Cien años después de que la teoría de la relatividad general de Einstein sentase las bases exactas de su naturaleza y doscientos años después de que un clérigo inglés fantasease con la existencia de unas “estrellas oscuras”, los agujeros negros siguen arrojando luz a cuestiones troncales y protagonistas de la física más exótica. Han pasado de ser una excentricidad matemática a protagonizar el último Premio Nobel de Física, de la mano de Sir Roger Penrose. En las inmediaciones de un agujero negro las reglas de lo cotidiano cambian: se alteran y deforman superando, con mucho, los deseos de las mentes más creativas. El escritor Peter Nicholls dijo una vez refiriéndose a ellos: “La ciencia ficción no puede imaginar nada más extraño”. Extraños o no, permean el tejido del espacio-tiempo de una forma tan significativa que nuevas teorías sugieren que los agujeros negros son, en realidad, las semillas que hicieron emerger el cosmos. Texto: Lucía Casas | Periodista de ciencia 

“ Al llegar por primera vez a un agujero negro, lo más probable es que te sorprenda lo total y completamente aburrido que es. En sí, el agujero negro es simplemente un orbe negro insondable que cuelga en algún lugar en la distancia. En realidad no hacen nada más que ‘sentarse ahí’ y gravitar. De hecho, es muy sencillo pasarlos por alto: a menos que se estén alimentando activamente de materia o que, por coincidencia, doblen o bloqueen la vista de una estrella en el fondo, no podrás verlos. Sin embargo, una vez sabes que hay uno, puedes comenzar a divertirte”.

El astrofísico Paul M. Sutter inicia así su epopeya sobre Cómo sería tener por vecino a un agujero negro rompiendo con el atávico empeño de la cultura popular por mostrarnos a estas regiones del espacio-tiempo como verdaderos monstruos. Los agujeros negros se han labrado una fama que no les representa. De hecho, lejos de ser destructores, su naturaleza atractiva podría ser la causa de que nuestro universo exista en el modo en que lo hace. Sin embargo, sí cumplen sobradamente con uno de los requisitos necesarios para la literatura fantástica, y esto es irreductible: son completamente fascinantes. Pese a ello, y aunque cualquier proceso que ocurra dentro de un agujero negro sea merecedor de tener su propia novela de ciencia ficción, estos fenómenos fruto de la gravedad más intensa nada tienen de inventiva; sabemos que han habitado el cosmos calladamente durante más tiempo del que podamos imaginar. Ahora, gracias a los avances tecnológicos, podemos medirlos mediante interferometría o capturar su eco en imágenes, revelando que, pese a ser vecinos silenciosos, no son ni invisibles ni mucho menos meras “curiosidades matemáticas”.

Actualmente la existencia de los agujeros negros es algo que apenas genera controversia dentro de la comunidad científica, pero esto no siempre fue así. En los tiempos de Newton se desconocía el comportamiento dual de la luz como onda y partícula. En su lugar, dos teorías completamente diferenciadas trataban de explicar la condición de la luz. Una de ellas entendía que estaba formada por ondas; la otra, preferencia de Sir Isaac, sugería que la luz estaba compuesta por pequeñas partículas de materia, es decir, corpúsculos. El hecho de que la luz tuviera, tal como pensaba Newton, una naturaleza corpuscular quería decir que podía verse afectada por la fuerza de la gravedad del mismo modo que cualquier cuerpo con masa ejerce un tirón gravitatorio a su alrededor. Además, tal como había predicho el astrónomo Oel Roemer, la velocidad a la que se movían esas partículas no era infinita, lo cual abría la puerta a una posibilidad un tanto extraña: si la velocidad de la luz era una cifra concreta y finita, ¿podría existir en el universo un cuerpo con una gravedad tan intensa que hiciese que la velocidad de escape necesaria para vencer su atracción fuera superior a la de la luz?

Esta genial idea inundó la cabeza del clérigo John Michell, quien incluso llegó a enviar una carta planteando esta posibilidad a Henry Cavendish, un buen amigo y físico de profesión: “Si hubiese cualquier estrella cuya densidad fuese lo bastante grande, toda luz emitida por ese cuerpo volvería hacia él por causa de su propia gravedad”. Era 1783, mucho antes de que Schwarzschild diera con la solución exacta a las ecuaciones de campo de Einstein en pleno frente de la Primera Guerra Mundial. Michell no lo sabía, pero aquellas “estrellas oscuras” acabarían siendo una suerte de centro de experimentación, prueba y error de muchas teorías de la física moderna.

Huellas de un gigante silencioso

¿Cómo es posible dar con un agujero negro en la propia negritud del espacio? Pese a ser complicado, un paciente observador sabrá que no es imposible trazar la silueta de estas regiones del espaciotiempo. Se puede inferir su existencia de distintas maneras; una de ellas, observando a sus acompañantes. Fue así como en 1964 se identificó el primer candidato de agujero negro, Cygnus X-1. Se trataba de un sistema binario; una estrella supergigante que se movía velozmente alrededor de un cuerpo masivo que, pese a pasar desapercibido dentro del espectro visible, emitía una fuente de energía muy brillante en rayos X. 

Ya en 2019, el Telescopio de Horizonte de Sucesos (EHT por sus siglas en inglés) fue capaz de capturar por primera vez la sombra de un agujero negro gracias a la luz emitida por una ingente cantidad de gas acelerándose a medida que se acercaba al mismo. El protagonista de este retrato, que habita en la galaxia M87, es un agujero negro supermasivo de seis mil millones de veces la masa del Sol. 

Ya en 2019, el Telescopio de Horizonte de Sucesos (EHT por sus siglas en inglés) fue capaz de capturar por primera vez la sombra de un agujero negro gracias a la luz emitida por una ingente cantidad de gas acelerándose a medida que se acercaba al mismo. El protagonista de este retrato, que habita en la galaxia M87, es un agujero negro supermasivo de seis mil millones de veces la masa del Sol. relatividad de Einstein todos los descubrimientos sugerían que la imagen de un agujero negro debería ser tal y como la que hemos encontrado. O sea, ¡no solo es un concepto matemático! El objetivo del EHT no es tan solo probar la existencia de los agujeros negros, sino también comprender la física de los agujeros negros y de las inmediaciones del horizonte de sucesos”. 

Un año después, Andrea Guez y Reinhard Genzel, junto a Roger Penrose, recibían el Nobel de Física por sus casi tres décadas de observaciones de un cuerpo masivo en el centro de nuestra galaxia. El trabajo de Guez y Genzel mostraba cómo la estrella S2 mantenía alrededor del centro de la galaxia una órbita predicha por la teoría de la relatividad de Einstein, la precesión de Schwarzschild. Esta trayectoria es el resultado de la distorsión del espacio-tiempo por obra del objeto masivo, cuya atracción gravitatoria hace que el espacio rote a su alrededor, “arrastrando” a cualquier objeto y alterando su trayectoria natural. En lugar de mantener una órbita elíptica cerrada, la estrella iba trazando una elipse tras otra, dando como resultado una roseta alrededor del centro de la Vía Láctea. Los agujeros negros también pueden ser vistos de forma indirecta gracias a su actividad frenética. Antes de alcanzar el horizonte de sucesos, el punto a partir del cual ya no es posible evitar caer en la singularidad del agujero, la materia orbita a su alrededor durante un lapso de tiempo. Parte de esta materia acaba traspasando finalmente el horizonte, mientras otra se acelera y calienta, desprendiendo una energía que sí podemos observar y que desenmascara, al fin, al vecino silencioso.

Además de alertar sobre la presencia de un cuerpo masivo, esta energía podría estar dando forma a nuestro cosmos. Una investigación realizada recientemente por el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ha estado observando la influencia de los agujeros negros en la formación de estrellas de galaxias satélites, que son las que se encuentran en las inmediaciones de la galaxia principal. Su movimiento y evolución se ven influenciados por todo aquello que ocurre en el pozo de potencial gravitatorio común a ambas. Pese a no ser principales, pueden ser muy masivas y mantienen su propio centro de masas. El estudio analizó 124.163 de ellas, con el fin de establecer si existe relación entre el desprendimiento de energía de los agujeros negros supermasivos que suelen habitar el centro de las galaxias principales y la evolución de sus satélites. Los resultados mostraron que las galaxias satélites con menor producción de estrellas eran menos comunes a lo largo del eje menor de la galaxia central, lo cual resultaba contradictorio, ya que los agujeros negros suelen expulsar materia y energía a través de este disco, el camino de menor resistencia y menor recorrido.

Sobre este proceso, Ignacio Martín Navarro, investigador principal del estudio, comenta: “Lo que creemos es que todo el material sale por el eje menor, como una especie de escoba que elimina el gas del entorno de la galaxia principal”. Si una galaxia satélite no sufre interferencias y mantiene su propio gas sigue formando estrellas; sin embargo, si se encuentra a lo largo del eje mayor, donde todavía hay gas en la galaxia anfitriona, este choca con la galaxia satélite e impide que se formen nuevas estrellas. “Lo que puede estar pasando —comenta Martín Navarro— es que esta presión tenga un efecto parecido a lo que ocurre cuando soplas una vela y se apaga. Para formar estrellas la galaxia necesita gas. Si ese gas se elimina, la galaxia satélite se “apaga”. Incluso aunque no se elimine el gas, esta presión podría calentarlo, retrasando así la formación de nuevas estrellas”. De este modo, la posición de las galaxias satélite con respecto a la galaxia principal determinará su evolución y la producción de nuevas estrellas. Esta nueva concepción redefine a los agujeros negros como una especie de semillas galácticas que moldean el aspecto del espacio-tiempo. Resulta natural pensar que, sin ellos, el universo tal y como lo estamos descubriendo no existiría. 

Nuevas y viejas teorías

A menudo se asegura que precisamos de una nueva física para comprender todos los procesos que ocurren en el interior de un agujero negro. Las leyes de lo grande y lo pequeño se ven enfrentadas una vez alcanzamos el horizonte de sucesos. Tratar de explicar ciertos fenómenos mediante el marco de la mecánica cuántica puede hacernos entrar en contradicción con la relatividad y viceversa... O al menos eso se pensaba. Desde el punto de vista teórico existe un conflicto entre la mecánica cuántica y los agujeros negros que tiene que ver con el hecho de que en cuántica los procesos deben ser, en principio, siempre unitarios. Pablo Bueno, físico teórico e investigador del Centro Atómico de Bariloche (Buenos Aires), explica: “En mecánica cuántica que un estado sea puro no quiere decir que yo sepa todo lo que me gustaría saber sobre un objeto. Simplemente decimos que tenemos toda la información que existe y que está disponible. Las reglas de la cuántica nos dicen que los estados puros evolucionan, por medio de la ecuación de Schrödinger, a otros estados que siguen siendo puros, de máxima información.”

Sin embargo, en los agujeros negros se presenta una paradoja, la llamada ‘pérdida de información’, según la cual el grueso de la información sobre el estado cuántico de un cuerpo se pierde cuando es introducido en el agujero negro. Como a un agujero negro solo le caracteriza su masa, su carga eléctrica y su momento angular, no podemos conocer el estado inicial de todo cuanto atravesó el horizonte de sucesos. “No sabes si un agujero negro de Schwarzschild —al cual solo le caracteriza su masa— ha aumentado porque se ha tragado gallinas, botellas o balones ya que, una vez estos cuerpos entran en el agujero lo único que puedes conocer de ellos es su masa, es decir; has perdido una cantidad de información bestial, y esto según la cuántica no debería suceder”, dice Bueno. Parte de los esfuerzos de la física teórica están siendo dedicados en este momento a tratar de conciliar los fenómenos característicos de la cuántica con la intensa gravedad mediante la cual se forman los agujeros negros. “Saber qué pasa cerca de una singularidad sigue siendo un problema grande, todavía no lo entendemos muy bien...”, añade. Al margen de eso, “hay teorías bastante sólidas que nos indican que la información de lo que ocurre dentro de un agujero negro no se pierde. En lugar de eso, estaría codificada de alguna forma y sería recuperable, al menos en la teoría”. Desde Stephen Hawking hasta Juan Maldacena, pasando por Gerard ’t Hooft, los agujeros negros han sido el escenario ideal para comprender cómo funciona nuestro universo en condiciones extremas. El anhelo por alcanzar una teoría capaz de explicarlo todo permanece tras la sombra de estos extraños y sutiles demiurgos del espacio y el tiempo.