Los agujeros negros son fenómenos cósmicos ampliamente estudiados por la mecánica cuántica. Su comprensión desafía las leyes de la naturaleza y la propia capacidad humana, ya que se trata de fenómenos altamente complejos y desconocidos en muchas de sus dimensiones. Su naturaleza esquiva dificulta su investigación. No obstante, a día de hoy disponemos de los suficientes medios tecnológicos y talentos científicos que nos permiten vislumbrar con bastante acierto su naturaleza y formación. Su presencia sólo puede ser revelada de manera indirecta, a través del rastro cósmico que dejan, especialmente por la influencia gravitatoria en su entorno más próximo.
Comprender cómo se forman los agujeros negros implica adentrarse en la complejidad de la física y la cosmología, donde las leyes conocidas de la naturaleza a menudo se desdibujan. Si más de una vez te has preguntado ¿cómo se forman los agujeros negros?, estás en el lugar correcto. Por fin tienes la oportunidad de conocer de una manera fácil un fenómeno complejo como es el de la formación de los agujeros negros. ¡No te lo pierdas!
La muerte estelar: el nacimiento de un agujero negro
Instantánea capturada por el telescopio Hubble de una supernova
La mayoría de los agujeros negros se forman como resultado de la muerte de grandes estrellas. Cuando una estrella agota su suministro de combustible nuclear (energía nuclear emergente de las reacciones nucleares que acontecen en su núcleo), las fuerzas gravitacionales internas que la mantenían en equilibrio colapsan bajo su propio peso. Este colapso provoca una explosión cósmica conocida como supernova, liberando una ingente cantidad de energía.
En el núcleo de la estrella colapsante, la materia se comprime a densidades extremas, dando lugar a un objeto denso y compacto: es lo que se conoce en física como singularidad. La singularidad es el corazón del agujero negro, una región donde la densidad es infinita y las leyes de la Física convencional se desmoronan. Al mismo tiempo, la singularidad está envuelta por una superficie imaginaria llamada horizonte de eventos, que es donde suceden fenómenos muy interesantes que completan la explicación de cómo se forman los agujeros negros. Lo vemos a continuación.
Horizonte de eventos: el umbral insondable
El horizonte de eventos es como la frontera invisible que define el límite de un agujero negro. Una vez que la materia cruza este umbral, la velocidad de escape se vuelve mayor que la velocidad de la luz, haciendo que cualquier cosa atrapada dentro del horizonte de eventos quede atrapada irremediablemente.
Es importante destacar que el horizonte de eventos no es una superficie física, sino una región del espacio-tiempo donde las leyes de la física tal como las conocemos se vuelven excepcionales.
Tipos de agujeros negros: tamaños variables en el cosmos
Existen dos tipos principales de agujeros negros: los agujeros negros estelares y los supermasivos. Lo vemos:
Agujeros negros estelares
Los agujeros negros estelares se forman a partir del colapso de estrellas masivas y tienen masas que varían entre varias veces la masa del Sol y hasta aproximadamente 20 veces esa masa. Estos agujeros negros son relativamente comunes en el universo y se encuentran dispersos por nuestras galaxias.
Agujeros negros supermasivos
Por otro lado, los agujeros negros supermasivos, que pueden tener masas equivalentes a millones o incluso miles de millones de veces la masa del Sol, se encuentran en los centros de las galaxias. La formación de agujeros negros supermasivos sigue siendo un misterio para la Física, y los científicos están explorando diversas teorías que puedan darle explicación, como la fusión de agujeros negros estelares o la acumulación gradual de masa a lo largo del tiempo. Hasta la fecha, estas serían las hipótesis más plausibles que podrían explicar el origen y la formación de este tipo de agujeros negros.
Radiación Hawking: el susurro cuántico de los agujeros negros
La teoría de la radiación Hawking, propuesta por el físico teórico Stephen Hawking en 1974, sugiere que los agujeros negros no son completamente oscuros. Según esta teoría, los agujeros negros emiten radiación térmica debido a procesos cuánticos cerca de su horizonte de eventos. Esta radiación, conocida como radiación Hawking, implica la creación y aniquilación de partículas virtuales en los límites del agujero negro. De este modo, nace la expresión que propio físico enuncia:
“Los agujeros negros no son tan oscuros como se pensaba”
Stephen Hawking
La radiación Hawking tiene consecuencias fundamentales para nuestra comprensión de los agujeros negros y la información cuántica. Desafía la idea tradicional de que los agujeros negros son pozos sin fondo y plantea preguntas interesantes sobre la conservación de la información cuántica.
¿Qué es la información cuántica?
Por si no comprendes qué es eso de la información cuántica, te lo explicamos a continuación: la información cuántica tiene que ver con las partículas y energía que cobran protagonismo a niveles cuánticos o “ultra-microscópicos” de la existencia de la materia, donde suceden fenómenos regidos por leyes que se escapan de la física convencional. Hablamos de antipartículas, antimateria, quarks, etc., que son las que intervienen en el horizonte de eventos de los agujeros negros y que forman parte de la radiación de Hawking.
La física cuántica se mueve en unos niveles de organización diferentes a los de nuestro cotidiano. Por ello, estos términos son abstractos y de comprensión desafiante, por lo que te recomendamos hacer una lectura sobre conceptos básicos de la física cuántica y así comprender mejor esta compleja y a la vez fascinante dimensión de la existencia.
El gran científico Stephen Hawking, a quien se debe el nombre de la radiación mencionada-la radiación de Hawking-ha publicado un sinfín de contenido de divulgación sobre sus teorías acerca de la organización y formación del universo. Desde libros hasta conferencias, puedes elegir las que prefieras para comprender todos estos conceptos mencionados. Y por último, no podemos dejar pasar la película que hace homenaje a su vida y teorías tronco de su trabajo y legado científico: “La Teoría del Todo”. En ella tienes la oportunidad de comprender mejor de qué se trata todo esto de la formación de los agujeros negros y el origen del universo.
La danza cósmica de los agujeros negros binarios
En algunos casos, dos estrellas masivas pueden formar un sistema binario, donde una estrella eventualmente evoluciona y colapsa para formar un agujero negro. Si la otra estrella sigue evolucionando y también colapsa, el sistema se convierte en un agujero negro binario. Estos pares de agujeros negros orbitan entre sí, liberando energía en forma de ondas gravitacionales, un fenómeno predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein.
La detección directa de ondas gravitacionales en 2015 por parte del experimento LIGO marcó un hito histórico, confirmó la existencia de agujeros negros binarios y abrió una nueva ventana para estudiar el universo.
Futuras exploraciones
Telescopio espacial Hubble
Los agujeros negros continúan siendo uno de los enigmas más desafiantes para la cosmología. La vasta complejidad del universo sigue siendo hoy un incesante campo de estudio donde novedosos descubrimientos irrumpen cada vez para proporcionar nuevos campos de investigación o deshacer teorías que creíamos plausibles. Sin duda, es un reto para la humanidad y la ciencia, y los avances tecnológicos contribuyen a favor para disponer de medios que faciliten la comprensión y estudio de este campo insondable.
La intersección de la relatividad general y la mecánica cuántica en el estudio de los agujeros negros sigue siendo un terreno fértil para la exploración científica, con la esperanza de que, al descifrar los secretos de estos objetos cósmicos, obtengamos una comprensión más profunda de la naturaleza misma del universo.