Agujeros Negros Explicados: Cómo Se Forman, Cómo Funcionan y Fueron Finalmente Fotografiados

Un agujero negro se define por la NASA como un objeto astronómico con una atracción gravitacional tan fuerte que nada, incluyendo la luz, puede escapar de él. El punto de no retorno alrededor de un agujero negro se llama horizonte de eventos: dentro de ese límite, la velocidad necesaria para escapar excede la velocidad de la luz, por lo que nada que lo cruce puede volver a salir.

Cómo se forma un agujero negro

La ruta mejor comprendida es el colapso estelar. Según la NASA, una estrella con más de aproximadamente 20 veces la masa del Sol agota eventualmente el combustible nuclear en su núcleo y colapsa bajo su propia gravedad. Ese colapso desencadena una explosión de supernova que arroja las capas externas de la estrella. Si lo que queda del núcleo aplastado aún excede aproximadamente tres masas solares, la NASA declara que ninguna fuerza conocida puede detener el colapso de continuar hasta convertirse en un agujero negro.

Una vez formado, un agujero negro puede crecer al atraer gas circundante, al arrancar material de una estrella compañera, o al fusionarse con otro agujero negro, explica la NASA en su página de descripción general de agujeros negros.

Los agujeros negros supermasivos, encontrados en los centros de las galaxias y que van desde aproximadamente 100,000 hasta miles de millones de masas solares según la NASA, son menos bien comprendidos. La NASA señala que su origen sigue siendo una pregunta abierta, ya que parecen haber existido desde las primeras etapas de la formación de galaxias.

Horizonte de eventos, singularidad y las partes de un agujero negro

La descripción de la 'anatomía' del agujero negro de la NASA enumera varias zonas distintas. En el centro se encuentra la singularidad, un punto donde la materia se aplasta a lo que la NASA describe como densidad infinita; los científicos no están seguros de si esto es una estructura física o un artefacto matemático de las ecuaciones. Rodeándola está el horizonte de eventos, el límite de no escape. Más allá, la luz de la materia que cae puede orbitar el agujero negro varias veces antes de escapar, produciendo anillos delgados visibles alrededor de la 'sombra' oscura del agujero negro en imágenes directas — una región que la NASA llama la esfera de fotones.

La materia que cae hacia un agujero negro típicamente forma un disco de acreción caliente y luminoso antes de cruzar el horizonte de eventos. En muchos sistemas, parte de ese material se redirige hacia jets de partículas que se mueven casi a la velocidad de la luz; en agujeros negros supermasivos estos jets pueden extenderse cientos de miles de años luz, dice la NASA.

Probando que los agujeros negros existen: Penrose, Genzel y Ghez

Durante décadas, los agujeros negros fueron una consecuencia matemática de la relatividad general de Einstein en lugar de una realidad física confirmada. La Academia Real Sueca de Ciencias otorgó la mitad del Premio Nobel de Física de 2020 a Roger Penrose, cuya prueba de 1965 — descrita en el anuncio de la propia Academia, reportado por ScienceDaily — mostró que la formación de agujeros negros es una predicción robusta e inevitable de la relatividad general una vez que un cuerpo suficientemente masivo y compacto colapsa, y que tal colapso necesariamente produce una singularidad.

La otra mitad del premio fue conjuntamente a Reinhard Genzel y Andrea Ghez, quienes lideraron equipos separados rastreando las órbitas de las estrellas en el centro de la Vía Láctea durante décadas usando algunos de los telescopios más grandes del mundo. Su trabajo, también resumido en el anuncio del Nobel cubierto por ScienceDaily, encontró un objeto invisible de aproximadamente cuatro millones de masas solares concentrado en una región no más grande que el sistema solar — fuerte evidencia del agujero negro supermasivo ahora conocido como Sagitario A*.

Detectando lo indetectable: ondas gravitacionales e imágenes directas

El 14 de septiembre de 2015, los detectores gemelos Advanced LIGO registraron una señal, designada GW150914, coincidiendo con la forma de onda predicha de dos agujeros negros espiralizándose juntos y fusionándose. Según el resumen de ciencias de la Colaboración Científica LIGO, los dos agujeros negros tenían masas de aproximadamente 36 y 29 veces el Sol, fusionándose en un único agujero negro de aproximadamente 62 masas solares a más de mil millones de años luz de distancia; aproximadamente tres masas solares fueron convertidas en energía de ondas gravitacionales en una fracción de segundo. La detección llevaba una significancia estadística de más de 5 sigma, significando que una falsa alarma de esa magnitud sería esperada aproximadamente una vez cada 200,000 años de datos comparables, reporta LIGO.

Cuatro años después, la Colaboración del Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT) lanzó la primera imagen jamás vista de la sombra de un agujero negro, tomada de M87*, el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia Messier 87. Como explica el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, el EHT vincula radiotelescopios alrededor del globo en un único instrumento virtual usando interferometría de línea de base muy larga, logrando una resolución aproximadamente 4,000 veces más nítida que el Telescopio Espacial Hubble. La campaña de observación de abril de 2017 detrás de la imagen, lanzada en 2019, midió M87* en aproximadamente 6.5 mil millones de masas solares, ubicado aproximadamente 53 millones de años luz de distancia.

El 12 de mayo de 2022, la Colaboración EHT lanzó una segunda imagen histórica: Sagitario A*, el agujero negro central de la Vía Láctea. Como se describe en AAS Nova, los datos subyacentes fueron registrados en abril de 2017, significando que más de cinco años pasaron entre la observación y el lanzamiento de la imagen. Sagitario A* es aproximadamente cuatro millones de masas solares y 27,000 años luz de distancia — significando que aparece aproximadamente del mismo tamaño aparente en el cielo que el M87* mucho más masivo y distante, ya que M87* está aproximadamente 2,000 veces más lejos y aproximadamente 1,500 veces más masivo. Los tamaños medidos de anillo y sombra de ambos agujeros negros coincidieron con las predicciones de la relatividad general, según AAS Nova, dando a los astrónomos confirmación independiente de la teoría de Einstein en masas de agujeros negros vastamente diferentes.

Por qué esto es importante para la física

Cada uno de estos resultados prueba la relatividad general en un régimen que Einstein no podría observar directamente: materia y espaciotiempo bajo gravedad extrema. La señal de onda gravitacional de GW150914 coincidió con la forma de onda predicha por la relatividad general para un inspiraling, fusión, y subsecuente 'ringdown' del agujero negro resultante, según el análisis de LIGO. Los diámetros de anillo medidos del EHT para M87* y Sagitario A* de igual manera coincidieron con predicciones de relatividad general, según AAS Nova, dando a los científicos dos métodos independientes de confirmación — ondas gravitacionales e imágenes directas — que convergen en el mismo marco teórico.