Bienvenido o bienvenida al podcast XYZ. Con el episodio de hoy comenzamos una trilogía en la que vamos a hablar de agujeros negros. Para empezar, te contamos el apasionante de relato del descubrimiento de los agujeros negros. Puedes escuchar nuestro podcast o leer el siguiente artículo. Esperamos que sea de tu agrado.
INTRODUCCIÓN
Hola soy Jesús, muchísimas gracias por escucharme y bienvenido o bienvenida a un nuevo episodio del Podcast XYZ.
En el episodio de hoy, comenzamos una trilogía de capítulos con la misma temática: los agujeros negros. Los agujeros negros son uno de los objetos del universo más atractivos y enigmáticos que existen. Su descubrimiento fue un proceso apasionante, que abarcó siglos e involucró a algunas de las mejores mentes científicas que hayan existido.
¿Cómo se descubrieron los agujeros negros? ¿Qué certezas tenemos de su existencia? ¿Qué son exactamente? ¿Cómo nacen? En el episodio de hoy, viajaremos a través del espacio-tiempo para intentar dar respuesta a estas preguntas y exploraremos cómo la investigación sobre agujeros negros ha cambiado nuestra comprensión del universo.
¿Te Interesa? Adelante.
Newton y la ley de la gravitación universal
La idea de los agujeros negros es mucho más antigua de lo que creemos. Estos objetos fueron predichos a finales del siglo XVIII, pero en aquel tiempo no había una teoría robusta que apoyara su existencia ni capacidad de observación para confirmarla. Se consideraban objetos teóricos, sin ningún fundamento real.
Para entender los agujeros negros, tenemos que comprender qué es la gravedad. En el año 1687, Sir Isaac Newton propuso la ley de la gravitación universal. En ella, la gravedad se define como una fuerza invisible que aparece entre dos objetos que tienen masa. Según Newton, y esto es importante, ambos objetos tienen que tener masa para que exista gravedad.
“Todo lo que sube tiene que bajar“
Isaac Newton
JOHN MICHELL SOÑANDO CON AGUJEROS NEGROS
En 1783 John Michell, un filósofo y geólogo inglés, tuvo un razonamiento sencillo pero fascinante. Michell conocía el concepto de la velocidad de escape. La velocidad de escape es la velocidad mínima necesaria para escapar de la gravedad de un objeto astronómico. Como es lógico, cuanto más masivo es el objeto, mayor es su fuerza de gravedad y mayor debe ser su velocidad de escape.
John Michell, además de comprender el concepto de velocidad de escape, también conocía la velocidad de la luz, que ya había sido determinada un siglo antes como aproximadamente 300.000 km/s. Así que se preguntó: ¿Qué sucede si una estrella es tan masiva, que su velocidad de escape es superior a la velocidad de la luz?
Las estrellas oscuras
En ese caso, teórico, la luz no podría escapar de la estrella y caería de nuevo sobre su superficie. Michell calculó que una estrella que tuviera 500 veces la masa del sol sería lo que él llamó una “estrella oscura” y no sería visible desde lejos, pues no permitiría que la luz saliera de su superficie.
La estrella oscura fue un concepto revolucionario que causó gran impresión en la comunidad científica, pero que no llegó a cuajar. En esta época, todavía se pensaba que la luz estaba compuesta de pequeñas partículas de materia y, por tanto, se consideraba que la luz tenía masa.
Pero a lo largo del siglo XIX tomó forma la idea de que la luz no tiene masa y por lo tanto según la ley de la gravitación de Newton, no se ve afectada por la gravedad. Si a la luz no le afecta la gravedad podrá escapar de cualquier estrella independientemente de su masa. Si a la luz no le afecta la gravedad, las estrellas oscuras de John Michell no existen.
“Si hay estrellas en el universo tan masivas como hemos supuesto, entonces deben existir algunas que, en el curso de su vida natural, atraviesen un período de colapso bajo la influencia de la gravedad interna, hasta que la velocidad para escapar de sus superficies sea superior a la de la luz“
John Michell
ALBERT EINSTEIN, LA RELATIVIDAD Y LOS AGUJEROS NEGROS
Para reabrir el debate de los agujeros negros, hubo que esperar a que Albert Einstein publicara su Teoría de la relatividad en 1915. Para Einstein, el espacio y el tiempo forman parte de un todo, el continuo espacio tiempo. El espacio tiempo es el tejido del universo conformado por cuatro dimensiones, las tres dimensiones espaciales X, Y, Z y el tiempo.
En la teoría de la relatividad, la gravedad es la deformación del espacio tiempo como consecuencia de la masa y energía de un objeto. Así, cuando un rayo de luz pasa cerca de un objeto muy masivo, su trayectoria se ve afectada por la deformación del espacio. Dicho de forma sencilla, el camino que sigue la luz en línea recta se desvía por acción de la gravedad.
“La masa de un cuerpo es una medida de su energía contenida. La gravedad, no puede ser considerada como una acción a distancia en el sentido de la mecánica clásica. Sólo es posible interpretarla como una consecuencia de la estructura geométrica del espacio y del tiempo”,
Albert Einstein
EL DESCUBRIMIENTO DE LOS AGUJEROS NEGROS: NEWTON VS EINSTEIN
Entonces, según Newton, la gravedad es una fuerza invisible entre dos objetos con masa y como la luz no tiene masa; la trayectoria de un rayo de luz no debería verse afectada por el campo gravitatorio de un objeto masivo, como el Sol. Según Einstein, la gravedad es la deformación del espacio tiempo; la luz, a pesar de no tener masa, debería desviarse al pasar cerca del sol.
¿Quién tenía razón Newton o Einstein? La disputa no podía resolverse mediante ecuaciones, sino que debía demostrarse experimentalmente. En 1919 hubo un eclipse total y fue el momento ideal para dirimir la cuestión: Lo único que había que hacer era mirar donde aparecían las estrellas cercanas al sol durante el eclipse.
Podemos medir la trayectoria de las estrellas con muchísima precisión en el cielo y podemos predecir donde se van a encontrar en todo momento. Si Einstein tenía razón y la gravedad es una deformación del espacio tiempo, las estrellas cuya posición aparente en el cielo se aproxima al sol, deberían desviar su posición como consecuencia de la gravedad de nuestra estrella. Si Newton tenía razón, esto no debía ocurrir.
De día es imposible averiguarlo porque el sol no nos permite ver las estrellas, pero durante un eclipse, el cielo se oscurece y las estrellas aparecen junto al sol. Es por esto que un eclipse fue el momento perfecto para determinar la verdadera naturaleza de la gravedad.
EL EXPERIMENTO QUE CAMBIÓ LA FÍSICA: DEFINIENDO LA GRAVEDAD
Así que en 1919 se montaron dos expediciones para observar el eclipse total y averiguar si la gravedad es una fuerza invisible o una perturbación del espacio tiempo. Una expedición fue a la isla de Príncipe, en África y la otra a Brasil.
Aunque el eclipse fue en mayo, los astrónomos empezaron a medir en enero las posiciones de las estrellas para calcular con precisión dónde deberían estar exactamente en el momento en que la luna tapara el sol y se produjera el eclipse.
Durante los 6 minutos que duró el eclipse, los astrónomos tomaron imágenes. En noviembre de ese mismo año presentaron sus conclusiones: las estrellas cercanas al sol no aparecían en las posiciones en las que deberían estar, la gravedad del sol había desviado los rayos de luz que venían de esas estrellas. Einstein tenía razón y la gravedad es la deformación del espacio tiempo.
DEFINIENDO UN AGUJERO NEGRO
¿Y qué tiene que ver todo esto con los agujeros negros? Pues bien, Einstein demostró que la luz, a pesar de no tener masa, se ve afectada por las fuerzas gravitatorias. Por lo tanto, aquellas estrellas oscuras predichas por John Michell en el siglo XVIII, volvían a ser posibles.
Poco tiempo después de que Einstein presentara la teoría de la relatividad, Karl Schwarzschild, físico y matemático alemán, encontró soluciones a las ecuaciones de la relatividad que predecían que los agujeros negros podían existir, al menos de forma teórica. Sin embargo, gran parte de la comunidad científica, entre ellos el propio Einstein, consideraba que no eran objetos reales, creían que en la naturaleza no podía existir un agujero negro.
De forma teórica, un agujero negro se define como una región del espacio-tiempo con unas características extremas. Su masa es enorme y está concentrada en un volumen tan pequeño que la densidad es inmensa. En su centro existe lo que llamamos la singularidad, un punto donde la gravedad es infinita. Rodeando la singularidad se encuentra el horizonte de sucesos, un umbral donde la velocidad de escape supera la velocidad de la luz. Todo lo que se aproxima al horizonte de sucesos, es absorbido por el agujero negro y desparece, para siempre.
“Uno puede imaginar la singularidad como una gran depresión en el espacio-tiempo, como si alguien hubiera sacado un trozo del universo. De hecho, es algo aún más extraño que eso, pero eso es lo más cercano que podemos describirlo con nuestras palabras”
Karl Schwarzschild
LA OBSERVACIÓN DEL PRIMER AGUJERO NEGRO
Durante casi todo el siglo XX. Los agujeros negros no dejaron de ser objetos teóricos. Tal vez podrían existir, pero había que demostrar su existencia. En los años 60 y 70 del siglo XX se produjeron grandes avances en la astronomía y fuimos capaces de detectar señales de rayos X provenientes de objetos espaciales lejanos.
Una de las fuentes de rayos X que se observó era diferente. En la constelación del Cisne, se detectó un objeto al que se llamó Cygnus X-1, situado a 8124 años luz de distancia. Los cálculos indicaban que debía ser un objeto extremadamente denso y con una gravedad muy elevada. Sin embargo, Cignus X-1 no se comportaba como nada que hubiéramos visto hasta el momento.
Hubo que esperar hasta los años 90 del siglo XX y al uso del telescopio espacial Hubble para determinar de forma consistente, qué estaba pasando en el sistema Cygnus X-1.
Cygnus X-1 es un sistema binario, formado por dos objetos. El primero es una estrella gigante azul, 30 veces más grande que el sol y 400.000 veces más masiva. El segundo es un objeto misterioso de unas 15 veces la masa del sol, pero cuyo radio es de aproximadamente 6 km. Ambos objetos están orbitándose a una distancia del 20% de la distancia entre el Sol y la Tierra. Nuestro objeto misterioso roba gas de la estrella gigante azul y lo absorbe, pero en el proceso de caída, ese gas emite una gran cantidad de energía en forma de rayos X. Este objeto, Cygnus X-1, es tan denso y tan masivo que solo puede ser un agujero negro. Un objeto del que ni siquiera la luz puede escapar. Y así, fue como confirmamos que los agujeros negros existen.
¿QUÉ TIPOS DE AGUJERO NEGRO EXISTEN?
Desde entonces hemos detectado multitud de agujeros negros en el universo. No todos son iguales. Teóricamente, pueden ser tan pequeños como un átomo o tan grandes como una galaxia entera. Los hay con carga y sin carga, estáticos y rotatorios, primordiales y no primordiales… De manera muy sencilla podemos considerar dos tipos de agujeros negros, los estelares y los supermasivos.
Los estelares son los más comunes y se forman cuando una estrella extremadamente masiva se queda sin combustible. Si la estrella es suficientemente grande, genera una explosión colosal llamada supernova. Lo que queda tras esa explosión es un agujero negro estelar.
Los agujeros negros supermasivos son muchísimo más grandes, entre millones y miles de millones de veces la masa del sol. Los hemos observado en el centro de muchas galaxias y puede existir uno en el centro de cada una de ellas. Son enormes objetos que gobiernan la gravedad de toda su galaxia haciendo girar a su alrededor a cientos de miles de millones de estrellas como nuestro sol.
No tenemos muy claro aún como se forman los agujeros negros supermasivos. Algunas teorías dicen que se forman por agregación de agujeros negros estelares, que van creciendo hasta formar este enorme objeto. Otras teorías afirman que se crearon de forma directa durante las primeras etapas de vida del universo. Lo único que sabemos con seguridad es que están ahí, curvando el tejido del universo.
LA PRIMERA FOTOGRAFÍA DE UN AGUJERO NEGRO
Para terminar, en el año 2019 la humanidad consiguió un hito muy importante en su historia: La observación de un agujero negro por primera vez de forma directa, no observando los efectos que causa en su entorno, sino a través de una imagen de su sombra. Fue el agujero negro supermasivo del centro de la galaxia M87, situada a unos 55 millones de años luz de distancia.
La imagen fue tomada por el observatorio EHT. En realidad, no se trata de un telescopio individual, sino de una red de telescopios repartida por todo el mundo, trabajando en colaboración para simular un telescopio virtual del tamaño de la Tierra.
En la imagen podemos ver un anillo brillante de luz alrededor de una sombra oscura. Esta sombra es el horizonte de sucesos del agujero negro. El anillo brillante es el disco de acreción que orbita a su alrededor, está formado por el gas incandescente que ha sido atrapado por el agujero negro y cae en órbitas cada vez más pequeñas hacia su interior para desaparecer en su singularidad.
CONCLUSIONES: EL DESCUBRIMIENTO DE LOS AGUJEROS NEGROS
John Michell tenía razón, existen “estrellas oscuras”, objetos astronómicos tan densos que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Por desgracia para él, cuando murió quedaban siglos para que se pudieran demostrar sus ideas a nivel teórico y más aún para que se pudieran observar por primera vez agujeros negros en el universo.
Y es que todo lo que ocurre alrededor de los agujeros negros es un misterio. Las mentes más brillantes del planeta han estudiado estos objetos intentando descifrar sus complejidades y entender las causas de su existencia. Es posible que nunca lleguemos a conocer con certeza muchas de las preguntas que nos hacemos al respecto de ellos. Es probable que la humanidad nunca llegue a enviar nada lo suficientemente cerca de un agujero negro como para tener acceso directo a su funcionamiento. Sin embargo, podemos soñar con entenderlos y sabemos perfectamente que están ahí.
Los agujeros negros no solo representan la muerte violenta de estrellas supermasivas y no solo modelan el comportamiento de miles de millones de estrellas desde el centro de la galaxia. Hoy en día los agujeros negros son laboratorios excepcionales para la física teórica, nos ayudan a modelar el funcionamiento del universo y a comprender nuestro lugar en el cosmos.
Referencias del Podcast XYZ: Descubriendo los agujeros negros
Agujeros negros, guía práctica – Más allá del horizonte de sucesos
Breve guía para entender qué son los agujeros negros – science media centre
John Michell: El hombre que describió los agujeros negros en 1783 – recuerdos de pandora
La carta que Einstein recibió de Schwarzschild – BBC
El agujero negro Cygnus X-1 – La conexión cósmica
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51 – Esperanza de vida y resurrección
50 – El Origen de la vida y la Panspermia