negros a 26.000 años luz de distancia con una masa 4 millones de veces la masa del Sol y un agujero negro en la galaxia elíptica gigante M87 (Messier 87) con una masa de 3-6 mil millones de masas solares.
M87 está mil veces más lejos, pero mil veces más masivo y mil veces más grande, por lo que ambos objetos tendrán aproximadamente el mismo diámetro de una sombra proyectada en el cielo.
Ver un grano de mostaza en Nueva York desde Europa
Casualmente, las teorías de radiación simples predicen que para ambos objetos, la radiación generada cerca del horizonte de eventos se emitirá en frecuencias de radio de 230 Hz y superiores.
La mayoría de nosotros solo encontramos estas frecuencias cuando tenemos que pasar por un escáner en un aeropuerto moderno. Los agujeros negros nadan constantemente en ellos.
Esta radiación tiene una longitud de onda muy corta, del orden de un milímetro, que el agua absorbe fácilmente. Para que un telescopio pueda observar ondas milimétricas cósmicas, debe colocarse en lo alto de una montaña seca para evitar absorber radiación en la troposfera de la Tierra.
Básicamente, necesitamos un telescopio milimétrico que pueda ver un objeto del tamaño de una semilla de mostaza en Nueva York desde algún lugar de los Países Bajos. Este telescopio será mil veces más nítido que el telescopio espacial Hubble, y en longitudes de onda milimétricas, el tamaño de tal telescopio será el Océano Atlántico o más grande.
Un telescopio virtual del tamaño de la Tierra
Afortunadamente, no necesitamos cubrir la Tierra con una sola antena parabólica, porque podemos construir un telescopio virtual con la misma resolución, combinando datos de telescopios en diferentes montañas alrededor de la Tierra.
Esta técnica se denomina síntesis de apertura e interferometría básica muy larga (VLBI). La idea es bastante antigua y está probada durante varias décadas, pero solo ahora es posible aplicarla a altas frecuencias de radio.
Los primeros experimentos exitosos demostraron que las estructuras del horizonte de sucesos pueden investigarse a tales frecuencias. Ahora hay todo lo que necesita para llevar a cabo un experimento de este tipo a gran escala.
El trabajo ya está en marcha
El Proyecto BlackHoleCam es un proyecto europeo para la máxima imagen, medición y comprensión de los agujeros negros astrofísicos. El proyecto europeo es parte de una colaboración global: el consorcio Event Horizon Telescope, que incluye a más de 200 científicos de Europa, América, Asia y África. Juntos quieren tomar la primera fotografía de un agujero negro.
En abril de 2017, observaron el centro galáctico y M87 con ocho telescopios en seis montañas diferentes en España, Arizona, Hawai, México, Chile y el Polo Sur.
Todos los telescopios estaban equipados con relojes atómicos precisos para sincronizar con precisión sus datos. Los científicos registraron varios petabytes de datos sin procesar, gracias a las sorprendentemente buenas condiciones climáticas en todo el mundo en ese momento.
Foto de un agujero negro
Si los científicos logran ver el horizonte de eventos, sabrán que los problemas que surgen en la unión de la teoría cuántica y la relatividad general no son abstractos, sino muy reales. Quizás ahí sea cuando se puedan resolver.
Esto se puede hacer obteniendo imágenes más claras de las sombras de los agujeros negros, o rastreando estrellas y púlsares en su camino alrededor de los agujeros negros, utilizando todos los métodos disponibles para estudiar estos objetos.
Quizás sean los agujeros negros los que se convertirán en nuestros exóticos laboratorios en el futuro.
Ilya Khel
