Cuando lanzamos una pelota al cielo esta, por fuerza de la gravedad, regresa a nuestras manos. Si tuviéramos un brazo biónico y la lanzáramos con una velocidad de 11.2 km/s la pelota atravesaría la atmósfera terrestre y escaparía al espacio para no regresar nunca. A esa velocidad requerida se le denomina “velocidad de escape”.
La velocidad de escape está en función de la masa del objeto del que se quiere escapar. Así, en la Luna la velocidad para escapar de la fuerza de atracción gravitacional es de 2.4 km/s; en Júpiter de 59.5 km/s; y si milagrosamente estuviéramos en la superficie del Sol la velocidad de escape sería de 617.5 km/s. La velocidad de escape siempre es la misma para todos los objetos [1] (pesados o livianos), es decir que en la Tierra una pelota y una nave espacial necesitan la misma velocidad (11.2 km/s) para escapar [2] de la atracción gravitacional de nuestro planeta.
Si entre mayor es la masa de un planeta o cuerpo celeste, mayor es la velocidad de escape necesaria ¿Qué sucede si tengo un cuerpo celeste con tal masa que la velocidad de escape resulta ser mayor que la velocidad de la luz? Esta pregunta se le ocurrió al científico inglés John Michell (1724-1793) quien bautizó como “estrellas negras” a estos casos exóticos en los que ni siquiera la luz podría escapar.
Los hoyos negros no son estrellas porque en su núcleo no hay reacciones nucleares. El punto clave para entenderlos es que en realidad se trata de objetos que rebasan una densidad [3] crítica. Cualquier objeto, si logra reducir su tamaño más allá de un radio crítico (denominado radio de Schwarzschild) se convierte automáticamente en un hoyo negro.
La explicación completa de un hoyo negro requeriría echar mano de la Teoría General de la Relatividad de Einstein (TGR), pero para evitar que este texto rebase su propia densidad crítica traeré a cuento no la TGR sino una analogía, que no me encanta, pero que sirve como primer acercamiento a la formación de un hoyo negro.
Si sobre una sábana extendida colocara una bola de boliche en el centro [4] y una canica (inicialmente en reposo) en el borde, eventualmente, y debido a la deformación que la bola de boliche produce en la sábana, la canica se acercaría a ella en línea recta. Si la canica no hubiera estado inicialmente en reposo, se hubiera acercado a la bola de boliche con una trayectoria espiral girando alrededor de la bola de boliche. Conforme se fueran colocando bolas de boliche de mayores masas la curvatura de la sábana también incrementaría y con ello la canica daría más vueltas en su espiral alrededor de la bola de boliche. Si la densidad de la bola de boliche fuera mayor a un valor crítico, se tendría tal deformación en la sábana que la canica haría espirales por toda la eternidad.
De modo análogo, según la TGR, todos los objetos deforman el espacio-tiempo (a mayor masa, mayor deformación). Así, cualquier objeto, incluida la luz, que pasa cerca del radio de Schwarzschild de un objeto cuya densidad ha alcanzado un valor crítico, estará condenado a no salir nunca de la curvatura de ese objeto.
Deformación del espacio-tiempo
Si por definición los hoyos negros no dejan escapar la luz, ¿cómo es posible detectarlos? Aunque los hoyos negros no se pueden ver, sabemos que están ahí porque sí se pueden detectar todas las consecuencias gravitacionales que producen a su alrededor. Si muchas estrellas giran rapidísimo alrededor de un punto, sin ninguna razón aparente, es muy probable que ese punto sea un hoyo negro.
¿Cómo detectar un hoyo negro?
Es importante aclarar que los hoyos negros no son invisibles, simplemente emiten tan poca radiación que resultan difíciles de observar. Esta radiación se debe a efectos cuánticos y fue calculada por Stephen Hawking (conocida como radiación Hawking). Como consecuencia del principio de incertidumbre de Heisenberg, se pueden crear pares de partículas y antipartículas a partir de la nada y en donde sea. Por lo general, en cuanto se crean los pares de materia-antimateria estos se anulan automáticamente. Sin embargo, si los pares se crearan exactamente en el borde de un hoyo negro podría suceder que la antimateria fuera absorbida por el hoyo y la materia lograra escapar. De esta manera, el hoyo negro emitiría una radiación sumamente tenue (mientras más masivo es un hoyo negro más tenue es esta radiación).
La radiación Hawking también hace que un hoyo negro disminuya su masa y reduzca su tamaño hasta que desparece por completo (en realidad los hoyos negros no “desaparecen” sino que se “evaporan”). Sin embargo, la tasa de pérdida de masa de los hoyos negros es tan baja que un hoyo negro de una masa solar requeriría cerca de 2 x 10(elevado a la 67 potencia) años.
Explicación de la radiación Hawking
Recordarán la polémica suscitada hace un par de años cuando iban a comenzar a operar los aceleradores de partículas de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). Dentro del colisionador, dos haces de protones están siendo acelerados en sentidos opuestos a velocidades y energías tan elevadas que se temía que tras la colisión podría producirse un hoyo negro que “devoraría” todo lo que hubiera a su alrededor.
Dentro del acelerador, efectivamente, podría crearse un hoyo negro, sí, ¡pero sería microscópico! un hoyo negro que se evaporaría en menos de 10(elevado a la -88 potencia)segundos, tiempo menor al mínimo necesario (tiempo de Planck[5]) para detectar un hoyo negro. Si ese hoyo negro se creara o no, ni nos enteraríamos.
Donde sí se ha confirmado la existencia de un hoyo negro de poco más de 4 millones de masas solares es en el centro de la Vía Láctea (en la constelación de Sagitario A*). La formación de este objeto bestialmente deformador del espacio-tiempo es hasta la fecha un tema de debate.
(Imagen tomada de aquí)
– Diego López Cámara Ramírez, Doctor en Astrofísica
[1] Por esta misma razón los objetos de distintas masas caen al mismo tiempo si se les lanza desde la misma altura.
[2] Por ello las naves espaciales requieren inmensos tanques de combustible para poder alcanzar la velocidad de escape.
[3] Mientras más masa tiene el hoyo negro, menor es su densidad.
[4] En la TGR la sábana representaría el espacio-tiempo en el que vivimos. La bola de boliche sería el objeto de gran densidad.
[5] El tiempo de Planck es equivalente a casi 6 x 10(a la -44) segundos.
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Además de estudiar la muerte de las estrellas, los destellos de rayos gamma y los hoyos negros; amo la docencia y la divulgación de la ciencia.
