“Vivimos en una era de ciencia y tecnología donde no sabemos nada de ciencia y tecnología” (Carl Sagan, 1996)
Muchos me han cuestionado sobre que o porque me gusta estudiar física “solo son cosas complicadas, no creo que sea fundamental entenderlas” dicen algunos, el ser científico no significa saberlo todo, es mas no es un método como muchos creen, es una manera de pensar, de siempre al ver un fenómeno conocido y desconocido auto preguntemos “¿Por qué? O “¿Cómo?” el hacerse preguntas de este tipo nos ayuda a poder tomar un interés, este interés es la clave para la superación, es la base para poder entender y observar cosas que los demás no pueden, la física no es complicada si se quiere estudiar, esto solo es un estereotipo más en la sociedad.
Algo que he observado que a las personas les llaman mucho la atención son Los agujeros negros u hoyos negros sin duda están presente en series, caricaturas, películas, etc. Estos descritos de manera gráfica por algún diseñador o mencionados por algún científico loco del programa, mi deber como Investigador y Divulgador es no negarle el conocimiento a nadie, y en esta ocasión les explicaré que son de verdad estos objetos que a los científicos nos llaman tanto la atención, respondiendo así sus preguntas y enigmas sobre los mismos, espero que les guste.

Agujero negro supermasivo descrito y representado en la Película Interestellar de nombre “Gargantua”. Créditos: darksapiens.blogspot

«¿Que es un agujero negro?» Esa es la primera pregunta que debemos hacernos sobre estos. Físicamente un agujero negro se describe como: “Sea M un espacio-tiempo asintóticamente plano, es decir / E UcM abierto, E U’cG cc (M’), M’ asintóticamente simple / E f: u  u’ con f*glu’=glu y / Ryu|u= 0 La región de un agujero negro BcM se define como: B=M-I-(I+) desde I-(I+) es el pasado cronológico del infinito futuro nulo.” Desde aquí suena algo aburrido, pero intentémoslo de una manera más sencilla, un agujero negro es una región del espacio y tiempo colapsada, esto quiere decir que una estrella de ciertas características específicas al terminar su combustible es hundida por su propio peso y gravedad, esta se caracteriza por tener un horizonte de eventos o sucesos (esta es una línea que divide entre dentro del agujero negro y fuera del agujero negro) lo cual genera una “singularidad” con densidad infinita interior en la cual se dice que el espacio no tiene sentido y el tiempo se detiene, con una gravedad infinita (la cual explicare a continuación) y sin respetar las leyes de la física. En la formación estelar tenemos una batalla entre dos fuerzas, la fuerza del combustible nuclear que empuja hacia a fuera y la fuerza gravitatoria generada por el peso de la estrella, las estrellas más masivas tienden a convertirse en agujeros negros ya que queman mayor número de elementos químicos (lo cual les da su tamaño y su poco tiempo de vida), al dejar se quemar combustible su gravedad (que era resistida por fuerzas nucleares) hace que estas colapsen sobre su propio peso “rompiendo” una región del espacio y tiempo. Ahora para una simplificación más utilicemos algo del modelo relativista… según Einstein en su teoría de la relatividad, la materia deforma el espacio (esto corrige el concepto de Newton), imagina a 4 personas sosteniendo una sábana (sin estirarla tanto) una más avienta unas canicas de distintos tamaños y materiales a la sabana ¿Qué pasa? La respuesta es simple, y hasta tú mismo puede hacer el experimento aventando canicas a la superficie suave de tu cama… veremos que las canicas deforman la sabana dependiendo de sus tamaños, esto es lo que hacen los planetas, las estrellas y hasta las galaxias en el espacio “deforman el telar cósmico”, regresando al tema del agujero negro… ahora imagina que después de lanzar las canicas, deciden poner una bola de boliche al centro de la sabana, como muchos ya imaginaran esta con su peso mayor hará un hueco más grande que atraerá a las canicas que estén lo suficientemente cerca, después de un tiempo la bola romperá la sabana y toda canica cerca caera, este es el efecto del agujero negro en el cosmos, ahora si lo haces en tu cama puedes comprobar que a quitar canica por canica hasta llegar a la bola de boliche notaras que cada una dejo un hoyo sobre la sabana, esto fue lo que describió Einstein en la Relatividad.

Así observarías un agujero negro si estuvieras a una distancia relativamente cercana.
Créditos: elinformador.com

Hablando de relatividad… ahora explicare el termino de porque se les llaman “negros” y es que cabe mencionar que este término es hasta cierto punto “moderno”. Hace unos 300 años había dos teorías de la luz, una parte de la comunidad científica decía que la luz eran ondas (esta parte encabezada por Huygens) y los otros decían que la luz eran partículas (estos encabezados por Newton), ambos tenían argumentos para justificar sus teorías, por una parte la luz en forma de partículas podría interactuar con la gravedad, pero la luz a manera de onda concordaría más con la física óptica de aquel entonces, unos 250 años después, cuando empezábamos a adentrarnos en el mundo cuántico surgió un principio llamado “Dualidad de Broglie” este nos dice que la luz puede ser onda y partícula a la vez y esto nos dio una mejor visión sobre la luz.
La deducción de agujeros negros se hace mediante observaciones indirectas, esto quiere decir que si vemos que hay objetos moviéndose alrededor de algo “invisible” podemos deducir que se trata de un agujero negro.
Regresando a los agujeros negros… recordemos que el agujero negro tiene un descomunal campo gravitatorio tan grande que ni los fotones (partículas de luz) pueden escapar, tomando en cuenta que la luz viaja a 300,000 km/s imagina que tan descomunal es este campo, de ahí el término “negros” lo que también nos lleva a hablar sobre el ya mencionado “Horizonte de eventos” esta es la frontera entre el límite de lo desconocido, analicemos esto, primeramente aclaremos que si algo cruza el horizonte (aunque viaje a la velocidad luz) esto será absorbido y comprimido, al parecer “desaparecerá”, si no hemos cruzado el Horizonte, todavía viajando a velocidad luz podemos alejarnos lo suficiente hasta estar en una zona segura, esto se relaciona con la relatividad de varias formas, por ejemplo, el en la relatividad especial nos dice que “nada viaja más rápido que la luz”, por lo tanto “Nada puede salir del agujero negro” y también recordemos que en la Relatividad general se nos dice que el tiempo es relativo, por lo tanto tiene algo de sentido que con tal ruptura en el espacio el tiempo se detenga en su interior.

En la imagen de abajo observamos la representación de un Agujero Negro en un sistema solar. Créditos: elconfidencial.com

Ahora les explicare las partes de un agujero negro, así como la terminología que usare en los siguientes temas no los confundirá tanto.

Agujero Negro Cygnus X-1(seis mil años luz) tragándose una supergigante azul Créditos: Tomada de “El blog de Emilio Silvera” y editada por mi

Bueno, empezare por lo más alejado, la parte de la estrella única dirigida al agujero negro es la materia que alimentara al agujero negro, también conocida como “corriente de acreción” lo cual nos lleva al punto donde esta se une con el disco de acreción llamada “Lugar de peligro” lo que nos lleva al ya famoso “Disco de acreción” el cual solo es visible a los Rayos X, rodeado por el “Disco ventoso” el cual es la pequeña nube de radiación que esta alrededor de este, y en la región un poco más alejada encontramos el “Disco de polvo” (visible al infrarrojo) el cual tiene solo algunos restos, estos restos se conforman en gran parte por las “Nubes de línea cría” (Visibles al UV y al visible) conforme pasamos el disco de acrecimiento llegamos al “Disco de gas frio” (visible al infrarrojo y al visible), pasamos por el “Disco Turbulento y Caliente” (Visible al Ultravioleta y visible), llegamos al “Disco Caliente” (visible al rango X) el cual se conforma por la “Fuente Quasi-periodica de oscilación” (o QPO en inglés) y la “Órbita Circular Estable Intima” (o ISCO en inglés) para llegar por fin al “Viento central caliente” donde habrá fulguración en el cual se encuentra el Masivo Agujero Negro, en el cual la frontera “Horizonte de sucesos” dividirá el límite del interior y exterior del agujero negro, y dentro de el encontramos el “Vortex” que nos lleva a la “Singularidad” interior con densidad infinita la cual causa el descomunal campo gravitatorio, aunque no todo va hacia dentro… El “área de radiación” es donde se hace presente la “radiación de Hawking” (la cual explicare más adelante) y también se generan los “Jets” o “Chorros Relativistas” los cuales son chorros de radiación supersónicos los cuales son visibles al rango X y dejan rastros de radio por todas partes, estos jets en su parte baja tendrán “Nudos” los cuales serán llamados “Onda de re colimación” en el centro del nudo veremos la “Región de emisión de rayos gamma” y al alrededor del nudo el área “Región de emisión de microondas y radio” Y bueno esas son todas las partes de un agujero negro.

Agujero negro resucitado después de veintiséis años de nombre V404 Cygni, se cree que este es uno de los más brillantes y cercanos a la tierra.
Créditos: Animación hecha por Gabriel Pérez del IAC publicada en elpais.com

Ahora les hablare sobre la clasificación de los agujeros negros: 1.-Agujero negro súper masivo: Son objetos inmensamente gigantes, se cree que superan en tamaño de muchos sistemas solares (incluyendo el nuestro), es un tamaño inimaginable. Se dice que estos se encuentran en los centros de cada galaxia, esto podría responder como es que se mantiene unida y su forma (muchas veces en espiral o elipse).

Representación de un agujero negro supermasivo. Créditos: Tomada de la página de Facebook “Cerebro Digital”.

2.-Agujero negro mediano: En este caso se habla de los estertores de vida de una estrella supergigante, que ya ha pasado a su estado de supernova, expulsando materia, quedando en su núcleo elementos pesados, precipitándose con la fuerza gravitacional del campo, su tamaño se estima similar al de la tierra, aunque de masa superior (hasta 100 veces mayor a la del sol.

Representación de un agujero negro mediano. Créditos: Tomada de la página de Facebook “Cerebro Digital”.

3.- Agujero negro estelar: En este caso se especula que habría sido provocado por la explosión de una estrella menor al rango “supergigante” así pues su tamaño es menor, podríamos hablar de kilómetros de diámetro, pero su masa sigue siendo mayor al sol.

Representación de agujero negro estelar.
Créditos: Tomada de la página de Facebook “Cerebro Digital”.

4.-Microagujero negro:
Se cree que fueron creados en los inicios del universo como tal hoy lo conocemos, son de tamaños minúsculos, se cree que hay desde el tamaño de un grano de arena hasta uno del tamaño de un átomo, tienen masa similar a la del sol.

Representación de un micro agujero negro. Créditos: Tomada de la página de Facebook “Cerebro Digital”.

Estas teorías pueden estar equivocadas, el número de tipos y clasificación aumenta o disminuye dependiendo de los parámetros y autor que tomemos en cuenta, posiblemente todo esto se quede corto con lo que hay en el universo, sin embargo salen de estudios muy detallados que durante años los astrónomos de todo el mundo han analizado y deducido.
Pero ahora que hablamos de “tipos” ¿Cuál es el agujero negro más básico? Al decir básico hago énfasis en que su estructura y tipo es primitivo a comparación a algunos otros.
El agujero negro de Schwarzschild es el más sencillo, este se genera cuando la masa es esférica, neutra y no está girando, pero así también los agujeros negros tienen propiedades como Masa, carga eléctrica, momento angular, entre otras…
Una de esas otras en la temperatura pero ¿Un agujero negro esta frío o caliente? Durante décadas los científicos pensaban que los agujeros negros eran frías bestias que devoraban todo a su paso, hasta que algunos científicos como Bardem, Bekenstein, Carter y Hawking empezaron a darse cuenta de que los agujeros negros seguían leyes muy parecidas a las de la Termodinámica, sin embargo para que esto fuera cierto los agujeros negros debían contar con una temperatura no nula, lo cual era algo ilógico ya que todo cuerpo que tiene temperatura tiene que emitir radiación, pero si el agujero negro se traga todo… ¿Dónde quedaba la temperatura? En 1974 Stephen Hawking descubrió que la temperatura 0 no existía en los agujeros negros, como consecuencia del principio de indeterminación de Heisenberg se crean en el vacío pares de partícula y antipartícula que vuelven a aniquilarse casi instantáneamente, Hawking observo que al producirse esto en las inmediaciones de un agujero negro (muy cerca del horizonte de sucesos) una de las partículas antipartículas podría salir fuera del mismo agujero negro, por lo tanto una quedaría dentro del horizonte y la otra escaparía a manera de radiación, un observador situado a una distancia relativamente cerca observaría que el agujero negro emite radiación, a esta se le llama “Radiación de Hawking” en esta ecuación (Th=hc3/8nGMKb) se reúnen 3 constantes de la naturaleza, la de Newton, la de Planck y la de la velocidad de la luz en el vacío por lo tanto esta se toma como la primera ecuación de gravedad cuántica.
Últimamente el mismo Stephen Hawking afirmo “Los agujeros negros no existen o por lo menos no son como creemos” esto ha sido mal interpretado por muchos y ahora lo explicare en detalle, al decir “No existen” no debemos mal interpretar lo que él nos quiso decir, realmente nadie ha visto uno como tal y no podemos afirmar o negar (según el principio agnóstico) algo que no hemos visto o estamos seguros, cabe mencionar que han sido vistos de forma experimental en una manera indirecta, sus propiedades exóticas no han podido ser vistas, hay una vasta prueba teórica, y la mayoría de la comunidad científica cree en su existencia.

Representación de un agujero negro bestial. Créditos: NASA / publicado en abc.es

Y bueno, nos acercamos a la parte final de este articulo con una pregunta que todos tienen (o la mayoría tiene) y muchos otros llegan a mal interpretar…
¿Qué pasa si algo cae en un agujero negro? Bueno intentare simplificar esta idea…
Según la relatividad general el tiempo no es absoluto, es relativo, y esto dependerá de algunos factores, entre ellos (para mí el más importante) la gravedad, ¿imaginan como con un tan descomunal campo gravitatorio existiría el tiempo? Bueno, imaginen ahora que ustedes son astronautas perdidos en el espacio y que por mala suerte son atraídos por un agujero negro, ustedes serian jalados con mayor fuerza mientras más estuvieran cerca hasta que llegaran a la frontera “horizonte de sucesos” aquí, comenzaran a notar cosas raras (que incluso no están determinadas por la ciencia) verán… La verdad es que no se sabe con exactitud qué pasaría si uno cayera dentro de un agujero negro, pero les hablaré de algunas hipótesis tomando en cuenta como idea central la “Spaghettificacion” la cual nos dice que si (por ejemplo) los pies del astronauta entraran primero estos (por el descomunal campo gravitatorio) serían estirados de una manera impresionante (en la que no sentirías dolor si no asombro) hasta que sea tan delgado como un spaghetti, como un cabello, llegando al nivel molecular, rompiendo esos átomos en partículas y desgarrando la estructura de las mismas, todo eso pasaría con todo tu cuerpo (en teoría).

Representación animada de la spaghettificacion de un astronauta. Créditos: npr.org

Es obvio que esta no es la única teoría que se tiene, hace poco también se publicó una teoría en la cual se decía que los agujeros negros conservaban todo lo que se tragaban lo que hacía posible poder ver el interior en un agujero negro y encontrar todo lo que se ha tragado (esto respetaría el principio de conservación y transformación de materia y energía), otra teoría parecida es que todo lo que entra en un agujero negro se convierte en la llamada “Materia Oscura” esto convertiría a un agujero negro en un laboratorio de esta misma, también muchos tienen la creencia que si pasáramos un agujero negro (evitando la destrucción por el descomunal campo gravitatorio) saldríamos por un agujero blanco (hipotético) en el cual nada entra, si no todo es expulsado, otra hipótesis es que si el agujero negro se traga todo y luego lo expulsa en forma de radiación de Hawking, esto generaría que el agujero negro se “evaporara” lo cual dejaría toda la materia que no salió en un “pequeño universo” el cual se puede reintegrar a nuestro universo a través de otro agujero negro, esto haría posible el viaje espacial para las partículas, ya que personas como nosotros moriríamos, también se ha creído que dentro de estos agujeros negros hay civilizaciones y es que si tomamos en cuenta la “Hipótesis de la Trascendencia” de Jhon Smart ,no solo resolveríamos la paradoja de fermi si no también podríamos buscar formas de vida de una manera adecuada, y por último, una de las más populares (gracias a la película Interestellar) es que podríamos viajar por el espacio y tiempo a través de ellos, aunque lamento decepcionarlos, pero esto es casi imposible, es probable que podríamos encontrar algunas dimensiones (al estilo calabi-yau) dentro de estos, pero por lo menos para mí, el viaje espacial a través de estos es improbable.

Representación de un agujero negro. Créditos: cosmonoticias.org

En conclusión sabemos que los agujeros negros son objetos exóticos con un funcionamiento aún más raro de lo que imaginamos, sabemos algo de su relación relativista, pero la cuántica nos ha costado trabajo, pero el ser humano seguirá investigando estos gigantes, para mí de los más enigmáticos en el universo.

Referencias Digitales y Bibliográficas:

 Hawking, S. (2010). Historia del tiempo. Del big bang a los agujeros negros. Espasa.

Hawking, S. (1994). Agujeros negros y pequeños universos. Planeta.

Susskind, L. (1997). Los agujeros negros y la paradoja de la información.Investigación y ciencia, (249), 12-18.

Thorne, K. S. (1995). Agujeros negros y tiempo curvo. Crítica, Barcelona.

Hawking, S. W. & Ellis, G. F. R.: The Large Scale Structure of Space-time, Cambridge, Cambridge University Press, 1973.

Wald, R. M.: General the Relativity, (cap. 12 «Black Holes»), Chicago, The University of Chicago Press, 1984.

Stephen Hawking. (2010). La teoría del todo: El origen y el destino del universo. España: Penguin Random House.