Agujeros Negros: Misterios Cósmicos y las Preguntas más Profundas del Universo

Uno de los fenómenos más asombrosos de nuestro universo es el agujero negro. Hasta hace pocos años, ni siquiera estábamos seguros de su existencia. Sin embargo, gracias al incansable esfuerzo de astrónomos, físicos y científicos, hemos descubierto que no solo son reales, sino que están mucho más extendidos de lo que inicialmente pensábamos.

A pesar de haber recopilado pruebas definitivas de su existencia, no hemos avanzado mucho en comprender cómo se forman o cuál es su causa y efecto en nuestra Vía Láctea. No obstante, en medio de todos los enigmas que los investigadores intentan descifrar, algunas preguntas sobresalen. Responder cualquiera de estas 13 interrogantes no solo nos daría una mejor comprensión de los agujeros negros, sino también de cómo funciona nuestro universo. A continuación, exploraremos las teorías más recientes para cada pregunta y por qué son tan difíciles de resolver. ¡Así que prepara tu telescopio, ponte tu peluca favorita de Einstein o tu corbatín de Nye, y sumerjámonos!

¿Qué es un agujero negro?

Puede parecer una pregunta sencilla, pero aún no estamos completamente seguros de la composición de un agujero negro o de cuáles son sus funciones principales. Algunos teóricos incluso sugieren que nuestro universo podría estar dentro de un agujero negro. Actualmente, la teoría más aceptada es que son una acumulación de materia tan densa que su gravedad puede afectar a todos los objetos celestes cercanos. El desafío reside en que solo podemos observarlos desde una gran distancia, lo que limita nuestros métodos de recopilación de datos y pruebas a meras conjeturas.

Esto añade una capa adicional de frustración: si no entendemos qué son, ¿cómo podemos resolver cualquier problema relacionado con ellos? Afortunadamente, en abril de 2024, un artículo de investigación publicado en Physical Review D nos brindó una nueva y emocionante hipótesis. Uno de los coautores, João Luís Rosa, explicó a Live Science que la investigación de su equipo sugiere que los agujeros negros posiblemente no son una categoría propia, sino que podrían ser un tipo de gravastar. Rosa detalla: “Las gravastars son objetos astronómicos hipotéticos que se introdujeron [en 2001] como alternativas a los agujeros negros… [y] pueden interpretarse como estrellas hechas de energía de vacío o energía oscura: el mismo tipo de energía que impulsa la expansión acelerada del universo.”

¿Cuál es el agujero negro más cercano a la Tierra?

Podríamos asumir que, dado que no hemos observado ningún agujero negro en las cercanías de nuestro sistema solar, la Tierra se encuentra en una zona segura, lo suficientemente lejos como para no correr el riesgo de ser absorbidos. Sin embargo, no estamos del todo seguros, debido, precisamente, al color de los agujeros negros; es difícil observar objetos oscuros contra la oscuridad del espacio. Además, no hay requisitos de tamaño uniformes que los agujeros negros deban cumplir: algunos se han descubierto con un par de veces la masa de nuestro Sol, un objeto celeste relativamente pequeño. Mientras tanto, un agujero negro ultramasivo descubierto en 2023, conocido como Abell 1201, tiene aproximadamente 33 mil millones de veces la masa del Sol.

Así que probablemente comprendes el problema aquí: los agujeros negros como Abell 1201 son más fáciles de encontrar que los más pequeños, pero incluso su descubrimiento tomó 20 años desde que lo notamos por primera vez hasta que obtuvimos una imagen completa. Intentar eso con algo 33 mil millones de veces más pequeño en un cielo oscuro, sin una dirección por dónde empezar, hace que encontrar una aguja en un pajar parezca sencillo. Actualmente, el agujero negro más cercano que conocemos es Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.

¿Hay una singularidad en el centro de un agujero negro?

Uno de los aspectos más desafiantes para los físicos es la singularidad. Una singularidad es el punto en el centro del agujero negro, donde su densidad es máxima. ¿Qué tan alta? Los científicos creen que es infinita. Pero la física nos enseña que no existen las infinitudes, y si esa es la única explicación, entonces las matemáticas son inexactas o incompletas. Se convierte en una paradoja que desafía los límites de lo que creemos saber y lo que podemos probar.

Una posible solución es que la teoría de João Luís Rosa y su equipo sobre los agujeros negros como gravastars sea correcta: objetos increíblemente densos llenos de energía oscura, pero sin una singularidad. Su equipo buscó manchas de burbujas de gas orbitando agujeros negros y modeló lo que debería suceder con las burbujas si los agujeros negros funcionaran como una gravastar. Sus hallazgos mostraron que, si tuvieran razón, resolvería la paradoja porque el agujero negro estaría confinado a las mismas reglas que la relatividad general de Albert Einstein establece para todos los objetos.

Sin embargo, su trabajo no es una prueba definitiva, ya que todavía existen diferencias sutiles en cómo las gravastars y los agujeros negros emiten luz, lo que podría ser una razón significativa para considerarlos objetos celestes separados. Por ahora, la densificación infinita de una singularidad sigue siendo tema de debate.

¿Cómo se forman los agujeros negros supermasivos y ultramasivos?

Actualmente, los astrónomos utilizan cinco categorías para clasificar el tamaño de los agujeros negros: primordiales, de masa estelar, de masa intermedia, supermasivos y ultramasivos. Se cree que los primordiales fueron los primeros agujeros negros del universo y pudieron haber sido diminutos, aunque probablemente se hayan evaporado hace mucho tiempo. Los agujeros negros de masa estelar se forman cuando el núcleo de una estrella de aproximadamente 20 veces la masa de nuestro Sol colapsa. Los agujeros negros de masa intermedia son actualmente solo una teoría, ya que solo se ha observado un posible candidato, pero los científicos racionalizan que probablemente existen algunos agujeros negros que caen entre la masa estelar y los supermasivos. Los agujeros supermasivos, como nuestro amigo Sagitario A*, tienen una masa que va desde decenas de miles hasta miles de millones de veces la de nuestro Sol. Finalmente, la mayoría de los investigadores creen que los agujeros negros ultramasivos comienzan alrededor de 10 mil millones de veces la masa del Sol, pero aún no hay un punto de partida estandarizado.

Pero aquí está el problema: si un agujero negro de masa estelar necesita una estrella aproximadamente 20 veces la masa del Sol, ¿cómo podría existir algo que requiere un mínimo de decenas de miles de veces más masa? Actualmente, las dos teorías principales sugieren que existe una evolución que permite que un agujero negro crezca hasta estos tamaños inconcebibles. La primera, publicada por Guang Yang y sus colegas de Penn State, cree que un agujero negro masivo requiere una galaxia anfitriona masiva que permita que el agujero negro se expanda aún más rápidamente. La otra, publicada por Mar Mezcua y sus colegas del Instituto de Ciencias del Espacio en España, teoriza que los agujeros negros crecen a medida que envejecen, y que los ultramasivos posiblemente tienen una ventaja de al menos mil millones de años.

¿Cuál es la relación entre los agujeros negros supermasivos y la formación de galaxias?

¿Qué fue primero, Sagitario A* o la Vía Láctea? ¿Sagitario A* se dirigió hacia la Vía Láctea, o la Vía Láctea se formó alrededor de Sagitario A*? Estas preguntas de “el huevo o la gallina” desconciertan a los astrónomos, y es fácil entender por qué. No solo no hay buenas respuestas, sino que el tiempo que nos llevaría observar un escenario u otro podría ser de al menos un milenio para una sola formación, sin mencionar las múltiples confirmaciones que los científicos querrían para probar qué teoría es la correcta.

Las explicaciones de trabajo más cercanas que tenemos se centran más en explicar los efectos posteriores del anclaje del agujero negro y la galaxia que la causa. Primero, un poco de contexto: los astrónomos creen que hay dos tipos de galaxias: una que forma estrellas rápidamente y otra que es “silenciosa” y parece haber terminado de crecer. Un equipo de científicos de la Universidad de Nanjing descubrió una correlación entre la masa de un agujero negro, la cantidad de gas frío en su galaxia y el número de estrellas que se están creando. Cuanto mayor es la masa del agujero negro, más gas frío se purga de la galaxia, mientras que menos gas frío, menos estrellas nacen. Por lo tanto, es posible que una galaxia se forme por sí misma, y su rápida expansión inicial atraiga un agujero negro. A medida que el agujero negro se abre camino hacia el centro (o sus cercanías), comienza a alimentarse de los recursos de la galaxia, agotando los ingredientes esenciales que podría necesitar para formar más estrellas.

¿Cómo es que algunas galaxias terminan con agujeros negros que parecen demasiado grandes para su tamaño?

En muchos sentidos, la naturaleza parece preferir el equilibrio. Entonces, ¿cómo es que algunos agujeros negros supermasivos se abren camino en una galaxia que es demasiado pequeña para sostenerse a sí misma y al agujero negro? Si la teoría del equipo de Guang Yang es cierta, entonces una galaxia y su agujero negro deberían crecer en conjunto. Pero Jonelle Walsh, astrónoma de la Universidad de Texas en Austin, notó una galaxia de aproximadamente una cuarta parte del tamaño de nuestra Vía Láctea llamada NGC 1277 con un agujero negro central aproximadamente 4.000 veces el tamaño de Sagitario A*. ¿Comenzó siendo demasiado grande para su galaxia, o el agujero negro continuó creciendo mientras NGC 1277 se detuvo?

Actualmente, no hay respuestas fáciles. El equipo de Walsh está buscando en el universo posibles inversas donde la galaxia es demasiado grande para su pequeño agujero negro. Un descubrimiento así no solo podría ayudarnos a comprender mejor cómo interactúan los agujeros negros con sus anfitriones, sino que también podría arrojar más luz sobre cuáles deben ser y permanecer las métricas para que ambos objetos crezcan en conjunto.

¿Existen mini agujeros negros?

Una de las preocupaciones que popularizó la cultura pop con el lanzamiento del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) fue que crearía un agujero negro en miniatura que nos destruiría a todos una vez que se encendiera. Se convirtió en uno de los mitos más populares sobre los agujeros negros, en realidad. Afortunadamente, ese no fue el caso (¡alerta de spoiler!), pero hizo que los científicos se preguntaran si los agujeros negros bebé eran siquiera posibles. Si es así, ¿dónde están y qué tamaño de estrella se necesitaría para crear uno?

Nuestro planeta y sistema solar se encuentran en una zona tipo Ricitos de Oro donde no hay estrellas lo suficientemente cerca de nuestra vecindad cósmica que sean lo suficientemente grandes como para convertirse en agujeros negros de masa estelar o supermasivos. En cuanto al lado opuesto del espectro de tamaños, el jurado aún está deliberando. Los agujeros negros primordiales antes mencionados, si existieran, probablemente eran diminutos, ya que no había mucha masa formada en los primeros años del universo.

Sabemos que si los agujeros negros súper pequeños fueran posibles, como los que podría causar el LHC, serían demasiado pequeños para tener algún impacto negativo. Pero si realmente existen, no podemos determinarlo definitivamente, gracias al problema de intentar observar algo negro en el cielo. Nuestra mejor manera de probarlo probablemente no es lo que quieres escuchar: usar el LHC para formarlos en un entorno controlado. La ciencia aún no está ahí, así que por ahora, no es posible que se formen agujeros negros en la Tierra.

¿Qué le sucede a la información que cae en un agujero negro?

Stephen Hawking acuñó el problema de la “paradoja de la información del agujero negro” –la teoría de que los agujeros negros destruyen toda la información, también conocida como la paradoja de la información de Hawking– que deja a los científicos rascándose la cabeza. “Información”, en este caso, se refiere a cualquier cosa que sea absorbida por el agujero negro. Si la física dice que la información no puede ser destruida, ¿qué le sucede dentro del agujero negro donde nunca puede escapar? ¿Sigue existiendo? La física dice que debe, pero los agujeros negros tienden a romper todas las reglas de la física, por lo que es igual de posible que desaparezca. Afortunadamente, pronto podríamos tener un atisbo de esperanza para una respuesta.

Los agujeros negros no son solo círculos planos; tienen picos y valles. Los picos, conocidos como “islas”, posiblemente podrían alcanzar una altura tal más allá del agujero negro que podríamos medirlos y recopilar datos sin sucumbir a la atracción gravitacional del agujero. También existe la posibilidad de que las “islas de entrelazamiento”, un tipo de par de partículas, puedan vivir en la superficie del horizonte de sucesos, dándonos otro lugar para recopilar datos sobre lo que está sucediendo. Pero estas islas de entrelazamiento requieren un tipo específico de agujero negro que actualmente es solo hipotético. Lo sentimos, científicos, de vuelta a la melatonina para ustedes.

¿Cómo producen los agujeros negros potentes chorros que se extienden más allá de sus galaxias?

Una de las imágenes más impresionantes de las que hablan los astrónomos es un agujero negro que dispara potentes haces de luz desde ambos lados del disco de su galaxia. No solo son un espectáculo digno de ver, sino que nos brindan información crucial sobre el agujero negro. Estos haces de luz tienen millones de años luz de largo y no suelen estar justo en el medio, por lo que tienen un ligero bamboleo. Este bamboleo es una de las cosas que nos permite determinar definitivamente el eje de giro del agujero negro, mientras que la longitud de los haces nos ayuda a estimar su tamaño. Pero si nada puede escapar a la gravedad de un agujero negro, ¿cómo se forman estos chorros y cómo pueden ser tan poderosos?

Por suerte, hemos encontrado un par de enormes haces de chorro que pueden darnos más pistas. Recientemente, científicos del Caltech observaron los haces de luz más largos descubiertos hasta ahora en el universo, con una salida de energía tan poderosa que se necesitarían billones de nuestros Soles para igualarlos. Han nombrado a los haces “Porfirión” como un homenaje a un gigante mitológico griego, y abarcan 23 millones de años luz, o alrededor de 140 Vías Lácteas. A pesar de estar a 7.5 millones de años luz de la Tierra, los científicos esperan poder desentrañar los misterios de cómo se forman este tipo de chorros y cómo interactúan con su galaxia anfitriona y el agujero negro.

¿Cuál es la naturaleza de la radiación de Hawking y cómo afecta al universo?

Cuando se trata de haces de chorro, también es importante hablar de la radiación de Hawking. Nombrada en honor al Dr. Stephen Hawking, quien teorizó su existencia en 1974, esta es un tipo de fuga de energía que se origina a partir de partículas de luz que orbitan en el campo gravitacional de un agujero negro. Anteriormente, se pensaba que la radiación de Hawking solo provenía de la materia atrapada en esta órbita, pero nuevos estudios revelan que se origina de cualquier tipo de masa que supere un cierto tamaño. Hawking teorizó que esta radiación forzaría a un agujero negro a evaporarse por completo con el tiempo, pero ahora los científicos se preguntan si sus efectos son mayores.

Originalmente, los investigadores creían que esta fuga de energía era causada por el horizonte de sucesos, pero nuevas investigaciones están mostrando que los horizontes de sucesos no son tan impactantes como se pensaba inicialmente. Ahora, la investigación líder teoriza que esta pérdida de energía que experimentan todas las masas que superan un cierto tamaño significa que es posible que todo en el universo eventualmente pierda su “resistencia”, por así decirlo, a colapsar en sí mismo y convertirse en su propio agujero negro, destruyendo eventualmente todo el universo. Sin embargo, sabemos muy poco sobre la mecánica detrás de los poderes cuánticos necesarios para que funcionen los agujeros negros, por lo que estas hipótesis son solo conjeturas.

¿Cómo se aplican las leyes de la mecánica cuántica a los agujeros negros?

También está el frustrante mundo de la mecánica cuántica y cómo es una espina constante en el costado de los astrónomos. La mecánica cuántica es la ley de cómo operan las partículas más pequeñas que los átomos, a diferencia de la relatividad general (uno de los principales avances de Albert Einstein), que se centra en objetos mucho más grandes, como planetas y agujeros negros. Esto suena bastante simple, excepto que para que la mecánica cuántica sea cierta, debe permitir reglas que la relatividad general dice que no son posibles. Por ejemplo, la relatividad general dice que todos los objetos tienen una gravedad continua que curva el espacio-tiempo. Por eso, a menudo verás la gravedad representada como una especie de papel cuadriculado que se “hunde” cuando un planeta se posiciona sobre él. La mecánica cuántica dice que esto no es posible; los campos gravitacionales no son continuos, sino que ocurren intermitentemente como fragmentos, y no existe un conjunto estándar de reglas (solo probabilidades) sobre cómo esos fragmentos afectan a los objetos.

Entonces, ¿cómo se relaciona esto con los agujeros negros? Es más rápido evitar las matemáticas y resumirlo así: la relatividad general dice que debe haber una singularidad en el agujero negro porque la gravedad es una constante, y la densa gravedad de un agujero negro debería aplastar cualquier información que entre en él. Pero la mecánica cuántica dice que una singularidad no es posible y que la información no puede ser destruida. Entonces, ¿cuál es la correcta? Nadie lo sabe todavía. La teoría de cuerdas es una posible solución que puede reconciliar ambas leyes, pero las formas “fragmentadas” en que funciona la mecánica cuántica dificultan que sea una respuesta perfecta. También existe la gravedad cuántica de bucles, que teoriza que los fragmentos tienen un tamaño estandarizado, aunque muy pequeño. Entonces, no es que pequeños fragmentos de gravedad actúen intermitentemente, sino que son una especie de camino por el que un objeto “camina”.

¿Qué sucede en el horizonte de sucesos?

Lo más probable es que hayas escuchado la teoría de que si pudieras llegar al horizonte de sucesos de un agujero negro, te enfrentarías al inquietante destino de cualquiera que caiga en un agujero negro: te convertirías en un fideo de espagueti con forma vagamente humana debido a la diferencia en la gravedad que afecta tus pies versus tu cabeza. Si bien los científicos creen en su mayoría que la espaguetificación es un fenómeno real, también creen que no sucede exactamente así y que el horizonte de sucesos no es tan definitivo como parece. De hecho, ni siquiera estamos seguros de qué papel juega realmente un horizonte de sucesos con un agujero negro.

Algunos científicos creen que el horizonte de sucesos es una especie de puerta a un cortafuegos, una pared de energía inimaginablemente caliente que destruiría cualquier partícula (o persona) que la tocara. Si esto fuera cierto, resolvería la paradoja de la información del agujero negro. Pero otros científicos creen que los cortafuegos no son posibles, así que volvemos al punto de partida. El problema se reduce a esto: apenas hemos comenzado a encontrar formas de observar los horizontes de sucesos, así que recién ahora estamos arañando la superficie de lo que son y cómo funcionan.