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Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

¿Cuánto pesa un agujero negro?

Describe Jorge Luis Borges en El Aleph: "En la parte inferior del escalón, hacia la derecha, vi. una pequeña esfera tornasolada, de casi intolerable fulgor. Al principio la creí giratoria; luego comprendí que ese movimiento era una ilusión producida por los vertiginosos espectáculos que encerraba. El diámetro del Aleph sería de dos o tres centímetros, pero el espacio cósmico estaba ahí, sin disminución de tamaño."

Realmente el relato guarda cierta similitud con la posible descripción astronómica de los agujeros negros, esos extraños objetos celestes, sobre los cuales existen novedades muy interesantes, entre ellas la de que, por primera vez, se ha determinado el peso de uno de ellos.

UKIRT-UIST. Aunque la correspondiente investigación se publicará el próximo 10 de abril en la revista Astrophysical Journal Letters, dado su interés, se dio a conocer recientemente en la versión electrónica de la revista en Internet. Los investigadores han sido un equipo mixto de astrónomos de Canadá y del Reino Unido, liderados por el Dr. Chris Willott del National Research Council's Herzberg Institute of Astrophysics en Victoria, Canadá.

Han utilizado el telescopio UKIRT (United Kingdom Infrared Telescope), ubicado en Hawai, equipado con un nuevo espectrómetro de imágenes (UIST) y, concretamente, han analizado la luz infrarroja procedente del quasar más alejado conocido, el SDSS J1148+5251, situado a una distancia de 13.000 millones de años-luz, lo que significa que las observaciones corresponden a lo sucedido muy poco después de nacimiento del Universo, cuando tenía solamente el 6% de su edad actual. Dentro de ese espectro, las emisiones de los iones magnesio son muy interesantes ya que suelen formar parte del gas situado alrededor de los agujeros negros existentes en los corazones de los quasares.

Comparando las correspondientes emisiones, con las de quasares más cercanos, los cálculos dieron el resultado de que la masa o peso del agujero negro observado era tres mil millones de veces superior a la de nuestro Sol y mil billones de veces superior que la masa de la Tierra. De acuerdo con el Dr. Ross McLure del Institute for Astronomy en Edimburgo ello confirma lo que hasta ahora era solo una hipótesis: los inmensos agujeros negros existen desde etapas muy tempranas de formación del Universo. Otro miembro del equipo investigador, el Dr. Matt Jarvis de la Universidad de Oxford ha resaltado que las investigaciones posteriores serán comparativas, con otros quasares, a fin de poder conocer la evolución de los agujeros negros y de las galaxias en las que residen, desde el comienzo del Universo hasta la actualidad.


AGUJEROS NEGROS. ¿Qué son los agujeros negros?. Uno de los posibles estados finales de la evolución de una estrella, de acuerdo con la teoría de la relatividad general. Recordemos que la fuerza atractiva de la gravedad es una consecuencia de la masa de los objetos, siendo su cuantía directamente proporcional a ella, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. En nuestro planeta si lanzamos un objeto, tal como una pelota, hacia el espacio, para vencer la fuerza de la gravedad tendríamos que arrojarlo a una mínima "velocidad de escape" de 11 km por segundo, mientras que, en el Sol, más masivo que la Tierra, la velocidad de escape es de unos 617 km por segundo.

Si suponemos que la Tierra redujese su diámetro a la mitad del actual, conservando su masa, ello no modificaría, por ejemplo la atracción Luna-Tierra (se mantienen distancias y masas), pero el peso de cada persona (la fuerza con que la gravedad nos empuja hacia el centro de la Tierra) quedaría cuadriplicado y la velocidad de escape de la pelota se incrementaría acordemente. ¿Qué sucedería si continuásemos comprimiendo más y más la Tierra?. Llegaría un momento en el que, con un tamaño pequeñísimo, la fuerza atractiva sería enorme y la magnitud de la velocidad de escape superaría a la de la luz, 300.000 km/s. Ello significaría que ni siquiera podría emitirse radiación luminosa, la Tierra sería totalmente invisible, solo detectable por su inmensa capacidad gravitatoria capaz de engullir cualquier objeto cercano a la misma.

El radio de la esfera en el que la velocidad de escape alcanza iguala a la de la luz se llama "radio de Schwarzschild", por su descubridor, el astrónomo alemán Karl Schwarzschild. Para la Tierra el radio de Schwarzschild sería de 1 cm mientras que para el Sol sería 3 km. El físico norteamericano John Archibald Wheeler bautizó como agujero negro al objeto que alcanzase este radio, debido a que no emitiría ni reflejaría ninguna luz.

QUASARES. ¿Qué objetos pueden convertirse en agujeros negros?. Aquellos en los que las fuerzas expansivas sean inferiores a la contractiva de la gravedad, lo que crearía un campo de gravedad capaz de romper las estructuras atómicas.

Las fuerzas expansivas de las estrellas son la presión del plasma que las constituyen (gas de partículas cargadas) y la presión de la radiación electromagnética. Estas presiones se mantienen por la energía de las reacciones nucleares que suceden en el interior de la estrella, a temperaturas de millones de grados. El combustible final es el hidrógeno que se transforma en helio poco a poco, por lo que, a veces tras miles de millones de años, el hidrógeno se va agotando. Diversas transformaciones y reacciones nucleares hacen pasar a la estrella por etapas tales como la de estrella gigante roja, pero la energía producida por las reacciones nucleares va disminuyendo paulatinamente.

Si la estrella inicial es suficientemente grande la contracción es rápida, se calienta y se producen reacciones violentas en su exterior, por lo que gran parte de su masa es arrojada al espacio exterior en forma violenta, en una explosión conocida como supernova. Puede llegar un momento en que las fuerzas entre neutrones no sean suficientes para contrarrestar la gravedad. La estrella alcanza su radio de Schwarzschild, la densidad tendería a ser infinita, de algún modo el espacio que la circunda se plegaría tragándosela y dejaría en su lugar un agujero negro invisible. El límite teórico que separa el interior del exterior del agujero negro se llama "horizonte eventual" y cualquier cosa que atraviese el horizonte eventual no vuelve a salir y se incorpora a la masa del agujero negro, que siempre irá aumentando.

TIEMPO
Según la teoría de relatividad general la existencia de una masa produce una curvatura en el espacio-tiempo y esta curvatura es el campo de gravedad. Sería similar a lo que sucede al colocar una bola sobre una membrana de goma, la membrana haría las veces de espacio-tiempo y el peso de la bola produciría una deformación, tanto más grande cuanto mas pesada sea la bola. Por ello, al acercarnos a un objeto masivo el paso del tiempo sería más lento. En la vida real ello es inapreciable pero, en el caso de un agujero negro supermasivo, al acercarnos el tiempo corre en forma más lenta y se detiene al penetrar el horizonte eventual. Si pudiéramos seguir observando una nave tras atravesar el horizonte eventual la veríamos "congelarse" de inmediato.

MINIAGUJEROS
El agujero negro del quasar SDSS J1148+5251 es enorme, pero también se especula sobre la posible existencia de agujeros negros microscópicos formados en las condiciones del Big Bang". Estos agujeros negros microscópicos tendrían masas como de montañas terrestres restringidas a pliegues del espacio-tiempo del tamaño de átomos. Fue el físico inglés Stephen Hawking, en 1974, quien sugirió su existencia. Lo interesante de esto es que, según Hawking, un miniagujero negro podría perder masa debido a que las pequeñas fluctuaciones de energía que se producirían en el borde de su horizonte eventual darían lugar a la formación de pares partícula-antipartícula, en que uno de los integrantes de esta pareja caería en el agujero mientras que el otro sería expulsado al exterior. Si ello es cierto, un miniagujero negro tendría una vida limitada.

QUASARES
Los cuásares son tremendas fuentes de energía, billones de veces más luminosos que el Sol, concentrados en los núcleos de algunas galaxias. La liberación de energía podría resultar del gas cayendo hacia un agujero negro. Por ello existe una estrecha relación entre galaxias, quasares y agujeros negros. Por ejemplo: a) En casi todas las galaxias hay agujeros negros gigantes; b) La masa de un agujero negro es proporcional a la masa de la galaxia a la que pertenece; c) El número de agujeros negros encontrado y sus masas sugiere que podrían haber sido motores de cuásares como los que observamos en las galaxias lejanas. Según el experto Doug Richstone: "Creemos que se trata de quasares fósiles y que la mayoría de galaxias lucieron como quasares en el pasado.