¿Han encontrado los científicos agujeros negros?

PARECE ciencia ficción: estrellas brillantes que colapsan por acción de su propia fuerza gravitatoria y se convierten en cuerpos celestes invisibles de los cuales nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Muchos astrónomos creen que tales agujeros negros pueden ser bastante comunes en el universo. ¿Le gustaría saber más acerca de ellos? La historia comienza en la hermosa constelación del Cisne (latín, Cygnus), que se halla en el hemisferio norte.

Cisne X-1: ¿un agujero negro?

Desde la década de los sesenta, los astrónomos se han interesado en cierta región de la constelación del Cisne. Los observatorios puestos en órbita por encima de la atmósfera terrestre detectaron por aquel entonces en esa zona una potente fuente de rayos X, denominada Cisne X-1 (o Cygnus X-1).

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que cuanto mayor es la temperatura de un objeto, más energía despide en radiaciones electromagnéticas más intensas y de menor longitud de onda. Si se introduce una barra de hierro en un horno muy caliente, al principio se torna de color rojo, y va cambiando a amarillo y después a blanco a medida que va aumentando la temperatura. En ese sentido, las estrellas se parecen a las barras de hierro. Las estrellas rojizas son relativamente frías, de unos 3.000 K, mientras que las amarillas, como el Sol, tienen una temperatura en la superficie de casi 6.000 K.a No obstante, el gas estelar se tendría que calentar hasta una temperatura de millones de kelvins para lograr la radiación de rayos X que emite Cisne X-1. Ninguna estrella alcanza tal temperatura en la superficie.

Los astrónomos han encontrado en la posición de Cisne X-1 una estrella con una temperatura en la superficie estimada en 30.000 K, la cual es ciertamente muy elevada, pero no lo suficiente como para emitir rayos X. Se calcula que la estrella, catalogada como HDE 226868, tiene una masa unas treinta veces mayor que la del Sol y se encuentra a 6.000 años luz de la Tierra. Esta supergigante tiene una compañera, y las dos giran una alrededor de la otra en una especie de vals orbital cada 5,6 días. Los científicos creen que la compañera se halla a solo unos cuantos millones de kilómetros de HDE 226868. Tiene aproximadamente diez veces la masa del Sol, según ciertas fuentes, pero, sorprendentemente, es invisible. Ninguna estrella normal de ese tamaño debería ser invisible a la distancia a la que se encuentra de la Tierra. Un objeto tan masivo y que parece despedir rayos X, pero no luz visible, muy posiblemente sea un agujero negro, dicen los científicos.

Un viaje a un agujero negro

Imaginémonos que pudiéramos viajar a Cisne X-1. Suponiendo que sea efectivamente un agujero negro, lo que veríamos podría parecerse a la ilustración de la página 17. La estrella grande es HDE 226868. Aunque el diámetro de esta es de millones de kilómetros, el del agujero negro tal vez sea de unos 60 kilómetros. El diminuto punto negro en el centro del torbellino de gas resplandeciente es el horizonte de sucesos, o superficie, del agujero negro. Sin embargo, no se trata de una superficie sólida, sino de algo parecido a una sombra. Es el límite de la región en la que la gravedad alrededor del agujero negro es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. Muchos científicos creen que al otro lado del horizonte, en el centro del agujero negro, hay un punto de volumen cero y densidad infinita conocido como singularidad, en cuyo interior ha desaparecido toda la materia del agujero negro.

El agujero negro succiona las capas exteriores de gas de su estrella compañera. El gas gira en espiral a velocidad cada vez mayor y se calienta por la fricción, formando un disco brillante alrededor del agujero negro. Este disco de gas supercaliente emite rayos X en su parte interior, cerca del horizonte de sucesos, donde la intensa gravedad acelera el gas hasta velocidades inimaginables. Por supuesto, una vez que el gas cae en el agujero negro, ni los rayos X ni nada puede escapar de él.

Cisne X-1 ofrece una vista espectacular, pero es peligroso acercarse demasiado. No solo son mortíferos sus rayos X, sino también su gravedad. En la Tierra existe una ligera diferencia entre la fuerza que ejerce la gravedad en nuestra cabeza y en nuestros pies cuando estamos de pie. Esta diferencia produce un leve estiramiento del cuerpo que es imperceptible. No obstante, en Cisne X-1 esa pequeña diferencia se multiplica 150.000 millones de veces, creando una fuerza que literalmente nos estiraría el cuerpo, como si manos invisibles nos estuvieran tirando de los pies y de la cabeza en direcciones opuestas.

Cisne A: ¿un agujero negro supermasivo?

Hay otra región misteriosa en la constelación del Cisne. Visualmente solo se percibe en ella el débil resplandor propio de una galaxia distante, pero es una de las fuentes de ondas de radio más intensas del cielo. Se llama Cisne A (Cygnus A), y desde que se descubrió hace más de cincuenta años, ha tenido desconcertados a los científicos.

La escala de Cisne A escapa a la imaginación. Mientras que Cisne X-1 se halla dentro de nuestra propia galaxia, a unos cuantos miles de años luz, se cree que Cisne A está a cientos de millones de años luz de distancia. Aunque a Cisne X-1 y su compañera visible solo los separa aproximadamente un minuto luz, los dos chorros, o haces, de radiación que parten de Cisne A se encuentran a cientos de miles de años luz de distancia el uno del otro.b Al parecer, algo en el centro de Cisne A lleva cientos de miles o tal vez millones de años expulsando estos potentes chorros de energía en direcciones opuestas, como si de un arma de rayos cósmicos se tratara. Los radiomapas detallados del centro de Cisne A revelan que, en comparación con los chorros, el “arma de rayos” tiene un tamaño diminuto: menos de un mes luz. Si esta se hubiera movido constantemente, los chorros presentarían una forma irregular. Pero los misteriosos haces son perfectamente rectos, como si un enorme giróscopo hubiera estabilizado el “arma de rayos”.

¿A qué podría deberse tal fenómeno? “De las docenas de ideas que se habían propuesto a comienzos de los ochenta para explicar la máquina central —escribe el profesor Kip S. Thorne—, sólo una implicaba un perfecto giróscopo con una vida larga, un tamaño menor que un mes luz y una capacidad para generar chorros potentes. Esta idea singular era un agujero negro gigante en rotación.”

Otros posibles agujeros negros

En 1994, el recién reparado telescopio espacial Hubble examinó la galaxia “cercana” M87, que, según se calcula, está a 50 millones de años luz. Con su sistema óptico corregido, el Hubble detectó en el centro de M87 un remolino de gas que giraba alrededor de un objeto a la increíble velocidad de dos millones de kilómetros por hora. ¿Qué podía hacer que el gas rotara a tal velocidad? Según los cálculos realizados, el objeto en el centro del remolino debe tener una masa equivalente a por lo menos 2.000 millones de veces la del Sol, pero está comprimido en un espacio “minúsculo” del tamaño del sistema solar. Lo único que para los científicos encaja con esta descripción es un agujero negro supermasivo.

En los últimos años se han descubierto posibles agujeros negros en el centro de varias galaxias próximas, incluida nuestra vecina inmediata, Andrómeda, a solo unos dos millones de años luz. Pero puede haber un agujero negro gigante incluso más cerca. Observaciones recientes indican que el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, muy posiblemente contenga un agujero negro de gran masa. En una región pequeña existe un objeto con una masa 2,4 millones de veces superior a la del Sol, que hace que las estrellas cercanas al centro de nuestra galaxia giren alrededor de él a velocidades extraordinarias. El físico Thorne señala: “Los datos acumulados gradualmente durante los años ochenta indican que hay agujeros de ese tipo no sólo en los núcleos de la mayoría de los cuásares y radiogalaxias, sino también en los núcleos de la mayoría de las galaxias normales (no radiogalaxias) y galaxias grandes tales como la Vía Láctea y Andrómeda”.

Así pues, ¿han encontrado los científicos agujeros negros? Posiblemente. Lo cierto es que han descubierto en la constelación del Cisne y en otros puntos del universo objetos muy extraños que como mejor pueden explicarse actualmente es suponiendo que son agujeros negros. Pero la aportación de nuevos datos puede poner en duda las teorías más aceptadas hoy.

Hace más de tres mil quinientos años, Dios le preguntó a Job: “¿Has llegado a conocer los estatutos de los cielos [...]?” (Job 38:33). A pesar de los impresionantes avances que ha realizado la ciencia, esa pregunta sigue siendo pertinente. Al fin y al cabo, cada vez que el hombre empieza a pensar que comprende el universo, surge alguna observación nueva e inesperada que hace tambalear sus teorías cuidadosamente elaboradas. Mientras tanto, podemos contemplar admirados las constelaciones y deleitarnos con su belleza.

[Notas]

[Recuadro de las páginas 16 y 17]

¿Cómo se forman los agujeros negros?

SEGÚN los conocimientos científicos actuales, las estrellas brillan a causa de la oposición constante entre la gravedad y las fuerzas nucleares. Si la gravedad no comprimiera el gas del centro de la estrella, no tendría lugar la fusión nuclear. Por otra parte, si cesan las reacciones nucleares que contrarrestan la atracción gravitatoria, pueden desencadenarse procesos muy extraños en las estrellas.

Algunos científicos creen que cuando se agota el combustible nuclear de hidrógeno y helio de las estrellas cuyo tamaño es similar al del Sol, la gravedad las comprime hasta convertirlas en enanas blancas: objetos del tamaño de la Tierra compuestos de cenizas ardientes. Una enana blanca puede tener tanta masa como el Sol, pero contraída en un espacio un millón de veces inferior.

Podemos visualizar la materia ordinaria como espacio en su mayor parte vacío, pues casi toda la masa de los átomos se concentra en un núcleo diminuto que está rodeado de una nube mucho más grande de electrones. Pero en el interior de la enana blanca, la gravedad oprime la nube de electrones y la mantiene reducida a una fracción mínima de su volumen anterior, de modo que el tamaño de la estrella encogida equivale al de un planeta. En las estrellas de tamaño aproximado al del Sol, en este punto se produce un estado de equilibrio entre la gravedad y las fuerzas procedentes de los electrones, lo cual evita que la estrella se siga contrayendo.

Pero ¿qué sucede con estrellas de masa superior a la del Sol, que tienen más gravedad? En las estrellas de más de 1,4 masas solares, la fuerza de la gravedad es tan intensa que desintegra la nube de electrones. Los protones y los electrones se combinan entonces para formar neutrones, los cuales resisten la presión de la gravedad, con tal de que no sea demasiado fuerte. En lugar de una enana blanca del tamaño de un planeta, el resultado es una estrella de neutrones del tamaño de un asteroide pequeño. Las estrellas de neutrones contienen la materia más densa que se conoce en el universo.

No obstante, ¿qué ocurre si la gravedad sigue aumentando? Los científicos creen que los neutrones son incapaces de resistir la gravedad de las estrellas cuya masa es unas tres veces mayor que la del Sol. Ninguna forma de materia conocida por los físicos puede contrarrestar tal fuerza gravitatoria acumulativa. Parece que la bola de neutrones del tamaño de un asteroide se encogería hasta quedar reducida, no solo a una bola menor, sino a la nada, a un punto llamado singularidad, o a otro objeto teórico aún por definir. La estrella aparentemente desaparecería, dejando tras de sí solo su gravedad y un agujero negro. Este formaría un campo gravitatorio en el lugar donde se hallaba anteriormente la estrella. Sería una región con una gravedad tan sumamente fuerte que nada, ni siquiera la luz, podría escapar.

[Ilustraciones de la página 16]

La constelación del Cisne contiene, entre otras, la nebulosa de Norteamérica (1) y la del Encaje (2). Cisne X-1 (3) está situado en el cuello del cisne

El Cisne (Cygnus)

[Reconocimientos]

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

[Ilustraciones de la página 17]

Cisne X-1 en teoría

Los agujeros negros se detectan por sus efectos en otros cuerpos celestes. En esta ilustración se representa un agujero negro atrayendo gases de una estrella

Reproducción artística de un agujero negro (en el rectángulo rojo), y ampliación (abajo)

[Reconocimiento de la página 14]

Einstein: foto de U.S. National Archives