¿Por qué es importante para la ciencia entender qué son los agujeros negros? Revista Galileo

La primera imagen de Sgr A*, el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia (Imagen: Colaboración EHT)

Desde principios de la década de 1970, ya sabíamos de la existencia de un posible agujero negro llamado agujero negro. Sagitario A* (o Sgr A*), en el centro de la Vía Láctea. Con 4 millones de masas solares, su imagen, publicada en mayo, ha reavivado el interés popular por estos misteriosos objetos astrofísicos. Pero además de la magia que ejercen, ¿por qué es tan importante el estudio de los agujeros negros?

Estos fenómenos, predichos por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein hace más de 100 años, son de interés tanto para científicos como para profanos. El mismo Einstein, en ese momento, mostró cierto interés en la solución encontrada por su colega alemán Karl Schwarzschild en 1915, pero no creía que tuviera ningún significado físico más allá de las matemáticas.

La respuesta de Schwarzschild a las ecuaciones de Einstein proporciona una descripción del espacio-tiempo alrededor de un objeto esférico que es perfectamente estacionario, es decir, sin rotación alguna. Esta suposición será útil para planetas, estrellas y agujeros negros, y según ellos, lo que distingue a unos de otros es la masa. Por lo tanto, el agujero negro de Schwarzschild es un agujero negro sin rotación y sin carga eléctrica.

Años más tarde, en 1963, el físico neozelandés Roy Kerr ideó una explicación nueva y más realista para describir la rotación de los agujeros negros. La respuesta de Kerr a las ecuaciones de Einstein, que es mucho más compleja que las respuestas de Schwarzschild, muestra la existencia de un agujero negro en rotación y la posibilidad de una carga eléctrica y un campo magnético. Esta solución, llamada escala de Kerr, incluye un efecto causado por la rotación de un objeto astrofísico masivo, como los agujeros negros. Este efecto, llamado Lense-Thirring, muestra que la rotación de estos objetos no solo provoca una curvatura significativa, sino que también atrae el espacio-tiempo a su alrededor, como si el espacio (y el tiempo) estuvieran torcidos cerca del objeto.

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Desde entonces, se han realizado muchas investigaciones que han demostrado que la mayoría de los agujeros negros observados son del tipo Kerr, incluido Sgr A*.

Donde termina la ingeniería

Si la relatividad general nos muestra que la materia es geometría, es decir, la materia puede entenderse como la curvatura del espacio-tiempo, entonces el agujero negro destruirá este destino geométrico de la materia.

En general, un agujero negro es el resultado del colapso de una estrella. Pero no cualquier estrella se convierte en un agujero negro cuando muere. Es necesario que al final de todo quede todavía una sustancia tres veces la masa del Sol.

La fuerza de la gravedad comprime tanto los restos de materia que dobla el espacio-tiempo en un punto, la singularidad. El campo gravitatorio es tan intenso cerca del agujero negro que la luz no puede escapar de su gravedad.

Alrededor de cualquier agujero negro, hay una región que define el límite, que llamamos horizonte de eventos. Todo lo que es arrastrado por detrás cae en dirección a la singularidad, dentro del agujero negro, en el camino sin retorno. Para escapar de allí sería necesaria una velocidad superior a la de la luz, lo cual es imposible, ya que esta es la velocidad más rápida del universo (unos 300 mil kilómetros por segundo).

Video creado por científicos a partir de datos obtenidos de M87* (Foto: M. Wielgus y EHT Collaboration)

Video creado por científicos a partir de datos obtenidos de M87* (Foto: M. Wielgus y EHT Collaboration)

Lo que vemos en las imágenes de los dos agujeros negros publicados hasta ahora (Sgr A* en 2022 y M87 en 2019) es en realidad luz atrapada en una órbita cercana a los horizontes de eventos. Y en estos casos hablamos de agujeros negros supermasivos, que no son los únicos que existen.

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Evolución y crecimiento

Detectar agujeros negros de menor masa no es tarea fácil. Las mediciones y observaciones se realizan de forma indirecta, a partir del análisis de las órbitas de las estrellas cercanas y también mediante la detección de ondas gravitacionales de los agujeros negros en colisión.

Comprender los agujeros negros supermasivos en particular es importante para comprender la evolución del universo mismo. Esta clase de agujeros negros tarda mucho en alcanzar masas masivas. Los astrónomos y los físicos pueden trazar un mapa de sus acciones cuando se «traga» la materia. Por ejemplo, en el caso de Sgr A*, todavía están tratando de entender cómo se formó en el centro de la Vía Láctea.

La colaboración Event Horizon Telescope (EHT) ha creado una sola imagen (marco superior) del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, llamado Sagittarius A*, o Sgr A*, mediante la fusión de imágenes extraídas de las observaciones del EHT.  Las imágenes también pueden (Foto: EHT Collaboration)

La colaboración Event Horizon Telescope (EHT) ha creado una sola imagen (marco superior) del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, llamado Sagittarius A*, o Sgr A*, mediante la combinación de imágenes extraídas de las observaciones de EHT (Imagen: EHT Colaboración)

La solución parece estar en los agujeros negros de baja masa, muchos de los cuales se observan en las galaxias enanas, señala un artículo publicado el 24 de mayo. En la famosa revista Diario astrofísico. Hay indicios de un eslabón perdido en el crecimiento de los agujeros negros supermasivos.

Las preguntas que deben responderse están estrechamente relacionadas con el momento de la evolución del universo: ¿cómo y por qué los agujeros negros supermasivos ganaron su masa de forma tan masiva? ¿Cómo ha sido este crecimiento a lo largo del tiempo considerando que el universo tiene unos 13 mil millones de años?

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Aún queda un mar desconocido por explorar respecto a estos fenómenos. Sin mencionar la respuesta a la interesante pregunta: después de todo, ¿qué hay «dentro» de un agujero negro? Hay muchas ideas elegantes y sugerencias de respuestas, pero todas ellas aún están lejos de ser probadas.

Rocío Volante

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