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Los Agujeros Negros

Por León Felipe Herrera Ramírez

El nombre agujero negro forma parte ya del léxico cotidiano de muchas personas cuyas ocupaciones no necesariamente tienen algo que ver con la Física Moderna y con la Astronomía. A diario y alrededor del mundo, locutores de radio y televisión, articulistas y columnistas de periódicos y revistas, escritores, maestros de educación básica y media básica, artistas, etc., todos ellos hablan de los agujeros negros con una gran naturalidad.

Sin embargo, son verdaderamente pocas las personas que tienen una idea más o menos clara de lo que es un agujero negro. No obstante su gran popularidad, para mucha gente este tema está envuelto aún por un halo de misterio y fantasía impuesto por algunas publicaciones de carácter pseudocientífico.

En este artículo no pretendo dar una respuesta completa a algunas de las interrogantes de más interés acerca de los agujeros negros. Para ello haría falta un estudio concienzudo de Astronomía y de Física Moderna. Se trata de dar una explicación más o menos informal acerca de lo que son y de sus características.

A grandes rasgos, un agujero negro es una región del espacio que contiene una gran concentración de masa. Un agujero negro posee tanta masa, que un objeto situado en sus cercanías no tiene escape posible de su campo gravitacional. (Recordemos que la atracción gravitacional que ejerce un cuerpo está en proporción directa con su masa.)

Actualmente, la mejor teoría gravitacional con la que contamos es la Teoría General de Relatividad de Einstein. De manera que debemos apoyarnos en algunos resultados emanados de dicha teoría para comprender los agujeros negros en detalle. Pero eso es ir muy rápido. Por lo pronto, comencemos pensando en la gravedad bajo circunstancias más simples.

Suponga que usted está parado en la superficie de la Tierra. En el piso hay una piedra bonita; usted la toma y la lanza hacia arriba. Si asumimos que no la ha lanzado con demasiada fuerza, la piedra se elevará durante un ratito, pero eventualmente la aceleración debida a la gravedad de la Tierra la hará detenerse y que comience a caer, hasta que alcance el piso de nueva cuenta. Si usted lanza la piedra cada vez con más fuerza hacia arriba, llegará el momento en que la piedra no volverá a caer. Eso sucederá cuando la fuerza con la que usted la lance sea lo suficientemente intensa como para que la piedra alcance cierta velocidad que le permita escapar.

La mínima velocidad que debe llevar la piedra de nuestro ejemplo para escapar de la gravedad de un cuerpo es llamada velocidad de escape. Como es de esperarse, la velocidad de escape depende de la masa del cuerpo: Si un planeta tiene mucha masa, entonces su gravedad es muy fuerte y su velocidad de escape es alta. Un planeta menos masivo tendrá una velocidad de escape menor. La velocidad de escape también depende de qué tan lejos se encuentre uno del centro del cuerpo en cuestión: Es mayor mientras más cerca se esté del centro.

Un cuerpo que quiera escapar de la gravedad terrestre debe alcanzar 11,200 metros por segundo (40,320 kilómetros por hora.) Tal es la velocidad de escape de nuestro planeta. Si el mismo cuerpo quisiera escapar de la gravedad de la Luna (que tiene mucho menos masa que la Tierra), debería alcanzar sólo 2,400 metros por segundo (8,640 kilómetros por hora.)

Ahora imagine un objeto cuya enorme concentración de masa y su pequeño radio determinen que su velocidad de escape sea mayor que la de la luz. Entonces, como nada puede ir más rápido que la luz, nada puede escapar del campo gravitacional de ese objeto. Incluso un rayo de luz sería incapaz de escapar de él. Este objeto, del que ni siquiera la luz puede escapar, recibe el nombre de agujero negro.

La idea de una concentración de masa tan densa que incluso atrapara a la misma luz viene del siglo XVIII. A principios de este siglo, casi inmediatamente después de que Einstein desarrollara la relatividad general, Karl Schwarzschild descubrió una solución matemática a las ecuaciones de la teoría que describían un objeto de esas características. No fue sino hasta mucho tiempo después, a partir de los trabajos de los científicos Oppenheimer, Volkoff y Snyder (en la década de los treintas), que se comenzó a tomar en serio la posibilidad de que tales objetos existieran en el Universo. Esencialmente, lo que mostraron sus investigaciones era que, cuando una estrella lo suficientemente masiva se quedaba sin combustible, era incapaz de resistir su propio campo gravitacional y que podría colapsar entonces en un agujero negro.

En la teoría general de relatividad, la gravedad es una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo. Los objetos masivos distorsionan el espacio y el tiempo, de tal suerte que las reglas de la geometría dejan de ser válidas. Cerca de un agujero negro, la distorsión del espacio es extremadamente severa. Esto ocasiona que estos cuerpos tengan algunas propiedades que parecen ser muy extrañas. En particular, un agujero negro posee algo llamado horizonte eventual (del Inglés event horizon.) Se trata de una superficie esférica que denota la frontera del agujero negro. Uno puede pasar por este horizonte (del espacio exterior al interior del agujero negro), pero ya no volver a salir. De hecho, una vez que uno ha cruzado el horizonte, está condenado inexorablemente a moverse cada vez más cerca del centro del agujero negro (la singularidad.)

Uno puede imaginar el horizonte como el lugar donde la velocidad de escape iguala a la velocidad de la luz. Fuera del horizonte, la velocidad de escape es menor que la velocidad de la luz, de tal manera que si uno se impulsa lo suficiente, existe la posibilidad de escapar del agujero negro. Pero dentro del horizonte, no importa cuánto uno llegue a impulsarse: no existe forma de escapar.

El horizonte tiene alguna propiedades geométricas muy extrañas. Para un observador que está colocado a una cierta distancia fuera del agujero negro, el horizonte parece ser una superficie esférica lisa, estática e inmóvil. Pero una vez que el observador se acerca más al horizonte, se dará cuenta de que posee una gran velocidad. De hecho, el horizonte se mueve hacia afuera a la velocidad de la luz. Esto explica por qué es tan fácil cruzar el horizonte hacia adentro del agujero negro, pero imposible en sentido contrario. Como el horizonte se está expandiendo a la velocidad de la luz, para escapar a través de él uno debería poder viajar más rápido que la luz.

Todo esto puede parecerle algo muy extraño. No se preocupe demasiado por eso. Es extraño en realidad. El horizonte en cierto sentido está estático, pero también se expande a la velocidad de la luz. Es como lo que le sucede a Alicia en "Al Otro Lado de Espejo" (Lewis Carroll): Ella debe correr tan rápido como pueda sólo para mantenerse en un mismo sitio.

Esta vez sólo se trataba de dar un panorama muy general acerca de los agujeros negros. Pero de ninguna manera lo que dijimos hoy es todo lo que ha de saberse sobre ellos: Un conocimiento más o menos completo demandaría años de estudios especializados. Para el lector interesado, sin embargo, existen muchas obras de divulgación que no requieren de tanto esfuerzo para ser comprendidas.

Todavía no se ha dicho la última palabra en el estudio de los agujeros negros. Muchos científicos en todo el mundo siguen trabajando para aclarar los misterios que aún son un reto para la ciencia moderna. Pero Roma no se hizo en un día. Sin duda, cuando lleguemos a conocer más acerca de estos interesantes objetos astronómicos, podremos comprender mejor el Universo. Y ésa será la mejor recompensa.