Novedades sobre los agujeros negros: ahora no existen

Agujero negro lo que pasa

Últimamente asistimos a una invasión de “reboots” cinematográficos en que los cineastas nos cuentan de nuevo la misma historia. En ocasiones se limitan a hacer borrón y cuenta nueva sin más explicaciones, pero el campo de la ciencia-ficción está abonado a todo tipo de explicación que suene a científico.

En el último reboot de Star Trek, no se cortan a la hora de apuntarse a “lo cuento de nuevo porque me da la gana,” pero también se sacan de la manga un agujero negro para colar por él a Spock (interpretado por Leonard Nimoy) y hacer que conozca al nuevo y “reinicializado” Spock (interpretado por Zachary Quinto). De ese modo Spock Quinto puede hablar con Spock Nimoy sin necesidad de escandalizarse con las típicas paradojas del abuelo, los productores enganchan a los fans de la serie original, y en general todo el mundo está contento.

El agujero negro es el recurso típico de la ciencia-ficción para todo, desde devorar un planeta hasta hacer viajes en el tiempo. Uniéndolos a pares, tenemos los llamados agujeros de gusano (wormhole) que tan bien usó Carl Sagan en su novela Contacto. Sin embargo, recientes descubrimientos teóricos pueden acabar con esta moda: es posible que los agujeros negros, los Chuck Norris del espacio, ni siquiera existan. ¿Cómo es posible eso? Veámoslo.

Un agujero negro, a pesar de que parece ciencia puntera, es esencialmente fácil de entender. Lance usted, lector, un objeto hacia arriba. Seguro que vuelve a caer, ¿verdad? Láncelo con mayor velocidad y verá que sube más alto y tarda más en caer. ¿Hay algún límite a este pasatiempo? Pues sí, lo hay. Si lanza usted el objeto con la suficiente velocidad, la energía cinética de éste superará el pozo gravitatorio terrestre; o dicho de otro modo: el objeto no volverá a caer.

A esa velocidad se la denomina velocidad de escape, y puede calcularse fácilmente mediante esta ecuación:

v = [2GM/R]^1/2

donde M es la masa del cuerpo que crea el campo gravitatorio, R su radio y G la constante de gravitación universal. Para la superficie de la Tierra, la velocidad de escape es de unos 40.000 kilómetros por hora.

En la Luna, la velocidad de escape es bastante inferior, y el motivo es que, aunque el radio lunar es menor que el terrestre, su masa es mucho menor. Por eso la NASA necesitó un cohete enorme para lanzar el Apolo desde la Tierra, pero sólo hacía falta una capsulita pequeña para despegar de la Luna. En el extremo opuesto, cuanto más grande sea un cuerpo mayor será su velocidad de escape.

Supongamos un objeto muy, muy grande y de tamaño muy, muy pequeño, tanto que la velocidad de escape en su superficie es superior a 300.000 kilómetros por segundo. Eso significa que nada podrá abandonar su superficie, ni siquiera la luz. Ya tenemos un agujero negro. ¿Han visto lo sencillo que es el concepto?

Otra cosa muy distinta es construirlo, claro. El Sol tiene un radio de casi tres cuartos de millón de kilómetros. Si quisiésemos convertirlo en un agujero negro, su radio tendría que ser inferior a tres kilómetros. No es ese su futuro. Dicen los astrofísicos que, conforme agote su combustible nuclear, se acabará convirtiendo en una enana blanca. Por el contrario, cuando una estrella tiene una masa un 40% superior a la de nuestro Sol, o más, los protones y electrones que la forman se combinan entre sí. La estrella se convierte en una especie de núcleo atómico gigante y recibe el nombre de estrella de neutrones.

Ahora imaginemos que la masa de la estrella es aún mayor. Cuando las reacciones nucleares cesen la estrella se vendrá abajo debido a su propia masa, y ni siquiera los neutrones lograrán evitar el colapso gravitatorio. En este caso, la masa de la estrella se comprime hasta un punto. Tenemos entonces un agujero negro en el espacio.

Todo lo que se acerque lo suficiente es absorbido sin posibilidad de escapar. Más concretamente, si un objeto cruza el llamado horizonte de sucesos (una superficie imaginaria donde la velocidad de escape es igual a la de la luz) y se acerca a una distancia inferior al llamado radio de Schwarzschild (el radio de dicho horizonte), no volverá a salir.

El agujero negro es la aspiradora definitiva del Universo. O al menos, esa es la visión habitual que tenemos de un agujero negro. Stephen Hawking postuló que, en contra de lo que les acabo de explicar, los agujeros negros sí que podrían emitir partículas al exterior. Ello daría lugar a la que hoy se conoce como radiación de Hawking, cuyo resultado más llamativo es que el agujero negro se evapora lentamente, hasta que al final deja de existir.

Para explicarles el concepto de radiación de Hawking, les diré algo sorprendente: el vacío no está vacío. El principio de incertidumbre de Heisenberg permite que, durante un brevísimo intervalo de tiempo, se pueda crear en un lugar del espacio un par partícula-antipartícula, que enseguida vuelve a desaparecer. Son tan fugaces que no alteran el balance de energía del Universo. Es como si el supervisor de cajeros del Mercadona controlase el contenido de las cajas registradoras cada diez minutos. Si de un control a otro falta dinero, el cajero lo pasará mal; pero en principio éste sí puede sustraer dinero de la caja y salirse con la suya, con tal de que devuelva la pasta antes del siguiente control. El Universo parece seguir el mismo principio: crea partículas si quieres, pero devuélvelas antes de que te cojan.

Un par, digamos un electrón y un positrón, se crean e inmediatamente se atraen y aniquilan mutuamente. Ahora supongamos que la creación tiene lugar cerca del horizonte de sucesos. Digamos que el electrón se crea dentro de dicho horizonte, y el positrón fuera de él. El electrón está perdido, puesto que su velocidad de escape es superior a la de la luz; pero para el positrón todavía hay esperanza, y si adquiere suficiente energía su velocidad puede alejarle del agujero negro. En ese proceso de creación, una de las partículas abandona la región del agujero negro, casi como si saliese de él. No es estrictamente así, pero parece como si lo fuese.

Pero no hay comida gratis en el Universo, así que si se ha creado un positrón ha sido a expensas del campo gravitatorio. Como consecuencia, ahora la energía del agujero negro es un poco menor. Este efecto cuántico irá “evaporando” el agujero negro de forma lenta pero imparable.

Ahora bien, si creen ustedes que con esto ya hemos resuelto todas las incógnitas que presenta un agujero negro, se equivocan. El motivo es que para estudiarlo a fondo necesitamos echar mano tanto de la Relatividad de Einstein como de la Mecánica Cuántica; y aunque ambas teorías son extraordinariamente eficaces cuando se toman por separado, al intentar unirlas combinan fatal. No existe una teoría de la relatividad cuántica. Einstein le dedicó sus últimos años, y luego otros muchos detrás de él, incluyendo a Hawking. Hasta el momento nadie ha tenido éxito en crear una teoría de gravedad cuántica, como suele llamarse.

Tenemos, por tanto, que tener mucho cuidado en situaciones que requieran cálculos de cuántica y relatividad de modo simultáneo. En tales casos se suele echar mano de aproximaciones, métodos numéricos, y en general todo tipo de simplificaciones. Cosas así hacen que, cuando intentamos usar ambas teorías para estudiar objetos como agujeros negros, saltamos de sorpresa en sorpresa.

Una de tales sorpresas la ha dado recientemente una investigadora de la Universidad de Cambridge llamada Laura Mersini-Houghton. Al estudiar las etapas iniciales de la formación de un agujero negro, se dio cuenta de que la imagen que tenemos habitualmente de materia cayendo en un gigantesco vórtice para no salir es parcialmente incorrecta. El motivo es que, mientras ese proceso tiene lugar, se está formando radiación de Hawking.

Radiación significa energía, es decir, masa, así que mientras la materia de la estrella colapsa debido a su propia gravedad hay una cantidad de masa que está escapando en la forma de radiación Hawking. Dicho en otras palabras: durante el colapso gravitatorio, el sistema está adelgazando. Llegamos así a la pregunta clave: ¿cómo de fuerte es esa cura de adelgazamiento? Mersini hizo algunos cálculos preliminares, cuyos resultados publicó en junio pasado, y llegó a la conclusión de que la pérdida de masa era tan grande que la estrella “rebotaría” antes de alcanzar el estado de singularidad. Es decir, para cuando alcanzara el radio de Schwarzschild su masa sería demasiado pequeña para seguir colapsando. El agujero negro no se formaría.

El artículo de Mersini, publicado en junio, hacía diversas simplificaciones, como suponer que la estrella es esférica y homogénea. Esto último es muy difícil de digerir, ya que los procesos nucleares convierten las estrellas masivas en una especie de cebolla, con capas formadas por diferentes elementos. Se esperaban con impaciencia un segundo paper que profundizase en el tema. Ese artículo ha salido ya, y los autores (Laura Mersini-Houghton y Harald Pfeiffer), tras realizar una serie de simulaciones informáticas, se reafirman en la conclusión previa: la radiación de Hawking durante el colapso de un agujero negro impide que éste llegue a formarse.

Si esta noticia se confirma, adiós a cincuenta años de estudios astrofísicos sobre los agujeros negros, y sobre todo, adiós a cincuenta años de ciencia-ficción. Menuda faena. Pero no desesperéis, amigos y amantes de los agujeros negros, porque el tema no está cerrado. Ni tanto así.

En primer lugar, el modelo de Mersini es de alcance limitado debido a su simplificación. La propia autora apunta algunas de las limitaciones de su estudio. Por citar tan sólo uno: tras el colapso de la estrella y posterior rebote, las capas internas de la estrella se cruzarían e interpenetrarían unas a otras, y en esas condiciones la simulación de Mersini no sirve. Es decir, no puede decirnos qué pasará tras el rebote. También es muy importante el concepto de temperatura, un parámetro crucial en los estudios de radiación de Hawking, y que hay que definir con sumo cuidado; cosa nada fácil en un agujero negro en formación.

En segundo lugar, hay mucha evidencia en contra, tanto teórica como experimental. No es la primera vez que se ha apuntado a la radiación de Hawking como factor de freno en un colapso estelar, y la opinión mayoritaria es que no impediría la formación de un agujero negro. También hay muchos indicios experimentales. En el Universo existen zonas donde se dan variaciones de radiación de alta energía en intervalos de tiempo muy cortos, de lo que resulta que los objetos causantes de ese chorro de radiación deben ser muy pequeños y de gran masa. Si esos objetos no son agujeros negros, como mínimo han de ser muy masivos y pequeños.

Mersini ni siquiera es la primera en dudar del colapso final de un agujero negro. Gracias a Francisco Villatoro me entero de que Carlos Barceló, un colega del Instituto de Astrofísica de Andalucía, publicó en 2008 un artículo en Physical Review D (nada menos) sobre el colapso de un agujero negro. Usando aproximaciones diferentes (en ese caso, modelos semiclásicos de relatividad general) cuestionan la imagen que tenemos de una estrella en colapso definitivo.

Les haré un breve resumen. Barceló y sus colaboradores admiten que la imagen de una superficie (el horizonte de sucesos) es perfectamente posible, pero advierten que la generación de un objeto de densidad infinita y tamaño nulo no es algo que tenga que ocurrir necesariamente en un colapso real. En su lugar, ellos proponen la existencia de lo que llaman estrella negra, un objeto compacto pero de densidad finita, y además carente de horizonte, es decir, donde la velocidad de escape en su superficie sería inferior a la de la luz. Un objeto así se asemejaría mucho a un agujero negro visto desde el exterior.

En definitiva, yo creo que la existencia o no de los agujeros negros es un tema abierto, y el artículo de Mersini ha sido tan sólo una contribución más, no necesariamente correcta. Lo más importante de todo este asunto, creo yo, es la constatación, por enésima vez, de un hecho que lleva persiguiendo a los físicos desde hace cien años: necesitamos hallar una teoría que combine la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica, y la necesitamos ya. Como dije antes, ambos brebajes no se deja mezclar, y el problema con situaciones como las de los agujeros negros es que necesitamos aplicar ambas teorías. Ante la imposibilidad de hacerlo, echamos manos de aproximaciones y simplificaciones, algo a todas luces insuficiente y del todo insatisfactorio pero que es lo mejor que podemos hacer hasta la fecha.

Todo esto suena como si hubiese una conspiración cósmica para evitar la existencia de los agujeros negros. Piénsenlo un poco. Primero resulta que las reacciones termonucleares en el interior de la estrella evitan el colapso gravitatorio. Cuando éstas fallan, el principio de exclusión de Pauli actúa sobre los electrones y protones frenando el colapso y formando lo que conocemos como estrella blanca. Para estrellas más masivas, vuelve a actuar el mismo principio de exclusión con los neutrones. Finalmente, cuando pensábamos que nada podría impedir el colapso gravitatorio de la estrella, aparecen los efectos de la radiación de Hawking y las estrellas negras. ¿Cuál será el final de la historia? ¿Quizá quedan por descubrir objetos más extraños? ¿Tal vez estrellas de quarks? ¿Fluidos compatcos de gluones y taquiones pesados? ¿Estofado de bosones de Higgs relativistas?

Tal parece que, al igual que decían en Parque Jurásico sobre la vida, también la materia se abre camino. Por desgracia, hasta que llegue un nuevo Einstein con su Relatividad Cuántica bajo el brazo, no podremos ver el cuadro de nuestro Parque Cósmico en toda su plenitud. Tendremos que conformarnos con las pinceladas. No nos queda otra.


9 Comentarios

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GariGari

Genial artículo Arturo!

Yo siempre he tenido una duda al respecto de la radiación de Hawking. Quizá tú puedas ayudarme.

Como dices, en el vacío se crean pares de partícula y antipartícula. Al crearse muy muy cerca del horizonte de eventos, la energía cinética? le hace acercarse a la antipartícula al horizonte de eventos y atravesarlo por lo que “cae” dentro del agujero negro y allí se aniquilará con una partícula. Su partícula (la que se generó al comienzo como pareja para mentener el equilibrio energético) como iba en dirección contraria al agujero negro podemos decir que ha sido emitida. Si en teoría en nuestro actual vacío se crean el mismo número de partículas que antipartículas (creo que aún no hemos descubierto la asimetría), no entiendo que sólo se radien partículas. Al crearse en parejas partícula-antipartícula, en el mismo ejemplo anterior, podría ser la partícula la que fuera en dirección al horizonte por lo que se radiaría una antipartícula que acabaría aniquilándose con una partícula del exterior y el agujero negro habría ganado una partícula.

Si en un caso el agujero pierde una partícula (-1) y en el otro caso el agujero gana una partícula (+1), a mi las cuentas me salen que nos quedamos a 0. Entendiendo que existen las mismas posibilidades de emitir una partícula que una antipartícula, la radiación de Hawking=0.
¿Dónde está mi error en el planteamiento?

Muchas gracias por seguir haciendo artículos como estos.
Naukas for the govern!

OrbatosOrbatos

A menos que me equivoque mucho, la energía para crear ese par de partículas “virtuales” debe de proceder de algún lado. En el universo no hay “nada gratis”. Un par virtual existe porque es un “ahora si, ahora no”… las cuentas cuadran perfectamente, donde no había nada se crea un +1 y un -1, y cuando se aniquilan entre si la suma sigue siendo cero.

Asumir que de la nada salen dos partículas, y una se queda en un sitio, y otra en otro no es valido. La energía prestada deja de ser prestada, alguien debe de pagar por esa partícula que ahora existe en el universo donde antes no había nada, y el pagador en este caso es el presunto agujero negro.

Tu puedes prestarte dinero a ti mismo, pero en realidad estas asumiendo una deuda por un lado, y una promesa de pago por otro. Ambas se cancelan y te quedas como estabas. No obstante, si en un momento llega alguien y coge ese dinero… el que se queda con menos dinero eres tu.

Es una explicación un tanto “basta”, pero no se me ocurre nada mejor, eso queda para los expertos en el tema.

Con todo, esto teoriza sobre la existencia o no de agujeros negros, pero no nos dice nada (por ejemplo) de lo que podría ser por ejemplo, un objeto que no llegase a ser “negro del todo”. ¿Es posible la existencia de un estado de materia tan degenerado que llegue “casi al límite” de un agujero negro?

LuriantLuriant

No tomes la carga como valor.
No hay +1 y -1 particula, hay 1 y 1… y que son opuestas y tienden a anularse entre si, pero 2 particulas al fin y al cabo.

La mecanica cuantica es un lio, pero un ejemplo es que permite a ciertas particulasusar energía que no poseen y luego devolverla… y en ese lapso pueden usarla.
Un ejemplo… tienes un coche electrico con la batería vacía. Si fueses una particula cuantica podrías obtener energía de la nada (debes 1000W de energía al universo), usar la batería para subir una montaña, y al bajar la cuesta los generadores podrían convertir la velocidad de bajada en electricidad. Da igual cuanta halla y en que la uses, lo importante es que al terminar el universo siga con toda su energía, y tu no te hallas quedado nada.

Por ese principio de la nada se pueden crear 2 particulas (en su lugar queda una “deuda” de energía)… cuando se destruyen la energía regresa y todos contentos. Pero en el borde de Agujero negro sería posible que una escapase. Ea agujero negro a aumentado en 1 particula su masa… pero en el lugar de donde vino hay una deuda de 2 particulas… esa deuda se paga con lo que halla en la zona. Las pobres particulas que intentan salir al horizonte de sucesos y no lo consiguen… serán absorbidas por el espacio y desaparecerá, y con ellas la gravedad que generan y se suma al propìo agujero negro.

Y antes de que me lincheis por meter la pata, no soy estudiante de nada de ciencias, pero no puedo resistirme a intentar ayudar :S . Ser piadosos.

Ñbrevu

Entonces, si lo he entendido bien, un agujero negro (cuerpo cuya velocidad de escape es superior a la velocidad de la luz) puede ser un objeto teóricamente posible, pero no existe porque no hay una secuencia de procesos físicos que lo genere, ¿es así?

Me surgen dos preguntas: una, ¿sería posible la formación de un agujero negro mediante un proceso completamente diferente? (entiendo que no tenemos información para responder a esto); y dos, ¿qué carajos es entonces lo que hay en el centro de la Vía Láctea? ¿O Cygnus X-1?

OrbatosOrbatos

El problema es que sabemos que si, que hay lugares con enormes concentraciones de masa en espacios relativamente reducidos, el problema por así decirlo, es que lo que no sabemos son las condiciones o estados de la materia ante condiciones tan enormes de gravedad. ¿Llegará efectivamente a superar el límite de c la velocidad de escape o se quedara en un 99.9999%? (y los decimales que nos apetezcan).

Claro, la teoría es la teoría, pero hasta que no tengamos uno a mano para hacer mediciones reales, y esto puede ser complicado, nos queda esa duda.

charlescharles

¿No hay dos erratas en el artículo?
Por un lado dice ” un objeto muy grande pero muy pequeño”. ¿No querrá decir “muy denso y muy pequeño”?
Por otro dice que al crearse el par de partículas, una es atrapada por el agujero negro porque su velocidad de escape es superior a la del agujero negro. ¿No querrá decir “inferior”?
Si es superior, escapa y no es atrapada por el agujero negro ¿no?

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