36 veces la masa del sol

Los enigmáticos agujeros negros 'invisibles' que fascinan a los astrónomos

Gracias a las ondas gravitacionales estamos viendo una nueva población de agujeros negros de la que hasta ahora no teníamos ninguna noticia. ¿Por qué habían permanecido 'escondidos'?

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Sabíamos que iban a cambiar nuestra forma de mirar al universo, pero no esperábamos que lo hicieran tan pronto. Cuando en 2016 se anunció la primera detección de ondas gravitacionales todos dijimos que era uno de los hitos de la ciencia del siglo XXI, pero que lo mejor estaba por llegar. Ahora, año y medio después, ya parece claro que gracias a ellas estamos viendo una nueva población de agujeros negros de la que hasta ahora no teníamos ninguna noticia. Y de repente, casi sin darnos tiempo a parpadear, hemos pasado del asombro de ver por primera vez las oscilaciones del espacio-tiempo a preguntarnos quiénes son esos recién llegados y quién les habrá invitado a la fiesta.

Corría el 14 de septiembre de 2015. Los instrumentos de los observatorios LIGO en Washington y Louisiana detectaron una señal que se parecía sospechosamente a lo que estaban buscando, y la colaboración entró en un estado de efervescencia. Era el principio de la era de las ondas gravitacionales. Meses después, una vez analizadas esas señales, supimos que habíamos captado el momento de la fusión de dos grandes agujeros negros a más de mil millones de años luz de distancia. Supimos también que los interfectos tenían, respectivamente, 36 y 29 veces la masa del Sol. Todo el mundo estaba muy contento, pero casi todos pensamos “son un poco grandes, ¿no?”. Quitando los gigantes que viven en el centro de las galaxias, los mayores agujeros negros conocidos hasta entonces no pasaban de 18 masas solares.

Masa de los agujeros negros descubiertos, en masas solares
Masa de los agujeros negros descubiertos, en masas solares

La segunda y la tercera observación de ondas gravitacionales llegaron el 26 de diciembre de 2015 y el 4 de enero de 2017, y de nuevo fueron parejas de agujeros negros atrapados en una danza que les llevó a fundirse. Los del 26 de diciembre tenían 8 y 14 masas solares, dentro del rango de lo razonable; los del 4 de enero volvían a salirse de la escala con 19 y 31 veces la masa del Sol. Desde entonces no ha habido datos nuevos, pero la comunidad ya se está preguntando qué está pasando y dónde se habían estado escondiendo esos pequeños monstruos hasta ahora.

Entras, pero no sales

Los agujeros negros están viviendo una edad de oro. Durante años se los consideró una rareza matemática, un objeto que la relatividad de Einstein predecía pero que probablemente no existiría en la naturaleza. Hoy en día aparecen en blockbusters de ciencia-ficción y todos hemos incorporado la expresión “agujero negro” a nuestro vocabulario para referirnos a algo donde las cosas pueden entrar pero no salir. Los físicos teóricos los adoran, porque sus cualidades extremas permiten llevar al límite las leyes de la naturaleza, y el resto de la comunidad simplemente está feliz de que hayan abandonado el estatus de criatura mitológica y hayan entrado por la puerta grande en el mundo de la ciencia.

Su interior está vacío: toda la materia se transforma en gravedad, y dentro del agujero negro no hay nada

Como todos tenemos en mente, un agujero negro es una región del espacio en la que se puede entrar, pero no salir. Para ser precisos es una región en que la gravedad es tan intensa que para salir habría que moverse más rápido que la luz, cosa que prohíben las leyes de la física conocida. Para fabricar un agujero negro lo único que hay que hacer es concentrar grandes cantidades de materia en un espacio extraordinariamente pequeño. Esto es más fácil de decir que de hacer, porque la materia ofrece resistencia: primero se calienta, luego empiezan las reacciones nucleares, después los electrones se niegan a juntarse unos con otros… varios procesos físicos hacen que esto sea bastante difícil.

Por eso, que sepamos, la formación de agujeros negros sólo ocurre en el interior de algunas estrellas muy masivas, cuando todo el edificio de la estrella se derrumba y aplasta al núcleo con una fuerza colosal. Como resultado, en el centro de ese amasijo que antes era una estrella se forma una de estas regiones con una gravedad tan intensa que nada puede salir. Su aspecto es el de una esfera negra, y un detalle que pocas veces comentamos es que su interior está vacío: según las ecuaciones de la relatividad toda la materia se transforma en gravedad, y dentro del agujero negro no hay nada.

Hasta aquí la descripción teórica, pero si queremos hacer ciencia con los agujeros negros necesitamos detectarlos, medir sus propiedades. ¿Cómo localizamos en medio del espacio algo que es negro y que no emite ninguna señal al exterior? Por fortuna contamos con una buena baza: su gravedad es inmensa.

El propio agujero negro puede ser muy silencioso, pero a su alrededor ocurren todo tipo de desaguisados por culpa de su gravedad. Por ejemplo, imaginemos que una estrella pasa demasiado cerca del agujero negro y se queda atrapada en su gravedad. La suerte de la estrella estará echada: el agujero irá robándole materia poco a poco hasta consumirla. En el proceso, la materia que cae hacia el agujero negro se calienta hasta millones de grados y emite rayos X a un ritmo frenético. Paradójicamente estos agujeros son de todo menos negros, pero no lo son por sí mismos, sino por la materia que están engullendo.

Así fue como descubrimos los primeros objetos que después identificaríamos como agujeros negros: eran potentes emisores de rayos X que, en principio, no tenían ninguna razón para emitir rayos X. Esto nos permitió elaborar un escueto “catálogo” de agujeros negros a lo largo de los últimos cincuenta años, que nos mostraba una veintena de objetos con masas entre 5 y 18 veces la masa del Sol, casi todos dentro de nuestra propia galaxia.

'Escondidos' hasta ahora

Con la llegada de las ondas gravitacionales este panorama ha cambiado. Ahora sabemos que muy lejos, en galaxias más antiguas que la nuestra, había agujeros negros dos y tres veces más grandes que los que vemos por aquí, y es inevitable preguntarse por qué no los hemos visto hasta ahora. ¿Es que estos agujeros negros “grandes” no se tragan estrellas y no emiten rayos X? ¿Quizá, por alguna razón, no hay muchos de ellos en la Vía Láctea ni tampoco en las galaxias cercanas? ¿O es por algo más extraño todavía?

(Imagen: NASA)
(Imagen: NASA)

Nadie tiene respuesta a estas preguntas todavía, pero sí hay ideas al respecto. Algunos cosmólogos se plantean si estos agujeros negros inusualmente grandes vendrán del mismo sitio que sus primos más pequeños. Argumentan que en lugar de formarse durante la muerte de una estrella podrían haber nacido en los primeros años de la vida del universo, a partir del gas que llenaba todo el espacio en aquella época: serían agujeros negros primordiales.

Si así fuera podrían estar dispersos en los alrededores de las galaxias, lejos de las estrellas y las nubes de gas, y eso los haría difíciles de ver con rayos X. La idea es tan sugerente como complicada, porque si están dispersos en las cercanías de las galaxias, ¿cómo han llegado a formar parejas como las que estamos viendo con las ondas gravitacionales?

El observatorio europeo Virgo acaba de entrar en funcionamiento. Pronto llegarán más datos, más preguntas y quizá alguna respuesta

Otra posibilidad es que estos agujeros negros sean el resultado de la muerte de estrellas antiguas, que ya no existen en el universo moderno. Sabemos que la primera generación de estrellas tuvo que ser diferente a las que podemos ver hoy: tenían una composición diferente, más pobre, y probablemente algunas eran mucho más grandes que las estrellas modernas. Los modelos matemáticos dicen que aquellas estrellas, al morir, formarían agujeros negros mucho mayores que los que vemos hoy, así que es razonable que estemos ahora viéndolos en galaxias más lejanas y más antiguas. Pero esta hipótesis también tiene sus problemas, porque si nuestra galaxia también tuvo una población de agujeros negros como ésos ¿dónde se están escondiendo en la actualidad?

Todo gran descubrimiento suele plantear más preguntas de las que responde, y las ondas gravitacionales no se están quedando cortas. En sólo año y medio han provocado un pequeño terremoto en la física de agujeros negros, y esto es sólo el calentamiento: el observatorio europeo Virgo acaba de entrar en funcionamiento; en los próximos años van a llegar más datos, más preguntas y, con un poco de suerte, quizá alguna respuesta.

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