Un agujero negro es una región del espacio donde la gravedad es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar una vez que cruza el horizonte de eventos. Los astrónomos no pueden ver los agujeros negros directamente, por lo que deducen su presencia a partir de efectos en la materia, luz y espacio-tiempo cercanos, a través de discos de acreción, estrellas en órbita y ondulaciones llamadas ondas gravitacionales. Dos observaciones históricas, la detección de ondas gravitacionales del LIGO en 2015 y la imagen del Telescopio del Horizonte de Eventos de M87 en 2019, transformaron el concepto de una teoría a evidencia directa.
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Los agujeros negros se forman de más de una manera, y los astrónomos los clasifican en clases de tamaño basadas en la masa en lugar de una única historia de origen.
Cómo se forman los agujeros negros
La ruta mejor comprendida es la muerte estelar. Según el proyecto Imagine the Universe de la NASA, un agujero negro de masa estelar se forma cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear y su núcleo colapsa bajo su propia gravedad, un proceso que puede acompañar una explosión de supernova. La NASA afirma que estos agujeros negros de masa estelar típicamente tienen masas de aproximadamente 5 a 20 veces la del Sol y están dispersos a lo largo de las galaxias dondequiera que hayan vivido y muerto estrellas masivas.
En el otro extremo de la escala se encuentran los agujeros negros supermasivos, hallados en el centro de casi todas las galaxias grandes, con masas que van desde millones a miles de millones de veces la masa del Sol, según la NASA. Exactamente cómo se forman y crecen estos gigantes se describe por la NASA como un área activa de investigación, aunque las observaciones muestran una correlación entre el tamaño del agujero negro central de una galaxia y el tamaño de la galaxia misma.
La NASA también describe una clase intermedia propuesta, con masas entre los rangos estelar y supermasivo. La agencia señala que los astrónomos comenzaron a encontrar recientemente posible evidencia de agujeros negros de masa intermedia, después de que muchos objetos candidatos anteriores resultaron ser explicados por otros procesos físicos.
Cómo los astrónomos detectan algo que no emite luz
Un agujero negro en sí no puede ser visto porque no emite luz propia. La página Imagine the Universe de la NASA explica que los astrónomos confían en la detección indirecta: buscan comportamiento en objetos cercanos que solo puede ser explicado por la presencia de una masa muy grande, densa e invisible. Esto incluye material siendo atraído y calentado en un disco de acreción brillante, o estrellas orbitando visiblemente un punto donde ninguna estrella puede ser vista.
Una forma de captar esa evidencia indirecta es la interferometría de radio. El Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT) vincula observatorios de radio de todo el planeta utilizando una técnica llamada interferometría de línea de base muy larga (VLBI), que, como explica el sitio de divulgación de física Einstein-Online, combina observaciones simultáneas de múltiples telescopios en datos equivalentes a un único telescopio del tamaño de la Tierra. El agujero negro no aparece directamente; lo que el EHT registra es emisión de radio de gas caliente y torbellino en el disco de acreción, con una región central oscura — la 'sombra' del agujero negro — creada donde la luz se curva alrededor del objeto bajo gravedad extrema.
La primera imagen: M87
El 10 de abril de 2019, la colaboración EHT lanzó la primera imagen jamás construida de esta manera, mostrando el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87, ubicada aproximadamente 55 millones de años luz de la Tierra, según MIT News, que informó sobre el lanzamiento. MIT News informó que la masa del objeto es aproximadamente 6.5 mil millones de veces la del Sol, con el horizonte de eventos capturado midiendo poco menos de 40 mil millones de kilómetros de ancho. La campaña de observación combinó ocho observatorios de radio terrestres e involucró a más de 200 investigadores en todo el mundo.
Escuchando agujeros negros: ondas gravitacionales
Un método de detección separado no utiliza luz en absoluto. El 14 de septiembre de 2015, a las 5:51 a.m. EDT, el Observatorio de Ondas Gravitacionales de Interferómetro Láser (LIGO) realizó la primera detección directa de ondas gravitacionales — ondulaciones en el espacio-tiempo predichas por la relatividad general de Einstein — según MIT News. La señal provino de dos agujeros negros, cada uno aproximadamente 30 veces la masa del Sol, fusionándose aproximadamente a 1.3 mil millones de años luz de distancia. La colisión convirtió energía equivalente a aproximadamente tres masas solares en ondas gravitacionales, según el informe del MIT, radiando brevemente más potencia que toda la luz en el universo visible. Los detectores de láser gemelos de LIGO de 4 kilómetros en Louisiana y Washington State midieron un cambio en la longitud del brazo más pequeño que una diezmilésima parte del diámetro de un protón para registrar la señal.
LIGO se ha unido desde entonces con el detector Virgo en Italia y KAGRA en Japón para formar la Colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), que Caltech reporta ha registrado aproximadamente 300 fusiones de agujeros negros desde 2015, incluyendo más de 200 durante su cuarta ronda de observación solamente. En noviembre de 2023, la colaboración observó la fusión de los agujeros negros más masivos jamás registrados por ondas gravitacionales, un evento designado GW231123, que involucra objetos de aproximadamente 100 y 140 masas solares que se fusionaron en un agujero negro de aproximadamente 225 masas solares, reportó Caltech.
Hechos clave de un vistazo
Clases de agujeros negros y cómo fueron detectados
Clase / Evento
Masa (masas solares)
Método de detección
Agujero negro de masa estelar
~5–20
Indirecta: efectos en la materia/estrellas orbitantes (NASA)
Masa intermedia (propuesto)
No definido precisamente por la NASA; pocos candidatos confirmados
Indirecta; capturado directamente solo para M87* y Sagitario A* (NASA/EHT)
M87* (primera capturada, 2019)
~6.5 mil millones
Imagen VLBI de radio, Telescopio del Horizonte de Eventos
Fusión GW150914 (2015)
~30 + ~30 → agujero negro final
Interferometría de ondas gravitacionales, LIGO
Fusión GW231123 (2023)
~100 + ~140 → ~225 final
Interferometría de ondas gravitacionales, LIGO-Virgo-KAGRA
Los agujeros negros de esta magnitud están prohibidos por los modelos estándar de evolución estelar.
— Mark Hannam, Universidad de Cardiff, citado por Caltech sobre la fusión GW231123
Juntos, los dos métodos — capturar el material incandescente alrededor de un agujero negro con interferometría de radio, y escuchar el 'chirp' de ondas gravitacionales de dos agujeros negros espiralizando juntos — dan a los astrónomos formas independientes y complementarias para confirmar que un objeto es un agujero negro y para medir su masa, aunque el agujero negro en sí nunca emite nada que pueda ser visto directamente.
Preguntas
¿Podemos alguna vez ver realmente un agujero negro?
No — un agujero negro en sí no emite luz. Lo que telescopios como el Telescopio del Horizonte de Eventos registran es emisión de radio del gas caliente arremolinándose alrededor de él (el disco de acreción), con una 'sombra' oscura donde el agujero negro bloquea y curva la luz, según Einstein-Online y la NASA.
¿Cómo se forman los agujeros negros?
Los agujeros negros de masa estelar se forman cuando una estrella masiva agota su combustible y su núcleo colapsa, a veces en una supernova, según la NASA. Cómo se forman los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias sigue siendo un área activa de investigación, afirma la NASA.
¿Cuál fue la primera imagen directa de un agujero negro?
El 10 de abril de 2019, la colaboración del Telescopio del Horizonte de Eventos lanzó una imagen del agujero negro supermasivo en la galaxia M87, aproximadamente 55 millones de años luz de distancia, construida a partir de datos de radio recopilados por ocho observatorios, según informó MIT News.
¿Qué son las ondas gravitacionales y cómo se relacionan con los agujeros negros?
Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo predichas por la relatividad general de Einstein; LIGO realizó la primera detección directa el 14 de septiembre de 2015, de dos agujeros negros fusionándose de aproximadamente 30 masas solares cada uno, ubicados aproximadamente a 1.3 mil millones de años luz de distancia, según MIT News.
¿Qué tan masivos pueden ser los agujeros negros?
Los agujeros negros de masa estelar son típicamente 5–20 veces la masa del Sol (NASA), mientras que los agujeros negros supermasivos van desde millones a miles de millones de masas solares; el agujero negro de M87 capturado en 2019 tiene una masa de aproximadamente 6.5 mil millones de Soles, según MIT News.
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Las estrellas se forman cuando la gravedad colapsa nubes frías de gas y polvo hasta que un núcleo alcanza aproximadamente 10 millones de Kelvin, lo suficientemente caliente para iniciar la fusión del hidrógeno. A partir de ahí, la masa de una estrella determina todo lo demás: cuánto tiempo brilla, cómo muere y si deja tras de sí una enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro.
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El entrenamiento de astronautas es un proceso de varios años que comienza con una evaluación de selección basada en educación, experiencia y aptitud física, seguido de años de entrenamiento en tierra antes de cualquier vuelo. Según la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA), los candidatos aprenden sistemas de naves espaciales y practican caminatas espaciales bajo el agua, y los candidatos de la ESA también estudian ruso, mientras que la vida a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS) se rige por un horario diario fijo de trabajo, ejercicio y sueño.
Un agujero negro es una región del espacio donde la gravedad es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar una vez que cruza el horizonte de eventos. La mayoría se forman cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear y su núcleo colapsa; las versiones supermasivas crecen en los centros galácticos durante miles de millones de años. Las imágenes directas y las detecciones de ondas gravitacionales han confirmado su existencia y han puesto a prueba la relatividad general de Einstein.
