Del cine a los agujeros negros.

Últimamente han llegado a las pantallas de los cines títulos como "La teoría del todo" o "Interstellar" que mencionan o incluso hacen uso para sus líneas argumentales de conceptos tales como agujeros negros, agujeros de gusano o incluso dilatación temporal. Vamos a intentar explicar de manera sencilla que se esconde detrás de estas expresiones.

Empezaremos con los archiconocidos agujeros negros. Probablemente, la explicación  más conocida asociada al término es algo así como que se trata de una región finita del espacio-tiempo donde existe una concentración de masa lo suficientemente  grande como para generar un campo gravitatorio tan intenso que no permite que nada escape de él, ni siquiera la luz. Ahora bien, vamos a intentar explicar un poco más por qué ocurre esto, así como la historia del término. Para ello hemos de remontarnos a 1783, que es cuando por primera vez se hace referencia a los agujeros negros de la mano de un filósofo de la naturaleza y geólogo inglés llamado John Michell que llevo a cabo el siguiente razonamiento. Si lanzamos  un objeto  verticalmente y hacia arriba, transcurrido un tiempo este se verá frenado por la acción de la gravedad con lo que dejará de ascender terminando por volver finalmente a la superficie terrestre. Ahora bien, si pudiéramos imprimirle al objeto la suficiente fuerza para superar a la fuerza de la gravedad esta no sería capaz de retenerlo y el objeto en cuestión abandonaría, ahora sí, la Tierra. O dicho de otro modo, lo que hemos conseguido es superar un valor llamado velocidad de escape, que dicho sea de paso es distinto para cada planeta, estrella etc… Por citar algunos  ejemplos digamos que la velocidad de escape en nuestro planeta es de aproximadamente  11 km/s, la de la Luna es de 2 km/s y la del Sol 620 km/s. Como podéis comprobar se trata de unos valores, incluso el de la Luna, lo suficientemente grandes como para que nos resulte muy difícil lanzar un objeto y que este no vuelva. Esta es la razón por la que las piedras que lanzamos desde bien pequeños siempre vuelvan a caer y nunca hayamos conseguido un lanzamiento tal que haga que la piedra no vuelva a caer. Ahora bien  para la luz, cuya velocidad es de 300.000 km/s, podemos comprobar que no resulta ningún problema abandonar la superficie terrestre o de alguna estrella y esa es la razón por la cual recibimos la luz solar. Lo que le llevo a John Michell a argumentar que si existieran estrellas lo suficientemente masivas, muchísimo más que nuestro Sol, llegando a alcanzar velocidades de escape superiores a las de la luz, esta no podría abandonar dichas estrellas quedando de manera inexorable atrapada por su gravedad. Es decir la luz no sería capaz de superar la velocidad de escape de una estrella tan masiva y no podría abandonarla, de igual modo que no podemos lanzar una piedra y hacer que abandone la Tierra por mucho que nos esforcemos. En consecuencia la luz quedaría retenida por la acción de la propia gravedad de la estrella y desde el exterior de esta  no podríamos ver los rayos de luz, es decir lo único  que veríamos sería oscuridad. Michell denominó a estos objetos estrellas negras. Hemos de decir que John Michell llegó a esta conclusión haciendo uso de la gravedad Newtoniana, la explicación que por aquella época se tenía de la gravedad, que interpretaba esta como una fuerza atractiva que poseían todos los cuerpos capaz de actuar a distancia.

Demos un salto ahora de algo más de un siglo, concretamente hasta el año 1915, momento en el que Einstein publica su Relatividad General. En esta, la gravedad ya no es interpretada como una fuerza a distancia sino como el resultado de la trayectoria que se ve obligada a seguir un cuerpo debido a la deformación del espacio-tiempo que provoca la masa de otro cuerpo. Es decir un cuerpo, tal que el Sol, provoca una deformación en el espacio-tiempo que lo rodea obligando a otro cuerpo, tal que la Tierra, a seguir la trayectoria que el Sol "le ha marcado" como consecuencia de la deformación espaciotemporal. Nos encontramos no ya con una acción a distancia "pura", por así llamarla, sino con el fruto de una modificación del espacio-tiempo que nos rodea, que obliga a los planetas, estrellas etc a seguir ciertas trayectorias.

Pues bien, al año de publicar Einstein su teoría, en 1916 un físico y astronomo alemán llamado Karl Schwarzschild trabajando con las ecuaciones de campo de la relatividad de Einstein en torno a un cuerpo supermasivo con una velocidad de escape mayor que la de la luz obtuvo una solución que representaba un agujero negro. Su trabajo tuvo poca acogida entre los cientificos de la época, ya que pensaban que un cuerpo de semejantes características no podría existir. Incluso el mismo Einstein al ver la solución que emergía de sus propias ecuaciones lo interpreto poco más que una curiosa solución teórica pero sin cabida en el mundo real.

Demos un nuevo salto en el tiempo hasta llegar al año 1939, cuando Oppenheimer y Snyder haciendo uso nuevamente de las ecuaciones de la relatividad general realizan una serie de cáculos aplicados a una estrella con unas características concretas y descubren que esta debe de ir colapsándose a consecuencia de la gravedad hasta alcanzar un punto en el que la materia de la estrella se ha comprimido tanto que genera un campo gravitatorio tal que no permite que nada escape de ella, ni siquiera la luz. Pasados unos años, a comienzos de la década de los 50, el físico norteamericano John Wheeler inspirado por el trabajo de Oppenheimer y Snyder prosiguió con el estudio de la relatividad general y los agujeros negros y acabaría dando el nombre con el actualmente conocemos a los agujeros negros en el curso de una conferencia en 1967. 

Ahora bien, que puede llevar a una estrella a comprimirse tanto como para generar un campo gravitatorio tan intenso que no permita ni que la luz escape de ella. Es decir como puede una estrella transformarse en un agujero negro. Vamos a explicar brevemente este proceso aunque no el único modo de formación de un agujero negro.

Una estrella, y vamos a simplificar quizás en exceso, se mantiene en un estado de equilibrio entre su propia gravedad que la empuja a contraerse y la presión que se genera al quemar esta su combustible, que transforma en energía y produce un empuje hacia fuera que contrarresta el tirón gravitatorio. Este equilibrio hace que la estrella ni colapse ni estalle, pero a medida que va agotando su combustible y en función de una serie de parametros, como su masa y su radio, pueden ocurrir varias situaciones. Cuando la estrella empieza a agotar el combustible si su masa supera un valor conocido como límite de Chandrasekhar, aquella no será capaz de contrarrestar el tirón gravitatorio y empezará a comprimirse aumentando su densidad. Si la masa de la estrella tiene entre 3 y 5 veces la masa solar la contracción tiene un límite y se termina formando un estrella de neutrones. Si por el contrario la masa es superior, la fuerza de la gravedad de la estrella no tiene nadie que la pueda contrarrestar y gana la partida , el proceso de colapso gravitatorio es inevitable y la estrella se convertirá en un agujero negro.

Como hemos explicado anteriormente, pero ahora en el marco de la relatividad general, la masa de la estrella deformará de una manera tan brutal el espacio tiempo circundante que nada (ni nadie) incluida la luz puede escapar a este tirón gravitatorio provocado por la deformación del espacio tiempo. Alrededor del agujero negro se forma una superficie imaginaria denominada horizonte de sucesos, se trata de la frontera a partir de la cual si algo cruza ya no podrá volver puesto que quedará sometido irremediablemente al enorme tirón gravitatorio. Todo lo que se acerque al agujero negro y cruce esta última frontera ya no podrá regresar...

Y llegados a estas alturas habréis podido comprobar que nos hemos extendido quizás más de lo inicialmente presupuestado y sólo hemos hablado de uno de los términos que mencionábamos al comienzo de este post. Así que no nos queda más remedio que dejar para futuras entradas la explicación de los otros conceptos. Espero poder haber arrojado algo de luz sobre los agujeros negros y sólo recomendaros que si os acercáis a alguno tengáis cuidado de no atravesar esa última frontera denominada horizonte de sucesos...

Y recordad siempre: Magia..., No, Ciencia!!

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