¿Existen los hoyos negros ...?
Translation to English: Do Black Holes Exist ...?
Versão em português: Existem os Buracos negros ...?
El término ``hoyo negro'' (o agujero negro) fue inventado por el
astrofísico John
Wheeler en 1969 para describir cierto tipo de objeto astrofísico. Desde
entonces, dicha expresión se ha usado frecuentemente como metáfora, a
menudo inapropiadamente. Estos enigmáticos objetos también se han
convertido en estrellas de la literatura fantástica y de ciencia
ficción, sin duda gracias a su sugestivo nombre y sus extrañas
propiedades. Quien sienta curiosidad acerca de este tema posiblemente se
haya topado con misteriosos embudos, túneles del tiempo, singularidades
y otras temibles aberraciones. Muchas pretendidas obras de divulgación
parecen más relatos fantásticos que intentos de explicar un concepto
esencialmente simple.
¿Pero qué son, en el fondo, estos oscuros portentos de los cielos ...
?
¿existen en realidad ...?
Para tratar de limpiar un poco el nombre de la criatura, comencemos
por aclarar que el concepto de hoyo negro (aunque no su manoseado
nombre) fue esbozado por primera vez por el físico inglés John Michell,
en 1783 ¡Hace más de doscientos años ...!
Puede decirse que a fines del siglo XVII Isaac Newton unió el cielo y
la Tierra. Basándose en los estudios del movimiento de los planetas
hechos por Tycho Brahe y Johannes Kepler, dedujo la existencia de una
fuerza que hacía que el Sol, la Tierra, la Luna y todas las cosas que
contiene el cosmos se atraigan unas a otras: la misma ley que hace que
los planetas se muevan como se mueven es la que nos mantiene con los
pies en el suelo, impidiendo que seamos proyectados al espacio.
Si tiramos una pelota para arriba, ésta irá ascendiendo cada vez más
lentamente, hasta detenerse y comenzar su caída. Cuanto mayor sea la
fuerza con que lancemos la pelota, mayor será la altura que llegue a
alcanzar. Parece tentador asegurar que ``todo lo que sube alguna vez
tiene que bajar'' pero no es así por una sencilla razón: la fuerza de
gravedad de Newton se hace más débil cuanto más lejos nos vamos. Existe
una velocidad límite, llamada velocidad de escape, más allá de la cual
los objetos lanzados no vuelven a caer. La velocidad de escape de la
Tierra es de unos 40000 km/h. Si logramos que un cohete supere dicha
velocidad antes de acabar su combustible, ya no volverá a caer. Gracias
a esto podemos mandar naves a explorar la luna y los planetas.
Naturalmente, cualquiera puede argumentar que por estar en el segundo
piso
o se va a sentir más liviano que en la planta baja. Lo que ocurre
es que, si bien la Tierra empieza justo debajo de nuestros pies, se
extiende por miles de kilómetros de profundidad hasta llegar a las
antípodas. Cuando estamos parados en el suelo estamos a más de seis mil
kilómetros del centro de la Tierra, por lo que alejarnos sólo unos
metros más no altera nuestro peso de forma perceptible.
La velocidad de la luz es de algo más de mil millones de kilómetros
por hora, cosa que es sabida desde la época de Newton, cuando Olaf Römer
la midió por primera vez. Si existiese una estrella cuya velocidad de
escape excediera dicho valor, su luz no podría escapar de ella y,
consecuentemente, no podríamos verla. Esta fue la idea barajada por John
Michell, y es lo hoy en día llamaríamos hoyo negro.
Hace doscientos años no se conocía casi nada de la física de las
estrellas comunes que vemos todas las noches en el cielo, por lo que
ponerse a discutir sobre estrellas que no se pueden ver era algo
superfluo. Pero el tema ha cobrado interés en los últimos decenios, ya que
nuestros conocimientos actuales sobre la evolución de las estrellas
indican que, al fin y al cabo, los hoyos negros podrían existir de
verdad.
Como el sol contiene más de 330000 veces más material que la Tierra,
su velocidad de escape es mucho mayor. Pero el tamaño del Sol también
mucho más grande que la Tierra, por lo que su superficie está muy
alejada de su centro. La velocidad de escape del Sol es sesenta veces
mayor que la de la Tierra, pero todavía insignificante comparada con la
velocidad de la luz.
Una forma de fabricar un hoyo negro es agarrar una estrella y
añadirle más material para que su velocidad de escape aumente, pero este
procedimiento es poco práctico. La alternativa es compactarla
de forma que su superficie quede cada vez más cerca de su centro y su
gravedad sea cada vez más fuerte. Si logramos comprimir la estrella
lo suficiente, también tendremos un hoyo negro.
Por supuesto, deshinchar estrellas tampoco está dentro de nuestro
alcance. Pero las estrellas se mantienen infladas porque están muy
calientes, de igual forma como se inflan los globos aerostáticos. Dicho
calor sale de las reacciones termonucleares que ocurren en su interior,
la más común de las cuales es la misma que hace que las bombas de
hidrógeno exploten. Si esperamos que el hidrógeno (y otros elementos
que puedan servir de ``combustible'') se agoten, la estrella terminará por
enfriarse y se desinflará. Para una estrella como el Sol, este es
un largo proceso en que la estrella primero se infla hasta alcanzar un
volúmen decenas de miles de veces más grande que el que tiene ahora, para
finalmente quedar convertida en una pequeña estrella del tamaño de la
Tierra (el volúmen del Sol, en su estado actual, es más de un millón de
veces mayor). Este tipo de ``cadáver de estrella'' se llama enana blanca.
Por supuesto, no tenemos que esperar a que el Sol agote su
combustible: en el cielo hay muchas estrellas, y algunas de ellas ya se
han convertido en enanas blancas. En 1844, el astrónomo alemán Friedrich
Bessel descubrió que Sirio, la estrella más brillante del cielo,
efectuaba un movimiento de vaivén apenas perceptible. Dedujo entonces
que Sirio debía estar acompañada por otra estrella, y que ambas giraban
una alrededor de la otra dando una vuelta cada cincuenta años. El
problema era que la supuesta estrella no se veía, pero dieciocho años
más tarde fue descubierta. La estrellita en cuestión (se la llama Sirio
B) es similar al Sol en cuanto a la cantidad de materia que contiene,
pero su tamaño es diminuto para una estrella, parecido al de la Tierra
(por eso su brillo es tan pequeño que sólo se pudo descubrir con la
ayuda de un buen telescopio). Fue la primer enana blanca descubierta.
La velocidad de escape de una enana blanca es de unos veinte millones
de km/h, quinientas veces mayor que la de la Tierra pero todavía
cincuenta veces menos que la velocidad de la luz.
Las enanas blancas son extremadamente densas: sólo una cucharadita de
su substancia pesaría en la Tierra más de una tonelada. Sin embargo, se
trata de materia común compuesta por electrones, protones y neutrones,
aunque en un estado muy alterado.
El astrofísico indú Subrahmanyan Chandrasekhar calculó que cuanto
más materia contiene una enana blanca, más se comprime , y encontró que
existe un límite más allá del cual la estrella ya no puede sostener su
propio peso y se frunce hasta alcanzar un tamaño diminuto. Esto ocurre
porque la presión es tan elevada que los electrones penetran en los
núcleos atómicos combinándose con los protones. El físico
soviético Lev Davidovich Landau demostró que, aún después de este
colapso, puede existir otro tipo de cadáver de estrella que se denomina
estrella de neutrones. En esta clase de objeto toda la estrella queda
compactada en una pelota de unos pocos kilómetros de diámetro
¡toda una estrella estrujada hasta tener el tamaño de una
montaña ...! Si cuando una
estrella acaba su combustible utilizable le quedan más de una vez y
media la cantidad de materia del Sol, no podrá sostenerse como enana
blanca sino que se estrujará hasta convertirse en estrella de neutrones.
Las estrellas de neutrones son diminutas, pero si giran rápidamente y
tienen campos magnéticos fuertes es posible detectar su presencia. Se
cree que los pulsares, que son objetos que se detectan con
radiotelescopios (el primero de los cuales fue descubierto por Jocelyn Bell
en 1967), son
estrellas de neutrones en rotación rápida. Muchos de ellos se han
descubierto en lugares donde aún se ven restos de grandes explosiones:
las estrellas que al agotar su combustible sobrepasan el límite de
Chandrasekhar no pueden formar enanas blancas y colapsan emitiendo gran
cantidad de energía al espacio.
Pero las estrellas de neutrones también tienen un límite: si la
cantidad de material que contienen lo excede, también colapsan. ¿Qué les
ocurre entonces ...?
¿Se achican hasta convertirse es un punto
infinitesimal ...? Antes de que esto ocurra, la velocidad de escape se
hace más grande que la de la luz y la estrella ``desaparece''...Por
supuesto que no desaparece físicamente: lo que queda de la estrella
sigue estando ahí, pero ya no podemos verlo porque ya no puede emitir
más luz ni calor. Se ha convertido en un hoyo negro.
¿Existen realmente esas cosas en el cielo ...? Si no podemos verlos,
¿cómo podemos estar seguros de su realidad ...?
Sabemos que hay estrellas con más de cincuenta veces más materia que
el Sol. Ciertamente, a lo largo de sus vidas, estas estrellas expulsan
gran cantidad de gases al espacio, pero es difícil imaginarse que puedan
deshacerse de tanta materia como para evitar transformarse en un hoyo
negro.
Así como Sirio B se descubrió debido al peculiar movimiento de su
compañera más brillante, se conocen numerosos pares estelares en los que
sólo se puede ver una estrella. Uno de estos pares, llamado Cygnus X-1,
emite también rayos X. La interpretación más plausible sugiere que el
objeto que no vemos en Cygnus X-1 es muy pequeño y que parte de los
gases de la atmósfera de la estrella visible caen en él. Así como los
meteoritos se ponen incandecentes y se funden por el frotamiento contra
el aire, los gases que caen en ese objeto compacto se calientan tanto
que emiten rayos X. En principio, este compañero invisible podría ser
una enana blanca (muy débil para ser vista) o una estrella de neutrones,
pero gracias al estudio del movimiento de la estrella que se ve, sabemos
que debe tener más de tres veces más materia que el Sol ¡demasiado peso
para una enana blanca, y también más de lo que puede aguantar una
estrella de neutrones! Lo más probable es que realmente sea un hoyo negro ...
© Pablo G. Ostrov