Capítulo 6 · De una estrella que colapsa a una onda en el espacio-tiempo
Agujeros negros
El punto sin retorno
Imagina que lanzas una pelota hacia arriba. Vuelve a caer, salvo que la lances a la velocidad de escape, que para la Tierra es de 11,2 km/s. Cuanto más pesado y más pequeño es un objeto, mayor es esa velocidad. Cuando una estrella masiva se queda sin combustible, su núcleo puede colapsar tanto que la velocidad de escape supera la de la luz, 299.792 km/s. El límite donde ocurre esto es el horizonte de sucesos. Dentro de él nada puede volver a salir, ni siquiera la luz. Se piensa que las estrellas de más de unas 20 veces la masa del Sol terminan así. La idea de una estrella oscura la planteó por primera vez John Michell en 1783.
¿Qué tamaño tiene un agujero negro?
En 1916, pocos meses después de que Einstein publicara la relatividad general, Karl Schwarzschild halló el tamaño del horizonte: r = 2GM dividido entre c al cuadrado, donde G es la constante gravitatoria, M la masa y c la velocidad de la luz. Ejemplo resuelto para el Sol: su masa da una r de unos 2,95 kilómetros, así que el Sol comprimido en una bola de 3 km de radio sería un agujero negro. Para la Tierra el radio es de unos 9 milímetros, el tamaño de un guisante. En el laboratorio mueve la masa y mira el radio. El agujero negro central de la Vía Láctea, Sgr A*, tiene unas 4 millones de masas solares y un radio de unos 12 millones de km.
Espaguetización
Un agujero negro no aspira. Si se sustituyera el Sol por un agujero negro de la misma masa, la Tierra seguiría orbitando igual que ahora. El peligro está solo en acercarse. La gravedad aumenta al aproximarte, y la atracción en tus pies es mayor que en tu cabeza. Esta diferencia, llamada fuerza de marea, estira a un astronauta hasta darle una forma larga y fina, que los científicos llaman espaguetización. En un agujero negro pequeño ocurre antes del horizonte, y en uno gigante, dentro de él. La gravedad también frena el tiempo: un reloj cerca del horizonte marcha más despacio, visto desde lejos. Una versión más débil del mismo efecto se corrige en los relojes de los satélites GPS.
La sombra de M87*
Un agujero negro es oscuro, pero el gas que lo rodea brilla. El 10 de abril de 2019 el Event Horizon Telescope, una red de radiotelescopios en varios continentes que actúa como un telescopio del tamaño de la Tierra, mostró la primera imagen de un agujero negro: un anillo brillante alrededor de una sombra oscura en la galaxia M87, a unos 55 millones de años luz. El agujero negro tiene una masa de unos 6.500 millones de Soles, y su horizonte mide unas 130 veces la distancia de la Tierra al Sol, más ancho que todo nuestro sistema planetario. El anillo es asimétrico porque el gas de un lado se mueve hacia nosotros.
Nuestro propio agujero negro
El 12 de mayo de 2022 el mismo equipo presentó el agujero negro del centro de nuestra galaxia, Sagitario A*, a unos 27.000 años luz de nosotros. Es mucho más pequeño, de unos 4 millones de masas solares, y el gas que lo rodea cambia en cuestión de minutos, lo que hizo más difícil obtener la imagen. También muestra un anillo. Las dos imágenes, la del gigante más grande y la del gigante más cercano, se parecen, lo cual respalda la relatividad general de Einstein. La imagen no es una fotografía en el sentido corriente: se montó con señales de radio registradas en distintos lugares y combinadas por ordenadores.
Ondas de una colisión
Cuando dos agujeros negros giran uno alrededor del otro y se fusionan, sacuden el propio espacio y emiten ondas gravitacionales. LIGO detectó las primeras el 14 de septiembre de 2015 y las anunció el 11 de febrero de 2016. Dos agujeros negros de 36 y 29 Soles se fusionaron en uno de 62, a 1.300 millones de años luz. Ejemplo resuelto: 36 + 29 = 65, pero quedaron 62, así que unas 3 masas solares desaparecieron y se convirtieron en ondas gravitacionales mediante E = mc². LIGO midió un cambio de longitud miles de veces menor que el ancho de un protón. El descubrimiento recibió el Premio Nobel de Física en 2017.
En cifras
- ≈ 3 km
- el radio de Schwarzschild del Sol
- 2019
- la primera imagen de un agujero negro, M87*
- 14 sept. 2015
- LIGO detecta las primeras ondas gravitacionales