¿Qué son los agujeros negros?
Son tan misteriosos que su nombre se utiliza como metáfora para hablar de lo desconocido, y se les bautizó de esta manera porque fueron descubiertos, precisamente, como agujeros negros en medio del espacio.
No son, sin embargo, agujeros, sino cuerpos celestes con muchísima masa concentrada en muy poco espacio, lo que hace que tengan una densidad tan extrema y, por tanto, una fuerza gravitacional tan grande, que nada escapa a su atracción, y de ahí procede su nombre.
Su descubrimiento es relativamente reciente en la historia de la astronomía, y actualmente se clasifican en dos tipos según su masa; los «agujeros negros súper masivos”, y los llamados «agujeros negros de masa estelar».
Los agujeros negros súper masivos son los que encontramos en los núcleos de casi todas las galaxias, y tienen una masa de millones de veces la masa del Sol. Son los más desconocidos, y no se sabe prácticamente nada acerca de su origen.
Los agujeros negros de masa estelar son los que aparecen tras la muerte la muerte de algunas estrellas, y aquí explicaremos brevemente la cadena de sucesos que las conducen a esta transformación.
Las estrellas son, en realidad, como grandes estufas que va consumiendo su combustible, por lo que antes o después morirán. Pero antes de morir y convertirse, quizás, en agujeros negros, las estrellas pasan por diferentes fases que las van alterando profundamente.
Como hemos mencionadas, solo “algunas” estrellas acaban convirtiéndose en agujeros negros. Esto se debe a que los procesos de transformación que deben sufrir para llegar a ello, y que veremos a continuación, solo acontecen en las que tienen un tamaño de unas 20 o 30 masas solares.
Antes de empezar a extinguirse, las estrellas están durante mucho tiempo en una situación más o menos estable, que es en la que se encuentra nuestro Sol actualmente.
Esta situación estable se debe a un equilibrio de todas las fuerzas que se suceden en su interior.
Por un lado, debido a su gran tamaño y al campo gravitatorio que generan, sufren una fuerza muy intensa que las lleva a intentar comprimirse.
Esta fuerza de compresión es realmente gigantesca, y genera una presión tan grande que hace aumentar la temperatura del interior de la estrella, hasta tal punto que induce a la fusión de sus átomos, con la consiguiente tendencia a reducir su tamaño.
Por otro lado, cuando se produce está fusión de partículas, se genera muchísima energía en el interior de la estrella que es liberada en forma de radiación, y esta radiación tiende a expandir la estrella contrarrestando la fuerza de compresión.
Es, precisamente cuando ambas fuerzas se compensan, cuando la estrella se encuentra en un estado de equilibrio y no sufre grandes cambios.
Veamos un poco más en detalle como se producen estas dos fuerzas contrapuestas.
Las estrellas, en su estado estable, y como gran parte del universo, están compuestas principalmente por átomos de hidrógeno (H).
El hidrógeno es el elemento más sencillo de la naturaleza, y tiene una estructura formada por un núcleo con un sólo protón y con un electrón girando a su alrededor.
Debido a la gran presión generada por la gravedad, y las altas temperaturas que se generan en su interior, dentro de la estrella se produce el fenómeno de la “fusión”.
Como su propio nombre indica, en este proceso, los núcleos de los átomos de hidrógeno se fusionan, y lo hacen de dos en dos, dando lugar a átomos de helio (He) con un núcleo más pesado.
En un principio el núcleo del átomo de helio debería pesar exactamente la suma de los dos núcleos de hidrógeno, sin embargo, el átomo de helio pesa un poco menos de lo esperado.
¿Qué ha sucedido, entonces, con esa pequeña cantidad de masa que nos falta?
Esta diferencia de masa es liberada durante el proceso en forma de radiación, y esto ocurre siguiendo la famosa ecuación de Einstein, E=mc², que nos describe como la masa puede transformarse en energía.
En este caso, la masa que es transformada en energía es muy pequeña, pero si aplicamos la fórmula mencionada podemos ver que una cantidad muy pequeña de masa puede producir una cantidad de energía inmensa.
Esta liberación de energía se produce de manera constante en el interior de la estrella, y es la responsable de la fuerza de expansión que hemos comentado.
Este equilibrio entre la fuerza de compresión ejercida por la gravedad y la fuerza hacia el exterior ejercida por la fusión del hidrógeno es lo que mantiene a una estrella estable.
¿Y cuándo empieza el proceso de muerte de una estrella?
A medida que la estrella envejece, este proceso va consumiendo el hidrógeno de su interior y este empieza a agotarse. Esto hace que cada vez se produzca menos fusión de hidrógeno por lo que la radiación generada desciende y la fuerza de expansión se debilita.
Cuando esto ocurre, se rompe el equilibrio que mantiene a la estrella estable; la fuerza ejercida por la gravedad empieza a ganar la partida y la estrella se encoge aumentando su densidad.
Al comprimirse la estrella, aumenta mucho su temperatura interior y esto desata un nuevo proceso de fusión, esta vez entre los átomos de helio generados por la fusión del hidrógeno en la etapa anterior.
Esta nueva fusión, ahora entre átomos de helio, crea átomos de carbono, todavía más pesados, y se genera de nuevo una energía en forma de radiación muy fuerte que devuelve a la estrella a un nuevo estado de equilibrio.
Tras un tiempo manteniendo este nuevo equilibrio, el helio también acaba consumiéndose, la fuerza de compresión vuelve a ser mayor que la de expansión, el proceso de fusión se repite, y los átomos de carbono empiezan a fusionarse en otros todavía más pesados.
De esta manera, a medida que va fusionando los diferentes elementos que la componen, la estrella va pasando por diferentes estados de equilibrio, y cada vez que pasa de un equilibrio a otro se comprime convirtiéndose en una estrella más pequeña y más densa.
Llegará un momento, si embargo, en que se genera un nuevo escenario, y es cuando el combustible generado por la fusión es el hierro (Fe).
Igual que en los casos anteriores, y debido a la presión a la que esta sometida la estrella, los átomos de hierro también empiezan a fusionarse a causa de la presión, sin embargo, la fusión del hierro tiene una diferencia importante respecto a las anteriores, y es que no libera prácticamente nada de energía.
Esta nueva situación en que la fusión no genera energía hace que no se llegue a ningún estado de equilibrio entre las fuerzas de expansión y compresión, por lo que la fuerza de gravedad, que aumenta sin parar, va comprimiendo la estrella incrementando la densidad de su interior sin que ninguna fuerza expansiva la retenga.
Esta situación conduce a la estrella a un colapso en que la estrella implosiona, encogiendo toda su masa a gran velocidad.
Esta compresión tan extrema genera, prácticamente de forma instantánea, unas cantidades de calor y energía enormes que finalmente conducen a una gran explosión.
El resultado de esta gran explosión es lo que conocemos como una Supernova.
La supernova lanzará al espacio los restos de la estrella moribunda, y esta gran masa de polvo estelar arrojada al espacio, acabará, en ciertos casos, convirtiéndose en una espectacular nebulosa.
Tras esta explosión, en el centro de la estrella original ya solo encontraremos un pequeño núcleo extremadamente denso, que seguirá comprimiéndose sobre sí mismo hasta condensar prácticamente toda su masa en solo punto, lo que dará lugar a un agujero negro.
Para hacernos una idea de la densidad y características que puede tener un agujero negro, vamos a poner un ejemplo.
El Sol tiene 1.392.000 km de diámetro, y si llegara a convertirse en un agujero negro, toda su masa quedaría concentrada en un espacio de 3 km de diámetro.
Este agujero negro, del tamaño de una ciudad pequeña, seguiría teniendo exactamente la misma masa que el Sol, y por tanto generaría el mismo campo gravitatorio, por lo que, si lo pusiéramos en el centro del sistema solar, este seguiría funcionando como lo hace ahora, con la diferencia de que en el centro, en lugar del Sol, encontraríamos solamente un oscuro y frío agujero negro de 3 km de diámetro.
¿Y cómo se han descubierto los agujeros negros?
Debido a su gran densidad, los agujeros negros absorben todo lo que se encuentra a su alrededor, incluida la luz, por lo que no emiten ningún brillo y no pueden localizarse como se hace con las estrellas. Son, sin embargo, tan masivos, y generan un campo gravitatorio tan grande, que se localizan observando como afectan al espacio que los rodea.
Alrededor del agujero negro encontramos normalmente un disco de materia que proviene de la explosión de la estrella original, y que todavía está girando alrededor del agujero. Este disco se llama el disco de Acreción y las partículas que lo componen van cayendo irremediablemente hacia el interior del agujero.
Estas partículas de disco de Acreción son absorbidas por el agujero negro cuando alcanzan un límite a partir del cual ya no hay escapatoria, y este límite es conocido como el horizonte de sucesos.
En esta imagen podemos ver el disco de Acreción y el horizonte de sucesos, pero también observamos una especie de columna de energía que parece salir del agujero negro, y se debe a que recientemente se ha descubierto que en realidad los agujeros negros también emiten energía.
Esta energía representa una pequeñísima cantidad de radiación en forma de fotones que son liberados cuando el agujero negro va absorbiendo materia.
Esperamos que tras todas estas explicaciones hayan podido arrojar un poco de luz al misterio, y que nos den una idea general de que son los agujeros negros, que, aunque parezcan elementos de ciencia ficción, existen y se han podido localizar. Se han captado, incluso, agujeros negros devorando estrellas enteras, como solo podríamos imaginar en una película fantástica.