¿Qué es un agujero negro?
Un agujero negro no es un hueco vacío abierto en el espacio ni una aspiradora cósmica que absorbe todo. Es un objeto en el que suficiente masa se ha concentrado en una región muy pequeña y ha curvado intensamente el espacio-tiempo. A su alrededor existe una frontera desde cuyo interior ninguna luz ni señal puede viajar hacia fuera. Esta frontera se llama horizonte de sucesos. La expresión agujero negro no designa un objeto concreto, sino toda la clase de objetos que poseen una frontera de este tipo.
El horizonte de sucesos no es una superficie sólida sobre la que se pueda pisar. Visto desde lejos, el campo gravitatorio de un agujero negro no difiere del de cualquier otro objeto con la misma masa. Incluso si sustituyéramos hipotéticamente el Sol por un agujero negro de igual masa, la Tierra seguiría una órbita casi idéntica. La diferencia se vuelve importante solo muy cerca del agujero negro, donde se deforman de manera extrema tanto las trayectorias de la luz como el paso del tiempo.
- Horizonte de sucesos Frontera desde cuyo interior la información no puede regresar al exterior
- Unos 3 km × masa solar Regla aproximada para el radio del horizonte de un agujero negro sin rotación
- Tres escalas observadas Agujeros negros de masa estelar, intermedia y supermasivos
- Un objeto invisible Se revela mediante estrellas cercanas, gas caliente, ondas gravitacionales y su sombra
¿Son lo mismo el horizonte de sucesos y la singularidad?
El horizonte de sucesos es la frontera exterior del agujero negro, no su centro. En el caso simplificado de un agujero negro sin rotación ni carga eléctrica, el radio del horizonte es proporcional a la masa. Corresponde a unos 3 km por cada masa solar, de modo que un agujero negro con diez veces la masa del Sol tiene un horizonte de unos 30 km de radio. Concentrar la misma masa en un espacio menor no hace que la gravedad sea necesariamente más intensa a cualquier distancia; lo decisivo es que permite acercarse a regiones que antes habrían estado dentro de la materia.
Los cálculos de la relatividad general producen en el centro una singularidad, donde la densidad y la curvatura del espacio-tiempo tienden al infinito. Sin embargo, ese infinito puede indicar que nuestra teoría actual deja de ser suficiente en tales condiciones. Las observaciones permiten poner a prueba el exterior del horizonte, pero aún no disponemos de una descripción completa del estado de la materia en su interior ni del centro cuando se incorpora la mecánica cuántica. Las imágenes que muestran la singularidad como una pequeña esfera negra son simplificaciones teóricas, no fotografías.
Lo que se ha detectado directamente no es un «bulto de materia negra», sino órbitas estelares, luz curvada, gas caliente y ondas gravitacionales alrededor de una región invisible y extremadamente compacta.
¿Cómo se clasifican los agujeros negros por masa y tamaño?
Los agujeros negros de masa estelar suelen contener entre unas pocas y decenas de veces la masa del Sol. Pueden formarse cuando el núcleo de una estrella masiva agota su combustible y ya no puede resistir el colapso provocado por su propia gravedad. También pueden crecer al recibir gas de una estrella compañera o al fusionarse con otro objeto compacto.
Los agujeros negros supermasivos poseen desde cientos de miles hasta miles de millones de masas solares o más, y se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias grandes. Sagitario A*, en el centro de la Vía Láctea, y el agujero negro central de M87 son ejemplos representativos. Todavía no existe una explicación única de qué semillas los originaron en el universo temprano ni de cómo crecieron con tanta rapidez.
Entre ambos intervalos hay candidatos a agujeros negros de masa intermedia, estimados entre cientos y cientos de miles de masas solares. Algunos se han identificado mediante rayos X intensos o el movimiento de las estrellas, y también se han observado restos de fusiones con más de 100 masas solares. Aun así, cada candidato debe evaluarse frente a explicaciones alternativas, como otro tipo de objeto o un cúmulo estelar. Los agujeros negros primordiales, propuestos como objetos formados en el universo temprano, siguen siendo una posibilidad teórica no confirmada.
¿Cómo crecen los agujeros negros y hacen brillar su entorno?
El propio agujero negro no emite ni refleja luz. Sin embargo, el gas cercano no cae simplemente en línea recta. El gas con momento angular puede girar alrededor del agujero negro y formar un disco de acreción plano. La fricción y la compresión calientan tanto el material del disco que este emite ondas de radio, luz visible, radiación ultravioleta y rayos X. La luz brillante que observamos procede de materia que todavía está fuera del horizonte de sucesos.
Alrededor de algunos agujeros negros, los campos magnéticos redirigen parte del material del disco en forma de chorros rápidos a lo largo del eje de rotación. Los chorros no escapan desde el interior del horizonte: su materia es desviada por el disco y el campo magnético antes de cruzarlo. Tampoco todos los agujeros negros poseen siempre un disco brillante y chorros. Si casi no tienen materia de la que alimentarse, pueden ser extremadamente oscuros y descubrirse solo por su influencia gravitatoria sobre objetos cercanos.
¿Cómo se confirma la existencia de un agujero negro invisible?
| Método de observación | Señal que se observa | Qué permite averiguar |
|---|---|---|
| Órbitas de estrellas y gas | Movimiento rápido alrededor de un punto invisible | La masa central y el tamaño de la región en la que se concentra |
| Luz del disco de acreción | Emisión de radio, luz visible y rayos X del gas caliente | Temperatura, velocidad y campo magnético del material entrante, y posición del candidato |
| Lente gravitacional | Una estrella de fondo se ilumina y cambia de posición al pasar delante una masa invisible | La masa de un candidato oscuro sin estrella compañera |
| Ondas gravitacionales | Ondulaciones del espacio-tiempo cuando dos agujeros negros se acercan en espiral y se fusionan | Masas y rotaciones antes y después de la fusión, además de la distancia |
| Imagen a escala del horizonte | Un anillo brillante de luz curvada alrededor de una sombra central oscura | Comparación de masa y tamaño con las predicciones de la relatividad general en gravedad intensa |
¿Es el círculo oscuro fotografiado por el EHT el horizonte de sucesos?
El Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) conecta radiotelescopios de varios continentes para que funcionen como un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. En 2019 publicó el anillo que rodea el agujero negro central de M87 y, en 2022, el de Sagitario A* en el centro de la Vía Láctea. La zona oscura central no es una fotografía de la superficie del horizonte. Es la sombra del agujero negro, más oscura que su entorno porque la intensa gravedad curva y captura parte de la luz.
La sombra parece mayor que el horizonte de sucesos. La luz procedente de detrás del agujero negro puede curvarse hasta llegar a nosotros, mientras que la que sigue ciertas trayectorias da varias vueltas y produce un anillo brillante. El resultado fundamental es que el tamaño y la forma de los anillos observados por el EHT coinciden con las predicciones de la relatividad general calculadas a partir de sus masas. Las imágenes no muestran el interior del agujero negro, sino que resuelven el espacio-tiempo y el plasma caliente inmediatamente fuera del horizonte.
¿Un agujero negro absorbe todo lo que tiene cerca?
Los objetos suficientemente alejados de un agujero negro pueden mantener órbitas estables, igual que alrededor de cualquier otra masa. Para caer hacia dentro, la materia debe perder energía y momento angular mediante choques con otro material o por la fricción del gas. Por eso las numerosas estrellas del centro galáctico orbitan el agujero negro en vez de precipitarse directamente en él.
El peligro a corta distancia es la fuerza de marea: la diferencia entre la gravedad que actúa sobre el lado cercano y el lado lejano de un objeto. Un agujero negro de masa estelar tiene un horizonte pequeño, por lo que esa diferencia aumenta con rapidez al acercarse y puede estirar y desgarrar un objeto antes de que llegue al horizonte. El horizonte de un agujero negro supermasivo es mucho mayor, de modo que la fuerza de marea en la propia frontera puede ser menor; aun así, cualquier objeto que la cruce pierde igualmente la posibilidad de regresar.
¿Qué sabemos y qué sigue sin resolverse?
Las órbitas estelares, las binarias de rayos X, las imágenes del EHT y las observaciones de ondas gravitacionales aportan pruebas, en intervalos de masa muy distintos, de que regiones extremadamente compactas y oscuras se comportan como los agujeros negros predichos por la relatividad general. La masa y la rotación de estos objetos, así como el movimiento del material que los rodea, se miden con precisión creciente.
Todavía no sabemos cómo describir la información y la materia dentro del horizonte de sucesos, cómo debe la teoría cuántica sustituir la singularidad ni qué semillas produjeron los primeros agujeros negros supermasivos. Un agujero negro no es un objeto del que no sepamos nada, ni uno sobre el que todas las preguntas estén resueltas. Su exterior observable es materia de ciencia de precisión; su interior y sus orígenes permanecen en la frontera de la física moderna.