Agujeros Negros Explicados: Cómo Se Forman, Cómo Se Ven y la Prueba de que Existen

Los agujeros negros son regiones del espacio donde la gravedad es lo suficientemente fuerte como para que, más allá de cierto límite, ni siquiera la luz pueda escapar. Ese límite se llama horizonte de eventos, y la NASA lo describe como el punto donde la velocidad necesaria para escapar excede la velocidad de la luz.

Cómo se forman los agujeros negros

La ruta más común es la muerte de una estrella masiva. Según la NASA, una estrella con más de 20 masas solares que agota el combustible nuclear en su núcleo colapsa bajo su propio peso. Una vez que un núcleo en colapso excede aproximadamente tres masas solares, ninguna fuerza conocida puede detener el colapso, y se forma un agujero negro.

Los agujeros negros supermasivos, que se encuentran en los centros de galaxias grandes y pesan entre 100.000 y miles de millones de masas solares, son más difíciles de explicar únicamente mediante el colapso estelar. La NASA afirma que el origen de los agujeros negros supermasivos es poco comprendido, a pesar de que se sabe que han existido desde los primeros días de la vida de una galaxia.

Los agujeros negros también crecen después de formarse, absorbiendo gas y polvo circundantes mediante un proceso llamado acreción, y fusionándose con otros agujeros negros.

La estructura de un agujero negro

La descripción de la NASA sobre la anatomía del agujero negro enumera varias partes distintas. La singularidad es el punto teórico en el centro donde, según la relatividad general, la materia se comprime a densidad infinita. Lo rodea el horizonte de eventos, el punto de no retorno.

Más lejos, el gas y el polvo que caen forman un disco de acreción, una estructura giratoria que se calienta a medida que espirala hacia adentro, lo que la convierte en una de las principales formas en que los astrónomos detectan agujeros negros. Cerca del agujero negro, la luz puede orbitar varias veces antes de escapar, produciendo un anillo delgado y distorsionado conocido como esfera de fotones. Algunos agujeros negros también generan una corona de partículas de mil millones de grados por encima del disco, y pares de chorros que disparan materia hacia afuera a casi la velocidad de la luz, con chorros de agujeros negros supermasivos que se extienden cientos de miles de años luz, según la NASA.

Tipos de agujeros negros

Los astrónomos agrupan los agujeros negros por masa. Los agujeros negros de masa estelar oscilan entre aproximadamente tres y varias docenas de masas solares y se dispersan en galaxias como la Vía Láctea. Los agujeros negros supermasivos anclan los centros de galaxias grandes y pesan entre 100.000 y miles de millones de masas solares; el que se encuentra en el corazón de la galaxia Messier 87 pesa más de 6 mil millones de masas solares, según la NASA. Los agujeros negros de masa intermedia, en el rango de 100 a más de 10.000 masas solares, tienen pocos ejemplos confirmados; la NASA llama al evento de fusión de 2019 GW190521, que produjo un agujero negro de 142 masas solares, el ejemplo más convincente de esta categoría hasta la fecha.

Cómo los científicos probaron que los agujeros negros son reales

Las imágenes directas de un agujero negro son imposibles en el sentido normal, ya que ninguna luz escapa del interior del horizonte de eventos. En cambio, los investigadores buscan efectos indirectos, y dos resultados históricos en la última década convirtieron los agujeros negros de una predicción teórica a una realidad observada.

El primero llegó el 14 de septiembre de 2015, cuando los detectores gemelos Advanced LIGO en los Estados Unidos captaron una señal de onda gravitacional, posteriormente nombrada GW150914, según el informe de Physics World sobre el descubrimiento. La señal provenía de dos agujeros negros, con masas de 36 y 29 veces el Sol, fusionándose en un único agujero negro giratorio de 62 masas solares aproximadamente a 1.3 mil millones de años luz de distancia. La diferencia, equivalente a 3 masas solares, había sido radiada como ondas gravitacionales. La detección se midió con una significancia estadística superior a 5,1 sigma y confirmó, entre otras cosas, que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, como predijo la relatividad general de Einstein.

El segundo hito llegó el 10 de abril de 2019, cuando la colaboración del Telescopio del Horizonte de Eventos publicó la primera imagen jamás vista de la silueta de un agujero negro, según se informó por MIT News. El objetivo era el agujero negro supermasivo en el centro de M87, a 55 millones de años luz de la Tierra, con una masa de 6.5 mil millones de Soles y un horizonte de eventos de aproximadamente 40 mil millones de kilómetros de diámetro. Ocho radiotelescopios terrestres, desde Hawái y Arizona hasta México, España, Chile y la Antártida, trabajaron juntos como un único instrumento virtual para captar la imagen, que mostró un anillo brillante de gas incandescente rodeando una "sombra" central oscura.

Más de 200 investigadores de 13 instituciones asociadas contribuyeron al resultado de 2019, según MIT News, y la sombra observada coincidía con las predicciones de la relatividad general.

Efectos gravitacionales en el espacio circundante

Cerca de un agujero negro, la materia que cae espirala hacia el disco de acreción, que la NASA describe como un "disco caliente, brillante y que gira rápidamente" — una de las principales formas en que los astrónomos detectan agujeros negros a pesar de que el agujero negro en sí no emite luz. Estos mismos efectos gravitacionales doblan la trayectoria de la luz que pasa cerca, lo que es lo que produce el anillo incandescente visto en las imágenes del EHT en lugar de un simple círculo oscuro.

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