El misterio de los agujeros negros

Los agujeros negros estaban, sin que apenas nadie lo percibiera en aquel entonces, en el centro la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Nadie excepto el excelso matemático y astrofísico que dirigía a principios del Siglo XX el Observatorio de Postdam, Karl Schwarzschild, quien se daría cuenta pronto de su existencia y su importancia en la gravitación universal.

Pero la Primera Guerra Mundial complicó mucho su trabajo científico. Cuando Einstein publicó los artículos en los que enunciaba las ecuaciones del campo gravitatorio de su teoría, Schwarzschild se encontraba destinado en los campos de batalla de Rusia, encargado de calcular la trayectoria de los proyectiles de artillería. Él mismo se había presentado voluntario al ejército del Imperio alemán. Pero el trabajo debía quedársele pequeño porque, tras leer el trabajo de Einstein, se puso inmediatamente a aplicar las nuevas ecuaciones a los objetos del Cosmos.

Y las conclusiones no tardaron en llegar. En enero de 1916 -sólo tres meses después de la publicación de la Teoría de la Relatividad General-, Schwarzschild envió por correo sus resultados a Einstein.«Estoy seguro de que permitirán a su teoría brillar con mayor pureza», escribió desde el frente ruso el astrofísico alemán. El propio genio de la Física se rindió ante los cálculos de Schwarzschild. «Jamás habría esperado que la solución exacta al problema pudiera formularse de una manera tan simple», respondió, según cita el escritor Walter Isaacson en la biografía titulada Einstein, su vida y su universo (Debate).

Dyson: «Los agujeros negros no son raros y no constituyen un adorno accidental de nuestro universo. Son los únicos lugares del Universo donde la Teoría de la Relatividad de Einstein se muestra en toda su potencia y esplendor»

Pero no en todo estaba de acuerdo con los cálculos de Schwarzschild. Éste se había centrado en la curvatura del espacio-tiempo, tanto fuera como en el interior de una estrella esférica. No obstante, en sus conclusiones había algo con lo que Einstein jamás comulgaría. Si toda la masa de la estrella se comprimiese en un espacio lo suficientemente pequeño, el espacio-tiempo se curvaría de forma infinita sobre sí mismo. Lo que ocurriría en ese caso es que dentro de ese pequeño espacio -definido por lo que ha pasado a la historia de la Ciencia como radio de Schwarzschild- nada podría escapar de la fuerza gravitatoria de ese cuerpo, ni siquiera la luz. Pero, además, el tiempo también se vería afectado, dilatándose hasta cero. Dicho de otro modo, si una persona se situase cerca de ese objeto ultradenso quedaría, a ojos de un observador externo, congelado en el tiempo.

La Tierra en una canica

Eso ocurriría, según sus cálculos, si toda la masa de nuestro Sol se comprimiera en un radio de algo menos de tres kilómetros o a la Tierra si pudiésemos concentrar su masa en una canica de dos centímetros. Para Einstein esto era, sencillamente, imposible. Pero ni uno ni otro tendrían tiempo para comprobar que de lo que estaban hablando era de los agujeros negros. Schwarzschild murió en el frente a consecuencia de una enfermedad autoinmune que atacó a las células de su piel pocas semanas después de escribir a Einstein. Y éste también moriría antes de que otros gigantes científicos como Stephen Hawking, Roger Penrose, John Wheeler o Freeman Dyson demostrasen en la década de los 60 que la extraña teoría de Schwarzschild era algo más que real.

Al contrario de lo que ocurre con otras disciplinas científicas, los físicos suelen ser muy buenos vendedores de sus teorías y sus nombres son en ocasiones auténticos productos de marketing diseñados para triunfar. Según cuenta el profesor de Física de la Universidad de Columbia Brian Greene en su obra La realidad oculta (Crítica), el hecho de que el abismo gravitatorio creado por los agujeros negros atrape incluso a la luz implica que estas regiones del Universo estén fundidas en negro, por lo que, poco después de que se publicasen los resultados de Schwarzschild, fueron denominadas como «estrellas oscuras». También el efecto que tienen sobre el tiempo llevó a que se propusiese el nombre de «estrellas congeladas». Pero eso fue hasta que, medio siglo después, John Wheeler -físico teórico de la Universidad de Princeton y uno de los pioneros de la fisión nuclear dentro del Proyecto Manhattan que permitió el desarrollo de la bomba atómica- comenzó a estudiar estos objetos cósmicos ultradensos. «Wheeler, casi tan adepto al marketing como a la física», popularizó estas estrellas con el nombre que las ha hecho célebres: «agujeros negros», relata Greene.

En la actualidad, se han descubierto decenas de agujeros negros en todo el Universo y no pasa una sola semana sin que la comunidad científica publique un nuevo avance en el estudio de estos densos objetos cósmicos. Como explicó el brillante físico británico -nacionalizado después estadounidense- Freeman Dyson, los agujeros negros «no son raros y no constituyen un adorno accidental de nuestro universo. Son los únicos lugares del Universo donde la Teoría de la Relatividad de Einstein se muestra en toda su potencia y esplendor».

Sin embargo, a pesar de los casi 100 años que han pasado desde su descubrimiento y de los esfuerzos de algunas de las mentes científicas más brillantes del siglo XX aún hay muchas incógnitas en torno a los agujeros negros.

La última gran esperanza para avanzar en el conocimiento de estos misteriosos objetos se acaba de desvanecer recientemente. A pesar de lo terrorífico que pueda sonar para el gran público el concepto deun gran sumidero cósmico capaz de engullir cualquier objeto del Universo y del que nada puede escapar, hay agujeros negros en todas las galaxias.

Un sumidero cósmico cercano

Se han detectado agujeros negros en algunas cercanas, como en la Nube de Magallanes, a más de 130.000 años luz de distancia de la Tierra. Pero también en la Vía Láctea. De hecho, un enorme agujero negro de cuatro millones de veces la masa del Sol, llamado Sagittarius A*, domina el centro de nuestra galaxia.

Cuando engullen la materia de cualquier objeto cósmico, la gran atracción que generan acelera esta materia hasta una velocidad cercana a la de la luz. Y cuando eso sucede... ¡Fuegos artificiales! Se emiten rayos X

«En la Vía Láctea hay unos 100.000 millones de estrellas y todas ellas giran en torno a este fantástico agujero negro», dice Jorge Casares, investigador del Instituto Astrofísico de Canarias y de la Universidad de la Laguna. «Para tener ligadas gravitacionalmente a tantas estrellas hay que tener un agujero negro como Sagittarius A* o mayor», asegura.

A principios de año, dos de los grupos más punteros en el estudio y seguimiento de este agujero negro -el que dirige Andrea Ghez en la Universidad de California, Los Angeles (UCLA), y el de Stefan Gillessen en el Instituto Max Planck para Física Extraterrestre de Alemania- anunciaban que, por primera vez, los astrónomos tendrían la posibilidad de asistir a uno de los banquetes cósmicos de Sagittarius A*. Las observaciones indicaban que en los meses de marzo o abril de 2014 una nube de gas pasaría por el punto más cercano al agujero negro y sería devorada en apenas unos días.

La comunidad astrofísica esperaba el acontecimiento con impaciencia, pero finalmente no ha sido así. Las previsiones han fallado. La semana pasada, la propia Andrea Ghez publicaba una comunicación en un sistema de intercambio de información científica llamado The Astronomer's Telegram donde aseguraba que, después de alcanzar el punto más cercano a Sagittarius A*, la nube de gas -denominada G2- «está todavía intacta». Incluso en ese punto de máximo acercamiento, la distancia entre la nube de gas y el agujero negro sería todavía de 200 veces la distancia que hay de la Tierra al Sol.

«Se esperaba que se deshiciera en el punto más cercano y no ha sucedido», explica Marc Ribó, investigador experto en agujeros negros de la Universidad de Barcelona. «Se sigue observando como si fuera una fuente puntual, lo que permite pensar que G2 podría ser una nube de gas, pero que está alrededor de una estrella», opina.

Las previsiones científicas indicaban que la enorme fuerza gravitacional del agujero negro del centro de nuestra galaxia debería atraer a la nube de gas a velocidades de varios miles de kilómetros por segundo. Sólo para dar una idea de la magnitud, a esa velocidad se podría volar de desde Estados Unidos a España en menos de un segundo. Sin embargo, la fuerza gravitacional de esa posible estrella del interior de la nube de gas podría haber impedido que G2 fuera engullida por el agujero negro.

Representación artística del disco y de los chorros eyectados en el agujero negro de Cygnus X-1. NASA

«Todavía hay gas que está siendo arrancado de este objeto, de la nube G2», asegura a EL MUNDO Andrea Ghez. «Y este material aún podría chocar eventualmente con Sagittarius A*, incluso aunque hubiese una estrella en el centro que evite que el objeto entero sea atraído en forma de espiral y devorado por el agujero negro. Así que sólo es cuestión del grado y la magnitud del evento que podamos observar», dice.

Sea como fuese, se ha desvanecido una oportunidad única para estudiar la acreción de una gran cantidad de materia en uno de los agujeros negros que predecía la Teoría de la Relatividad de Einstein y que demostró en 1916 Karl Schwarzschild desde los campos de batalla rusos.

Resulta paradójico pensar que, a pesar de la urgente actualidad que tiene el estudio del centro de la galaxia para los astrofísicos, Sagittarius A* se encuentra a 26.000 años luz de distancia de la Tierra, por lo que los acontecimientos que se estudian hoy ocurrieron en realidad hace 26.000 años.

Para los astrofísicos, la oportunidad perdida tampoco es el fin del mundo. «Puede ser que volvamos a tener alguna otra oportunidad a lo largo de nuestra vida», afirma Ribó. «Si hubiera pasado hace 15 años, no lo hubiéramos visto, porque los instrumentos de observación de entonces no lo permitían», dice. Y tiene mucha razón. El avance de las tecnologías de observación espacial de los últimos años han sido determinantes. Pero no sólo la construcción de potentes telescopios con espejos de varios metros de diámetro en el desierto de Atacama de Chile o en Hawai. También están siendo fundamentales otras tecnologías para profundizar en el estudio de los misteriosos agujeros negros.

Fuegos artificiales

El hecho de que su enorme atracción gravitatoria arrastre hasta a las partículas elementales de la luz -los fotones-, hace que no emitan ninguna señal y que sean imposibles de detectar por sí mismos. «Los agujeros negros se pueden detectar en fases de actividad, cuando engullen cosas», explica Casares. Si están en estado de quietud, no hay nada que dé la alarma. «No vemos nada», dice.

Sin embargo, cuando engullen la materia de cualquier objeto cósmico, la enorme atracción que generan acelera esta materia hasta una velocidad cercana a la de la luz. Y cuando eso sucede... ¡Fuegos artificiales! Los jirones de materia que el agujero negro arranca a las estrellas o a las nubes de gas cercanas emiten rayos X y otros tipos de radiación que los instrumentos astronómicos actuales son capaces de detectar aunque estén a decenas de miles de años luz de distancia.

Los fuegos artificiales que los astrofísicos pueden ver cuando se produce una acreción de materia en un agujero negro consisten en la formación de un disco de material y de chorros que salen eyectados de forma perpendicular al disco.

«Además de los telescopios de luz infrarroja o de rayos X, estos hallazgos han sido posibles gracias a técnicas de óptica adaptativa que son capaces de corregir en las imágenes las turbulencias de la atmósfera, que deforman las estrellas», dice Casares. «Es como si pudiésemos situar el Very Large Telescope (VLT) del desierto chileno de Atacama por encima de la atmósfera y observar desde allí el espacio».

Los agujeros negros supermasivos como el que ocupa el centro de la Vía Láctea parecen tener mucho más atractivo para el gran público. Pero lo más habitual para los astrofísicos es detectar otros más pequeños -de cinco o diez masas solares- que normalmente están asociados a una estrella, a la que arrancan la materia que es engullida y que permite a los físicos observar el acontecimiento. Según el criterio de los científicos, si su masa es equivalente a tres veces la del Sol es un agujero negro, pero si es menor puede ser otras cosas, como una estrella de neutrones.

Hasta ahora, la comunidad científica ha detectado unos 20 agujeros negros confirmados. Un equipo científico español en el que participan Jorge Casares y Marc Ribó es uno de los más activos en la búsqueda de estos objetos y es responsable del hallazgo de seis de los 20 encontrados en total. «Vemos unos dos eventos de acreción de materia en agujeros negros cada año», dice Casares. «Es más fácil ver acontecimientos en agujeros negros más pequeños», explica Ribó.

La explosión de una estrella en una supernova puede dar lugar a uno de estos objetos cósmicos y, de hecho, esto ya se ha observado tras un colapso estelar. Pero lo que continúa siendo un enigma es cómo se formaron los agujeros negros de varios millones -incluso de millones de millones- de masas como la del Sol. «Los agujeros negros muy masivos, de cientos de miles de millones de masas solares se postula que se formaron en el origen del Universo, cuando las estrellas que se formaban en aquel cosmos primigenio tenían masas enormes y explotaban como supernovas», dice Casares. La formación de cúmulos de agujeros negros en aquel universo recién nacido podría explicar la presencia de gigantes como Sagittarius A*.

Materia oscura

Otro de los grandes misterios de los agujeros negros es por qué existen de pequeño tamaño, unas cinco o 10 masas solares, y de gran tamaño, millones de veces la masa del Sol y no hay evidencias de la existencia de agujeros negros intermedios de 100 o 1.000 masas solares. Demasiadas incógnitas. Pero en este terreno de la Astrofísica y Física teórica de vanguardia todo puede complicarse aún más. Y es que en algún punto el papel cósmico de los agujeros negros se da la mano con otro de los grandes misterios actuales del estudio del Cosmos: la materia oscura.

El año próximo, el proyecto Event Horizon Telescope -una iniciativa para crear una red global de observatorios para estudiar el entorno inmediato de Sagittarius A*- alcanzará suficiente resolución como para diferenciar la luz que es arrastrada hacia el interior del agujero negro de la que va a parar al enigmático halo de materia oscura que lo rodea.

Hace apenas tres días, un equipo científico de EEUU daba un paso adelante en el estudio de esta indescifrable pareja de objetos cósmicos que domina nuestra galaxia. El descubrimiento de una estrella que viaja a una velocidad de casi dos millones de kilómetros por hora podría arrojar luz sobre el más oscuro secreto de la Vía Láctea. «No podemos ver el halo de materia oscura, pero su gravedad actúa sobre la estrella», dice Zheng Zheng, profesor de Física y Astronomía de la Universidad de Utah y autor principal del estudio.

Según los expertos, una desviación de la forma prevista de este misterioso halo podría indicar que la teoría de la gravedad de Einstein necesita ser revisada. Pero aún es pronto para eso. En el año 2018, una estrella llamada So-2 pasará considerablemente más cerca del agujero negro gigante del centro de nuestra galaxia de lo que está la nube de gas G2 en este momento. La órbita de esta estrella podría poner a prueba si las ecuaciones de Einstein describen correctamente la gravedad en las inmediaciones de un agujero negro supermasivo. Para ese momento, las teorías del genial físico alemán y los cálculos matemáticos de Karl Schwarzschild ya habrán cumplido más de 100 años. Y, como en aquel momento, los agujeros negros aún serán uno de los grandes misterios del Universo para los físicos.