Stephen Hawking tenía razón: los agujeros negros simplemente no pueden encogerse.

Por primera vez, hemos observado un teorema de Stephen Hawking de hace 50 años en el mundo natural. Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), el Instituto Tecnológico de California, la Universidad de Cornell y la Universidad de Stony Brook analizaron los datos de las ondas gravitacionales de dos agujeros negros inspiradores. Lo que encontraron en la colisión demostró el teorema del área de Hawking: el área del horizonte de sucesos de un agujero negro no puede reducirse.

Cuando un sistema binario de agujeros negros se inspira, las órbitas de los dos agujeros negros se encogen y el sistema comienza a emitir ondas gravitacionales. La tasa de emisión aumenta a medida que las órbitas se encogen más y ganan velocidad, y cuando finalmente se produce la fusión, la emisión de ondas alcanza su punto máximo. Los dos agujeros negros se convierten en un único y nuevo agujero negro y, según el teorema de Hawking, ese nuevo agujero negro debería tener una superficie igual a la de los dos agujeros negros originales. Eso es exactamente lo que los investigadores encontraron según los datos de las ondas del sistema inspirador observado.

La confirmación nos acerca a la comprensión de los entresijos de las funciones de los agujeros negros, afirma el doctor Riccardo Penco, profesor adjunto de Teoría de la Física de Altas Energías en la Universidad Carnegie Mellon. "La detección de las ondas gravitacionales nos permite probar los agujeros negros directamente (en lugar de sólo inferir su existencia indirectamente mediante el estudio del movimiento de otros objetos a su alrededor). Durante mucho tiempo, hemos estudiado los agujeros negros como objetos matemáticos dotados de un notable conjunto de propiedades (la ley de área de Hawking es una de ellas). Ahora estamos en condiciones de comprobar estas propiedades experimentalmente".

Según los cálculos de Hawking, si un agujero negro cambia de área, su horizonte de sucesos se estiraría o estrecharía en correspondencia con su nuevo tamaño. El horizonte de sucesos, el área de efecto del campo gravitatorio de un agujero negro, es el punto de no retorno para cualquier cosa -incluida la luz- que orbite el agujero negro. Un objeto tendría que viajar más rápido que la velocidad de la luz para poder escapar.

Penco afirma que el Teorema de Hawking es válido para los agujeros negros observados por el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) -un par de instalaciones estadounidenses construidas para estudiar las ondas gravitacionales-, cuyo trabajo utilizaron estos investigadores para sus hallazgos. Pero el Teorema de Hawking podría aplicarse también a otros agujeros negros, aquellos que al principio parecen desafiar el Teorema hasta que se demuestran aplicables a otro concepto hipotetizado por el físico.

"Hawking demostró que cuando se tienen en cuenta los efectos de la mecánica cuántica [como el comportamiento de la materia subatómica y de la luz], un agujero negro puede reducir espontáneamente su superficie con el tiempo mediante la emisión de radiación", dice Penco. La evaporación de los agujeros negros, también llamada radiación de Hawking (véase el recuadro), es la radiación electromagnética teórica que expulsan espontáneamente los agujeros negros. Así que el Teorema de la Superficie de Hawking tiene una excepción, la radiación de Hawking, pregonada por el propio Hawking.

☢️ ¿Qué es la radiación Hawking?

Propuesta en 1974, la radiación de Hawking podría hacer que un agujero negro se encogiera. Los pares de partículas subatómicas cerca del horizonte de sucesos podrían dividirse, con una partícula -un fotón o un neutrino, quizás- escapando y otra, de energía negativa, desapareciendo en el agujero negro. Esta afluencia de energía negativa podría acabar reduciendo la masa del agujero negro hasta su desaparición. Esto significa que el tamaño de un agujero negro es inversamente proporcional a su temperatura: cuanto más pequeño es el agujero negro, más caliente está.

—Daisy Hernandez

LIGO detectó la primera señal de ondas gravitacionales en este estudio -esencialmente una ondulación en el espacio-tiempo resultante de las interacciones cósmicas- en 2015. Descubrieron que la señal era el producto de la fusión de dos agujeros negros (que suelen causar las ondas gravitacionales más fuertes), junto con una gran cantidad de energía que ondulaba en el continuo espacio-tiempo.

Los investigadores plantearon que, si el teorema del área de Hawking se cumplía, el área del horizonte de sucesos del nuevo agujero negro creado a partir de la fusión no sería menor que el área total del horizonte de sucesos de sus agujeros negros padres. Para comprobar su hipótesis, dividieron los datos de las ondas gravitacionales del sistema en dos secciones -antes y después de la fusión- y luego analizaron ambas secciones para ver cómo se comparaban las áreas del horizonte de sucesos. A continuación, los científicos volvieron a analizar los datos de las ondas y descubrieron que las dos áreas son estadísticamente iguales -el área total del horizonte de sucesos no disminuyó tras la colisión- dentro de un margen de confianza del 95 por ciento.

Por tanto, el análisis parece indicar que las leyes de la física "normal", como la ley de conservación de la masa, pueden seguir aplicándose al estudio de los agujeros negros, donde la física puede volverse más teórica en situaciones desconocidas para la experiencia humana en la Tierra. Trabajar a la inversa, observando datos de la vida real para interrogar las leyes que podrían regir el comportamiento de los agujeros negros, podría ser una forma práctica de hacer avanzar todo el campo de la cosmología. Con esta fusión de agujeros negros, otros científicos tienen ahora un ejemplo concreto al que referirse para seguir estudiando el espacio.

Aun así, Penco dice que esto "no altera fundamentalmente nuestra comprensión de los agujeros negros sólo porque confirma nuestras expectativas teóricas". Confirmar una teoría nos ayuda a comprender mejor la mecánica de misteriosos fenómenos cósmicos como los agujeros negros, pero también crea un vínculo más importante entre la experiencia científica táctil en la Tierra y la ciencia teórica del espacio. "Siempre es importante poder confirmarlo experimentalmente", dice Penco. "Es un paso más hacia una comprensión más profunda de los agujeros negros".

La "tormenta" de agujeros negros que sacudió el universo

Hace 13.000 millones de años los agujeros negros del centro de las galaxias estaban conectados entre sí.

Casi todas las galaxias que conocemos tienen un agujero negro supermasivo en su centro. Por ejemplo, la nuestra, la Vía Láctea, contiene Sagitario A, un agujero negro 4,3 millones de veces mayor que el Sol (aunque hay teorías que niegan su existencia).

Estos enormes objetos parecen vivir y evolucionar en estrecha relación unos con otros, quizás a través de lo que podríamos llamar "vientos", generados por su actividad gravitatoria, que son expulsados hacia el exterior.

"La pregunta es: ¿cuándo se originaron los vientos galácticos en el universo?" Takuma Izumi, investigador del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), dijo en una nota. "Esta es una pregunta importante porque está relacionada con un problema importante en astronomía: ¿cómo coevolucionaron las galaxias y los agujeros negros supermasivos?"

Takumi dirigió un equipo de investigadores que profundizó en estas cuestiones. Utilizando el telescopio Subaru del NAOJ en Hawai, los científicos han descubierto más de 100 agujeros negros supermasivos (hace poco se descubrió un agujero negro muy cerca de la Tierra) que se encuentran al menos a 13.000 millones de años luz de la Tierra, lo que significa que existieron hace más de 13.000 millones de años, poco después de que se formara el universo, por lo que sabemos.

"Nuestras observaciones apoyan recientes simulaciones informáticas de alta precisión que predecían cómo las relaciones coevolutivas estaban en marcha incluso hace unos 13.000 millones de años", dijo Izumi. "Estamos planeando observar un gran número de estos objetos en el futuro y esperamos aclarar si este crecimiento primordial es una imagen exacta del universo en ese momento".

¿Te gustan los temas sobre el universo? Pues aquí te contamos todo lo que necesitas saber sobre las estrellas

Quizá no haya un agujero negro en el centro de la galaxia, y eso lo cambia todo...

Una nueva teoría apunta a la presencia de otro objeto en el centro de la Vía Láctea.

Los que hay en el centro de nuestra galaxia siempre ha sido un tema de estudio muy apasionante, precisamente porque la respuesta sería crucial para entender la historia de todo lo que nos rodea.

Hasta ahora, la respuesta más convincente ha sido la siguiente: en el centro de la Vía Láctea (¿sabías que podría haber otras 35 civilizaciones alienígenas en nuestra galaxia?) se encuentra Sagitario A, un agujero negro supermasivo que tiene 4 millones de veces la masa del Sol. Formulamos esta teoría observando la órbita de algunas estrellas (aquí te contamos todo lo que necesitas saber sobre ellas) como So-2. Algunos científicos han puesto el ejemplo del agua que corre por el desagüe de un fregadero. Podrías ver la espuma que gira y suponer a dónde va.

Ahora, sin embargo, están apareciendo nuevos indicios sobre el comportamiento de algunos objetos cercanos al centro que están convenciendo a algunos científicos de que podría haber algo más ahí abajo, algo que nunca habíamos pensado.

En 2020, un equipo de investigación publicó los resultados de que los objetos espaciales G2 y S2 experimentarían un tipo de atracción gravitatoria propia de un tipo específico de materia oscura. De ser aceptada por la comunidad científica, esta noticia revolucionaría lo que hemos creído hasta ahora sobre la naturaleza de nuestra galaxia.

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Los enormes agujeros negros que vagan por la galaxia

Una investigación ha dado una respuesta inesperada... y es verdaderamente escalofriante.

 En el sitio web de SYFY WIRE, Phil Plait ha realizado una pequeña investigación sobre un tema muy importante relacionado con los agujeros negros gigantes (realmente grandes) de nuestra galaxia. ¿Cuántos hay? ¿Qué tamaño tienen? ¿Debemos tener miedo?

"Probablemente hay decenas de millones de ellos en la Vía Láctea, lo que suena aterrador hasta que te das cuenta de que hay literalmente decenas de billones de años luz cúbicos en la galaxia donde pueden permanecer perfectamente aislados".

"Pero esos serían lo que llamamos agujeros negros de masa estelar, unos de tal vez tres a cien veces la masa del Sol. Hay otros mucho más grandes, llamados agujeros negros de masa intermedia, de unos cientos a unos cientos de miles de veces la masa del Sol. ¿Cuántos de ellos podrían estar ahí fuera?"

No está muy claro cómo se forman estos agujeros negros de masa intermedia, pero se cree que casi siempre pertenecen a galaxias enanas, más pequeñas que la Vía Láctea pero que orbitan alrededor de ésta. Cuando galaxias de tamaños tan diferentes chocan, normalmente la grande canibaliza a la pequeña y aniquila todas sus estrellas, o si las estrellas se mantienen firmes alrededor del agujero negro es posible que todas se desplacen juntas a este nuevo entorno.

"Los astrónomos utilizaron por primera vez modelos físicos de agujeros negros, galaxias enanas y estrellas para determinar el aspecto que tendría un objeto de este tipo en la actualidad: los llaman cúmulos estelares hipercompactos porque, literalmente, sólo tendrían unos pocos años luz de diámetro..."

"Entonces recurrieron a Gaia, un observatorio de la Agencia Espacial Europea que ha cartografiado las posiciones, movimientos y distancias de más de mil millones de estrellas de nuestra galaxia. Utilizando sus modelos de cúmulos, buscaron lugares en el cielo donde hubiera un número inusual de estrellas en un punto, con todas las estrellas a la misma distancia y moviéndose juntas en el espacio".

¿El resultado? De los 86 candidatos encontrados en las observaciones de Gaia y DECam (que cubren 8.000 grados cuadrados, ¡una quinta parte de todo el cielo!), el número de ellos que resultaron ser cúmulos estelares hipercompactos que orbitan un agujero negro de masa intermedia fue... cero. Sorpresa total.

Es lógico que pueda haber cientos, quizá miles, de estos agujeros negros orbitando tranquila y silenciosamente el centro de la Vía Láctea. Todas las pistas que vemos nos llevan a esta conclusión, desde las corrientes estelares hasta determinados cúmulos globulares. Sólo tenemos que averiguar cómo verlos.

Cómo saltar con seguridad a un agujero negro

Aunque no te lo recomendamos...

Nuestro conocimiento de los agujeros negros se ha disparado en los últimos años, con trabajos emblemáticos como la fotografía del agujero negro supermasivo de la galaxia Messier 87 y el reciente descubrimiento de un "diminuto" agujero negro de tres masas solares en nuestra propia galaxia. Pero, ¿cómo sería dar el siguiente salto: visitar -e incluso entrar- en un agujero negro? Hemos preguntado a los expertos.

En primer lugar, para sobrevivir lo suficiente como para explorar un agujero negro, hay que encontrar uno grande, dice la doctora Janna Levin, astrofísica del Barnard College de la Universidad de Columbia. Los agujeros negros (¿sabes lo que pasó durante la "tormenta" de agujeros negros que sacudió el universo?) se forman cuando la materia se condensa en una pequeña cantidad de espacio, como cuando una estrella masiva colapsa sobre sí misma. Esto crea un punto de gravedad infinitamente fuerte -una singularidad- y una región circundante que atrapa cualquier cosa que se acerque demasiado, llamada horizonte de sucesos.

A medida que la materia se apila en la singularidad central de un agujero negro, su horizonte de sucesos crece. Esto significa que si uno entra en un agujero negro pequeño (como el que hemos descubierto hace poco muy cerca de la Tierra) -por ejemplo, de 160 kilómetros de diámetro-, lo hará relativamente cerca de su punto de gravedad infinita. El cambio de gravedad, incluso antes del horizonte de sucesos, sería tan pronunciado que te estirarías constantemente de la cabeza a los pies en un proceso irreverentemente llamado espaguetización (no te pierdas la increíble foto de una estrella espaguetizada alrededor de un agujero negro que pasará a la historia).

En su lugar, deberías apuntar a un agujero negro supermasivo, como el que hay en M87, que es más de 3 millones de veces más ancho que la Tierra. Estarías tan lejos de la singularidad cuando cruzaras el horizonte de sucesos -unos 19.000 millones de kilómetros- que sería "tan poco espectacular como entrar en la sombra de un árbol", dice Levin. Simplemente se cruzaría flotando, y se seguiría flotando, durante un tiempo". En los agujeros negros más grandes, añade Levin, "podrías aguantar un año antes de ser finalmente demolido en el centro".

A continuación, hay que evitar los agujeros negros con discos de acreción. Alrededor del 1% de los agujeros negros supermasivos acumulan estos anillos de materia que giran rápidamente. Pueden calentarse hasta millones de grados y crear "algunos de los mayores campos magnéticos que hemos medido", dice el doctor Leo Rodríguez, físico teórico del Grinnell College de Iowa. Unos campos magnéticos tan potentes apagarían tu sistema nervioso y estirarían tus átomos hasta convertirlos en barras delgadas hasta que te disolvieras. Pero si te ves presionado por las opciones, dice Levin, podrías intentar entrar en uno de estos agujeros negros perpendicularmente al disco, lejos del borde del anillo ardiente.

¿Cómo estudian los científicos los agujeros negros?

La innovadora instantánea de M87*, el agujero negro supermasivo situado en el centro de la galaxia M87, a unos 55 millones de años luz de la Tierra, fue producto del Event Horizon Telescope, una colaboración internacional entre más de 200 investigadores. Mediante una técnica denominada interferometría de línea de base muy larga, ocho observatorios de radio terrestres sincronizados de todo el mundo formaron, en esencia, un radiotelescopio del tamaño de la Tierra lo suficientemente potente como para realizar observaciones de alta resolución aproximadamente 4.000 veces superiores a las del telescopio espacial Hubble.

El equipo ha publicado recientemente imágenes adicionales que revelan el ritmo al que M87* engulle su entorno y muestran la estructura en forma de red de las líneas de campo magnético, que se arremolinan alrededor del agujero negro y dan forma a enormes chorros de partículas energéticas que emanan de su centro.

— Jennifer Leman

Si todavía no estás seguro de cruzar al (casi) seguro olvido, también puedes sondear la ergosfera del agujero negro. Se trata de la región situada justo fuera del horizonte de sucesos, donde el espacio gira con el agujero negro. "La gente ha teorizado que probablemente podría haber sistemas solares enteros viviendo dentro de esta zona", dice Rodríguez. En este punto, todavía se podría intentar un gran escape. Lanzando, por ejemplo, un pequeño asteroide al interior de un agujero negro, se podría robar parte de la energía de giro del agujero negro y ponerse "a salvo", dice Rodríguez.

Si te has preparado para la gran inmersión, te espera un espectáculo. Al acercarte al agujero negro, verás la luz del universo deformada por la intensa gravedad del agujero negro. "Será como cruzar un espejo de feria", dice Levin. La luz de las estrellas se extenderá por el cielo, y es posible que se vean copias de los mismos objetos a medida que el agujero negro vaya curvando la luz que rebota en ellos. Pero el espectáculo de luz no termina ahí. El interior de un agujero negro no es negro. En cambio, es una ventana unidireccional al universo que contiene eones de luz atrapada. "Se podría ver toda la historia del agujero negro desde que se formó", dice Rodríguez.

El tiempo se ralentiza cerca de la intensa gravedad de un agujero negro. Para el mundo exterior, te has ralentizado tanto que eres una imagen congelada en el horizonte de sucesos, aunque ya estés dentro. Pero desde tu perspectiva, el movimiento del universo se ha acelerado. Si miras hacia atrás mientras flotas hacia la singularidad, puedes ver cómo el universo pasa sin ti. "Estarías viendo la película de toda la galaxia desplegada delante de ti antes de morir", dice Levin.

Todavía hay una salida potencial, pero se encuentra en un reino lejano de la física teórica. Tu agujero negro podría funcionar como un agujero de gusano que te transportara a otra parte del universo, aunque desintegrado en sus partículas más elementales, dice Levin. "Lo único que puedes esperar es que tu información cuántica consiga salir del agujero negro, y que algún alma bondadosa pase una eternidad rearmando la máquina biológica que eras tú".

Los agujeros negros podrían no ser negros... e incluso ni siquiera agujeros

Su verdadera naturaleza podría explicar por fin los orígenes de la materia oscura y las ráfagas de radio rápidas.

¿Y si los agujeros negros, esos gigantes gravitatorios del cosmos que todo lo consumen, no son en realidad negros, ni siquiera agujeros? Una nueva teoría sugiere que los agujeros negros podrían ser estrellas oscuras con núcleos de una materia exótica extremadamente densa. Esto podría ayudar a explicar uno de los mayores misterios del universo: el origen y la naturaleza de la materia oscura.

Los agujeros negros son ejemplos reales de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein llevada al extremo. Son lugares del universo donde cantidades enormemente densas de materia estiran el tejido del espacio y el tiempo hasta su límite, formando un pozo gravitatorio infinitamente profundo del que ni siquiera la luz puede escapar, de ahí el nombre de "agujero negro".

Los científicos creen que en el centro de cada agujero negro se encuentra un punto infinitamente pequeño y denso llamado singularidad. La gravedad es tan fuerte en la singularidad que forma un horizonte de sucesos a su alrededor, donde la atracción de la gravedad supera incluso la velocidad de la luz.

En las singularidades infinitamente pequeñas, las leyes de la física se rompen. Es entonces cuando se enfrentan dos campos aparentemente opuestos de la física: la mecánica cuántica (que describe lo súper pequeño) y la relatividad general (que describe lo muy grande). Al estudiar la naturaleza de los agujeros negros, los investigadores esperan combinar ambos campos en una teoría unificada de la gravedad cuántica.

Pero, ¿cuál es el problema? La singularidad parece ser físicamente imposible, porque la materia no es capaz de colapsar en un punto infinitamente pequeño.

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Los físicos han esquivado inteligentemente este problema inventando sus propios agujeros negros sin singularidad, a los que llaman "estrellas oscuras". Estas imaginativas creaciones parecen agujeros negros por fuera, pero en su interior contienen un núcleo extremadamente denso (pero no infinito) de materia comprimida a la escala más pequeña posible, o un "núcleo de Planck". Toma su nombre de la increíblemente pequeña unidad de medida fundamental llamada longitud de Planck, que es del orden de 10^-35 metros, o sea, aproximadamente 100 billones de veces más pequeña que un protón.

Sin una singularidad en su centro, una estrella oscura podría, en teoría, permitir que la luz escapara de su poderoso agarre gravitatorio. Cualquier luz que escapara del agujero negro se estiraría como un muelle por la atracción gravitatoria de la estrella oscura, un fenómeno observable que los científicos llaman corrimiento al rojo.

"En campos gravitatorios fuertes, las estrellas oscuras se comportan de forma interesante", escribe el físico Igor Nikitin, del Instituto Fraunhofer de Algoritmos y Computación Científica de Alemania, en su nuevo artículo, que aparece en el servidor de preimpresiones arXiv:

"En primer lugar, el horizonte de sucesos, típico de los agujeros negros reales, se borra. En su lugar, se forma un profundo pozo gravitatorio, donde los valores del corrimiento al rojo se vuelven enormemente grandes. Como resultado, para un observador externo la estrella parece negra, como un verdadero agujero negro".

Si este fenómeno existe, Nikitin dice que podría ayudar a explicar la verdadera naturaleza de la materia oscura.

Los astrónomos descubrieron por primera vez la existencia de la materia oscura cuando observaron que la rotación de las estrellas alrededor de las galaxias era demasiado rápida, dada la cantidad de materia que podían ver. Ahora sabemos que aproximadamente el 85% de la masa del universo es materia oscura, completamente invisible para los humanos. Sin embargo, a pesar de saber que la materia oscura está ahí fuera, los científicos aún no saben realmente de dónde procede.

Según la investigación de Nikitin, si los agujeros negros contienen núcleos de Planck, podrían ser una fuente potencial de materia oscura. Su estudio sugiere que las estrellas oscuras podrían emitir continuamente un flujo de partículas en forma de materia oscura, lo suficiente para explicar la rápida rotación de las estrellas alrededor de las galaxias.

"Otra posibilidad fascinante es que la materia oscura esté compuesta por partículas conocidas, colocadas en una condición inusual", dice Nikitin.

Las partículas podrían ser tan simples como partículas de luz, o fotones, que han sido desplazadas al rojo a longitudes de onda tan amplias, que serían prácticamente invisibles para los radiotelescopios modernos, dice. "Es una longitud de onda extremadamente grande, de unos 4 días luz, 16 veces la distancia Sol-Plutón".

La energía de estos fotones sería excesivamente pequeña, pero podrían ser lo suficientemente abundantes en número como para explicar el inusual movimiento de las estrellas alrededor de sus galaxias.

Nikitin también dice que su teoría podría explicar otro misterio no resuelto del cosmos: el origen de las ráfagas de radio rápidas (FRB).

Los astrónomos descubrieron por primera vez estas potentes ráfagas de ondas de radio de corta duración en 2007, pero su origen y naturaleza siguen siendo un misterio para los científicos. Si un objeto como un asteroide cayera en un núcleo de Planck, dice Nitkin, podría liberarse un destello de ondas de luz de alta energía. La poderosa gravedad de la estrella oscura desplazaría al rojo la luz, creando una aparente FRB detectable en la Tierra.

Aunque las estrellas oscuras podrían ayudar a resolver dos de los mayores misterios del universo, todavía hay una montaña de pruebas observacionales que la idea de Nitkin tendría que explicar para sustituir la teoría ampliamente aceptada de los agujeros negros. Sin embargo, su teoría demuestra que el pensamiento innovador puede aportar soluciones creativas a problemas aparentemente imposibles.