Qué es un agujero negro: horizonte de sucesos, tamaño y cómo sabemos que existen
Un agujero negro es una región del espacio donde la gravedad es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar una vez que cruza una frontera llamada horizonte de sucesos. Los agujeros negros estelares se forman cuando una estrella masiva se queda sin combustible y su núcleo colapsa, y uno con la masa del Sol tendría un horizonte de solo unos 3 km de radio. No es un agujero, sino una masa enorme concentrada en un espacio muy pequeño.
La pregunta qué es un agujero negro tiene una respuesta corta y una larga lista de cosas que se entienden mal: no es una aspiradora cósmica, no es un agujero en nada y, desde 2019, tampoco es solo un dibujo. Esta guía da primero la definición, luego el tamaño de un agujero negro como un número que se puede calcular, qué pasaría cerca de uno y las pruebas de que son reales. La lectura lleva unos seis minutos.
Ideas principales
- Un agujero negro es una masa tan concentrada que la velocidad de escape en su horizonte de sucesos supera la velocidad de la luz, 299 792 km/s, así que nada puede volver a salir.
- El tamaño del horizonte es r = 2GM/c², unos 2,95 km por cada masa solar: el Sol sería un agujero negro de 3 km de radio y la Tierra uno de unos 9 mm.
- Un agujero negro no atrae todo desde lejos: si sustituyes el Sol por uno de la misma masa, los planetas mantienen sus órbitas. El peligro está solo cerca del horizonte, donde las fuerzas de marea estiran la materia, lo que se llama espaguetización.
- Las pruebas son directas: LIGO detectó en septiembre de 2015 ondas gravitacionales de agujeros negros que se fusionaban, y el Telescopio del Horizonte de Sucesos obtuvo la imagen de la sombra de M87* en 2019 y de Sagitario A* en 2022.
- Lo que ocurre dentro del horizonte se desconoce: la relatividad general predice una singularidad, pero allí la física tal como la conocemos deja de funcionar.
La respuesta corta: una gravedad tan fuerte que la luz no puede salir
Lanza una pelota hacia arriba y volverá a caer, a menos que la lances más rápido que la velocidad de escape, que para la Tierra es de 11,2 km/s. Cuanto más pesado y pequeño es un objeto, mayor es esa velocidad. Si la masa se comprime tanto que la velocidad de escape a cierta distancia supera la de la luz, 299 792 km/s, nada puede salir desde dentro de esa distancia. Esa frontera es el horizonte de sucesos.
La NASA subraya que el horizonte de sucesos no es una superficie como la de la Tierra o el Sol. Es una frontera que encierra toda la materia del agujero negro, y desde fuera no se puede ver lo que hay dentro. La relatividad general predice en el centro un punto de densidad infinita, la singularidad, pero los científicos coinciden en que allí nuestra física deja de funcionar, y la NASA señala que hay mucho que no sabemos sobre cómo es la materia dentro del horizonte.
Cómo se forma un agujero negro y qué tan pequeño es
El tipo más conocido, el agujero negro estelar, nace cuando una estrella masiva se queda sin combustible. El núcleo ya no soporta el peso de la estrella, colapsa y, en muchos casos, las capas externas salen despedidas en una explosión de supernova. Se piensa que estrellas de muy aproximadamente 20 masas solares o más dejan agujeros negros, aunque el límite exacto es incierto. El agujero negro más ligero conocido, según la NASA, tiene solo 3,8 veces la masa del Sol. La idea de una estrella tan pesada que la luz no pudiera escapar la planteó por primera vez John Michell en 1783.
En 1916, pocos meses después de que Einstein publicara la relatividad general, Karl Schwarzschild halló el tamaño del horizonte: r = 2GM / c², donde G es la constante gravitatoria, M la masa y c la velocidad de la luz. Para una masa solar resulta unos 2,95 km. Así, el Sol comprimido en una bola de 3 km de radio sería un agujero negro, y la Tierra tendría que comprimirse hasta unos 9 milímetros, el tamaño de un guisante.
El radio crece en proporción a la masa, unos 2,95 km por masa solar. El agujero negro del centro de nuestra Galaxia, Sagitario A*, tiene unos 4 millones de masas solares y un radio de horizonte de unos 12 millones de km. M87*, en una galaxia cercana, tiene unos 6500 millones de masas solares y un horizonte con un radio de unas 130 veces la distancia de la Tierra al Sol, más ancho que todo nuestro sistema planetario.
Qué pasaría cerca de uno
Un agujero negro no aspira cosas desde lejos. La NASA recuerda que si se sustituyera el Sol por un agujero negro de la misma masa, el sistema solar se enfriaría mucho, pero los planetas seguirían en sus órbitas. La gravedad a distancia depende solo de la masa, y la del Sol no cambiaría. El peligro está solo en acercarse.
La gravedad aumenta al acercarse, y la atracción sobre tus pies sería mayor que sobre tu cabeza. Esta diferencia, la fuerza de marea, estira a un astronauta hasta darle una forma larga y fina, y los científicos lo llaman espaguetización. Cerca de un agujero negro pequeño ocurre antes del horizonte, mientras que cerca de uno gigante cruzarías el horizonte antes de que el estiramiento fuera mortal.
La gravedad también frena el tiempo. Un reloj cerca del horizonte avanza más despacio, visto desde lejos. Una forma más débil del mismo efecto es real y está medida: los relojes de los satélites GPS marchan a un ritmo ligeramente distinto al de los relojes en tierra, y el sistema lo corrige.
Cómo sabemos que existen los agujeros negros
El 14 de septiembre de 2015 los detectores LIGO registraron ondas gravitacionales, ondulaciones del espacio-tiempo, de dos agujeros negros que se fusionaban a unos 1300 millones de años luz. Tenían unas 36 y 29 masas solares y se fundieron en uno de unas 62, de modo que unas 3 masas solares se convirtieron en ondas gravitacionales según E = mc². LIGO puede detectar un cambio de longitud menor que una diezmilésima del ancho de un protón. El descubrimiento se anunció el 11 de febrero de 2016.
El 10 de abril de 2019 el Telescopio del Horizonte de Sucesos, una red de radiotelescopios en varios continentes que funciona como un único telescopio del tamaño de la Tierra, mostró la primera imagen de un agujero negro: un anillo brillante alrededor de una sombra oscura en el corazón de la galaxia M87, a 55 millones de años luz. En mayo de 2022 el mismo equipo presentó el agujero negro del centro de la Vía Láctea, Sagitario A*, a unos 27 000 años luz. Estas imágenes las construyen los ordenadores a partir de señales de radio, no se toman como una fotografía normal.
El Premio Nobel de Física de 2020 fue, la mitad, para Roger Penrose por demostrar que la formación de agujeros negros es una predicción sólida de la relatividad general, y la otra mitad para Reinhard Genzel y Andrea Ghez por descubrir un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra Galaxia siguiendo las órbitas de estrellas a su alrededor. El agujero negro conocido más cercano, Gaia BH1, está a unos 1500 años luz de nosotros, según la NASA, así que no hay peligro para la Tierra.
Cómo lo muestra el VJOURNAL SMART BOOK
El capítulo «Agujeros negros» del SMART BOOK gratuito «Todo sobre todo», tomo II, en VITON13 SCHOOL sigue estas ideas en cinco momentos breves. Junto al texto hay una imagen 3D viva que se puede girar con el dedo o el ratón.
Bajo la imagen hay un laboratorio de pruebas donde mueves la masa y lees el radio del horizonte. El capítulo trata además de la espaguetización y el tiempo frenado, la sombra de M87* y la imagen de Sagitario A*, y las primeras ondas gravitacionales, y termina con un test de tres preguntas con explicaciones y fuentes que puedes abrir.
En palabras sencillas
Imagina una colina tan empinada que, para salir, tendrías que correr más rápido que la luz, algo que nada puede hacer. Un agujero negro es esa colina en el espacio. Su borde es el horizonte de sucesos, y dentro todos los caminos llevan solo hacia dentro.
Pruébalo
Usa la regla r ≈ 2,95 km × (masa en masas solares) para hallar el radio del horizonte de agujeros negros de 3, 10 y 100 masas solares.
Resultado esperado
Unos 8,9 km, 29,5 km y 295 km. Un agujero negro con la masa de una estrella grande no es más grande que una ciudad, y el radio crece al mismo ritmo que la masa.
Comprueba tu respuesta: Sagitario A* tiene unos 4 millones de masas solares. ¿Cuánto mide aproximadamente el radio de su horizonte y cómo se compara con el radio del Sol, de 696 000 km?
4 000 000 × 2,95 km son unos 11,8 millones de km, es decir, unos 12 millones de km. Es unas 17 veces el radio del Sol, pero menos que la distancia del Sol a Mercurio.
Preguntas y respuestas
¿Puede un agujero negro tragarse la Tierra o el Sol?
No desde lejos. A distancia, un agujero negro atrae igual que cualquier objeto de la misma masa. El más cercano conocido, Gaia BH1, está a unos 1500 años luz, según la NASA.
¿Qué hay dentro de un agujero negro?
Nadie lo sabe. La relatividad general predice una singularidad de densidad infinita, pero allí la física conocida se rompe, y ninguna observación puede mirar dentro del horizonte de sucesos.
¿Qué tamaño tiene el agujero negro más grande?
La NASA cita TON 618 como el más masivo observado, con unos 66 000 millones de veces la masa del Sol. Son valores estimados y el récord puede cambiar.
¿Se puede ver un agujero negro?
No vemos el agujero en sí, pero sí el gas caliente que lo rodea y su sombra oscura. El Telescopio del Horizonte de Sucesos obtuvo imágenes de M87* en 2019 y de Sagitario A* en 2022.
¿Qué pasaría si cayeras en un agujero negro?
Las fuerzas de marea te estirarían, la espaguetización, y los relojes cerca del horizonte irían lentos vistos desde fuera. Dónde exactamente el estiramiento se vuelve mortal depende de la masa del agujero negro.
¿Duran para siempre los agujeros negros?
En teoría pierden energía poco a poco como radiación de Hawking. Para un agujero negro de una masa solar es tan débil que la evaporación tardaría mucho más que la edad actual del Universo, y esa radiación nunca se ha observado.
Recuerda la definición en una línea: un agujero negro es una masa tan comprimida que nada, ni la luz, puede salir desde dentro de su horizonte de sucesos, y su tamaño crece unos 2,95 km por cada masa solar. Después abre el capítulo y mueve la masa en el laboratorio de pruebas.
Fuentes y lecturas
- NASA Science: Black holes (essential facts) ↗Fuentes revisadas:
- LIGO Caltech: Observation of gravitational waves from a binary black hole merger (GW150914) ↗Fuentes revisadas:
- ESO: Astronomers capture the first image of a black hole (M87*, 2019) ↗Fuentes revisadas:
- ESO: First image of the black hole at the centre of our Galaxy (Sagittarius A*, 2022) ↗Fuentes revisadas:
- Nobel Prize in Physics 2020: press release (Penrose, Genzel, Ghez) ↗Fuentes revisadas: