Astronomía
Agujeros negros: el vacío también puede girar
Los agujeros negros, como casi todos los objetos en el universo, están girando. Pero ¿qué significa “girar” para un objeto que no tiene superficie sólida y cuyo interior parece estar vacío?
Estamos viviendo la época dorada del estudio de los agujeros negros. Hace cincuenta años algunos científicos pensaban que un objeto así no podía existir, que era una predicción de las ecuaciones que nunca se daría en la naturaleza. Hoy los sabemos detectar de cuatro o cinco maneras diferentes, desde los grandes radiotelescopios a las ondas gravitacionales, y estamos empezando a hacer “zoología” con ellos, estudiando sus poblaciones y su estadística, y preguntándonos cómo se forman y cómo evolucionan.
Pero, a pesar de ello, la mayoría de sus detalles finos todavía se nos escapan. El gran problema es su tamaño: son realmente pequeños, y algunas cosas sólo se pueden apreciar a una distancia suficientemente corta. Acerquémonos y veamos a qué mundo estamos intentando tener acceso.
Espacio vacío
Lo primero que deberíamos plantearnos es… bueno, qué es un agujero negro. Solemos representarlos mediante un círculo negro, pero esa imagen puede llevarnos a engaño: un agujero negro no es un objeto esférico y de color negro. Un agujero negro es una región del espacio. En concreto, una región en la que la gravedad es tan intensa que nada puede salir. Esa región suele tener una forma aproximadamente esférica, y como nada sale de ella es de color negro. Pero la “superficie” de esa región no es sólida: es sólo una frontera que separa el punto en el que aún puedes escapar del punto en el que ya estás encerrado. Así que si pudiéramos acercarnos a un agujero negro no podríamos tocarlo: nuestra mano atravesaría la frontera y entraría en la zona negra para nunca volver a salir. Esa frontera, el límite del agujero negro, se llama horizonte de sucesos.
Dando un paso más, podemos adentrarnos en el horizonte de sucesos para ver cómo es el interior de un agujero negro. Esta zona nunca la podremos estudiar directamente (a no ser que cojamos una nave espacial y, en una misión suicida, nos metamos de cabeza en el agujero negro), pero lo que sí podemos hacer es preguntarle a las ecuaciones de la relatividad general qué aspecto debería tener. Sorprendentemente, la respuesta es que está vacía. Según las ecuaciones, todo lo que entra en el agujero negro cae en espiral hacia el centro, y una vez allí… desaparece. Ese punto central, que es como un desagüe al que van a parar todas las cosas, es la singularidad del agujero negro.
Si a alguien le resulta extraño este relato, no es el único. La singularidad es un punto realmente problemático en el que pasan todo tipo de cosas difíciles de tragar, y la “desaparición de la materia” no es la peor de ellas. Muchos físicos creen que la singularidad marca el lugar en el que las ecuaciones de la relatividad se rompen, y por lo tanto no nos hemos de fiar de lo que nos cuentan sobre ella. Si algún día descubrimos una teoría que supere a la relatividad quizá nos explique qué es lo que ocurre de verdad en el centro de los agujeros negros.
Pero, aunque la singularidad no sea un punto fiable, todo indica que el resto de la historia sí lo es: la materia, una vez dentro del agujero negro, cae en espiral hacia el centro. Una vez allí no sabemos muy bien lo que pasa, pero la gravedad se hace más intensa y el agujero negro crece. Una forma de imaginar este proceso es pensar que al llegar a la singularidad la materia “se convierte en gravedad”, como si su energía se utilizara para curvar el espacio y, a cambio, la materia dejara de existir. Esto es sólo una forma de poner en palabras lo que las ecuaciones nos dicen, pero al menos nos sirve para navegar en las aguas turbias que quedan cuando la relatividad deja de sernos de ayuda.
Los agujeros negros no tienen pelo
La historia que acabamos de contar tiene una consecuencia muy notable: los agujeros negros, al final, resultan ser objetos extremadamente simples. Son regiones del espacio con una gravedad muy intensa y en cuyo interior no hay nada. Esto son buenas noticias, porque sugiere que no hace falta conocer decenas de pequeños detalles para entender un agujero negro: si es un objeto tan sencillo debería bastar con apenas unos pocos.
Esta idea se concretó en una serie de artículos a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, que demostraron que un agujero negro sólo tiene tres propiedades: una masa, una carga eléctrica y un momento angular. Conociendo estas tres propiedades sabes todo lo que se puede saber sobre un agujero negro. Esta extrema simplicidad se resume en una frase célebre, atribuida al físico israelí-estadounidense Jakob Bekenstein: los agujeros negros no tienen pelo. La frase significa que no hay detalles en ellos, que son como una cabeza calva en la que no hay rasgos distintivos.
Cada una de las tres propiedades de un agujero negro explica alguna de sus características. La masa nos da la intensidad de su campo gravitatorio, ya que después de caer a la singularidad toda ella se ha “transformado en gravedad”. Si el agujero negro tiene carga eléctrica tendrá un campo eléctrico estático a su alrededor, y lo podremos observar desde el exterior. Y en cuanto al momento angular… nos proporciona la rotación del agujero negro.
Giro obligatorio
A primera vista esta idea puede parecer disparatada. Si habíamos dicho que el agujero negro está vacío ¿cómo va a rotar? Las cosas que rotan son objetos físicos, hechos de materia que puede moverse. El agujero negro no tiene nada de eso.
Es cierto. Los agujeros negros no rotan, y decir que lo hacen es un pequeño abuso del lenguaje, similar a cuando decimos que “tienen masa”, a pesar de que sabemos que dentro del agujero negro no hay nada. En ambos casos sucede lo mismo: la masa, o el momento angular, son propiedades de la materia que ha caído en el agujero negro. Una vez dentro esa materia “se transforma en gravedad”, y sus propiedades son “traducidas” a propiedades gravitatorias. La masa se traduce a intensidad del campo gravitatorio o, si queremos, tamaño del agujero negro. El momento angular, o la rotación, se traduce en que el agujero negro va a obligar a girar a todas las cosas que tenga cerca.
Los agujeros negros son objetos gravitatorios, y eso significa que deforman el espacio-tiempo a su alrededor. El efecto de la masa es crear un horizonte de sucesos, más o menos grande según cuánta masa haya caído al agujero negro. El efecto de la rotación es crear alrededor del horizonte de sucesos una región en la que sólo se puede girar. Esa región se llama ergosfera, y tiene una forma similar a un dónut con el horizonte de sucesos en el hueco.
Una partícula que se adentre en la ergosfera se verá obligada a girar en el mismo sentido que el agujero negro, por la sencilla razón de que en esa región todos las trayectorias posibles dan vueltas alrededor del agujero negro. No es, pues, que la partícula sienta una fuerza que le obligue a girar, sino que el espacio-tiempo no permite otro tipo de movimiento. Es como si el agujero negro hubiese transformado la rotación de la materia en “rotación en el espacio-tiempo”.
La ergosfera es el mejor lugar para observar la rotación de un agujero negro; al fin y al cabo, es la región más dramáticamente afectada por ella. Pero eso es un problema para nosotros, porque la ergosfera es muy pequeña, y rara vez la podemos observar directamente.
Una estrella infortunada
A veces, sin embargo, tenemos suerte. Si una estrella o una nube de gas se acercan mucho a un agujero negro, quizá se adentren en la región en la que empiezan a “sentir” la ergosfera, y por lo tanto la rotación del agujero negro. En esos casos afortunados, el movimiento de esos objetos nos dará información sobre cómo gira el agujero negro.
Desde luego, lo que para nosotros es afortunado para la estrella no lo será tanto. El precio de acercarse mucho a un agujero negro es que casi seguro su gravedad te hará pedazos, y la mayoría de esos objetos no viven demasiado antes de ser destruidos. Durante unas semanas son una sonda ideal para estudiar una región que, de lo contrario, nunca podríamos observar. Luego desaparecen para siempre.
Este método se ha venido usando en los últimos 15 años para tratar de medir la rotación de los agujeros negros. Por ahora en la mayoría de los casos no podemos dar valores muy exactos, pero sí hemos comprobado que el movimiento de estos objetos en torno a algunos agujeros negros requiere de rotaciones muy rápidas, y es compatible con la existencia de ergosferas, como la relatividad general predice.
Poco a poco, paso a paso, estamos sacando a los agujeros negros de las sombras de la ciencia-ficción y los estamos colocando bajo el foco de la ciencia. Conceptos que parecen casi sacados del mundo de los sueños se van revelando compatibles con lo que observamos. Aún falta mucho camino para saber cuántos detalles de los que nos cuentan las ecuaciones son correctos, pero estamos aprendiendo más todos los años, y la próxima década sin duda será reveladora para la física de los agujeros negros.
[Como muchos lectores han señalado, los agujeros negros se forman cuando una gran cantidad de materia se concentra en un espacio muy pequeño, así que, en origen, sí están formados por materia. Sin embargo, en cuanto se forma el horizonte de sucesos toda esa materia cae hacia el centro, y actualmente no conocemos ningún fenómeno físico que pueda evitar que toda la materia se concentre en un punto de volumen cero y densidad infinita: la singularidad. El problema de la singularidad es que no representa un verdadero estado físico, sino más bien nos avisan de que la teoría está rota. Por tanto, la relatividad general parece funcionar bien en todo el interior del agujero negro salvo en la singularidad, y realmente no tenemos manera de saber lo que ocurre en el centro del agujero negro. De ahí que digamos que, según la relatividad general, el agujero negro está vacío: consta de un gran volumen vacío y una singularidad en la que la teoría no funciona. Es probable que cuando tengamos una teoría de gravedad cuántica ésta sea capaz de decirnos qué ocurre en la singularidad: quizá nos diga que la materia sigue allí, en un nuevo estado físico hasta ahora desconocido, o quizá nos diga otra cosa. Pero esa respuesta no la tenemos todavía.]
QUE NO TE LA CUELEN
- Un agujero negro no es un objeto palpable: es una región del espacio, y si nos creemos a pies juntillas la relatividad general, está completamente vacío.
- Cuando hablamos de que el agujero negro está “girando” lo que queremos decir es que hereda el giro de la materia que lo formó y lo transforma en una región del espacio-tiempo en la que sólo se puede dar vueltas: la ergosfera.
- Siempre que estudiamos un agujero negro lo hemos de hacer utilizando materia que se mueve en sus alrededores, porque el propio agujero negro no emite nada que podamos detectar.
REFERENCIAS
- Robert M. Wald. General Relativity. The University of Chicago Press (1984)
- Dheeraj R. Pasham et al. A loud quasi-periodic oscillation after a star is disrupted by a massive black hole. Science, vol. 363, is. 6426, pp. 531-534 (2019)
- Sara E. Motta et al. Precise mass and spin measurements for a stellar-mass black hole through X-ray timing: the case of GRO J1655−40. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 437, is. 3, pp. 2554–2565 (2013)
- Alessia Franchini et al. Constraining black hole spins with low-frequency quasi-periodic oscillations in soft states. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 467, is. 1, pp. 145–154 (2016)
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