Cómo se forman los agujeros negros, qué son y qué revelan sobre el universo

Un agujero negro es definido por la NASA como una región del espacio donde la gravedad es lo suficientemente fuerte como para que nada, incluyendo la luz, pueda escapar una vez que pasa un límite llamado horizonte de eventos. Debido a que ninguna luz escapa, los agujeros negros en sí mismos no pueden ser vistos directamente; su presencia se deduce de sus efectos gravitacionales sobre la materia cercana y, desde 2019, de imágenes directas del material brillante a su alrededor.

Cómo se forma un agujero negro

Según la NASA, una estrella genera energía a través de la fusión nuclear en su núcleo, y la presión hacia afuera de esa energía equilibra la tracción hacia adentro de la gravedad de la propia estrella. Cuando una estrella con más de 20 veces la masa del Sol agota su combustible nuclear, ese equilibrio se rompe. El núcleo colapsa bajo su propio peso, desencadenando una explosión de supernova que arranca las capas externas de la estrella. Si el núcleo restante excede aproximadamente tres masas solares, la NASA afirma que continúa colapsando en un agujero negro de masa estelar.

No todas las estrellas que colapsan producen un agujero negro. Un núcleo por debajo de aproximadamente tres masas solares típicamente se convierte en una estrella de neutrones en su lugar, según la descripción de la NASA sobre la evolución estelar. Una vez que existe un agujero negro, puede crecer aún más atrayendo gas, polvo e incluso otras estrellas u agujeros negros que se acerquen demasiado.

Los tres tipos principales

La NASA agrupa los agujeros negros en tres categorías amplias por masa. Los agujeros negros de masa estelar, que van de aproximadamente tres a varias docenas de masas solares, están dispersos por toda la Vía Láctea y se forman a partir de estrellas masivas que colapsan. Los agujeros negros de masa intermedia, con aproximadamente 100 a más de 10.000 masas solares, son más raros y más difíciles de confirmar; la NASA cita uno de los ejemplos más convincentes identificados en 2019. Los agujeros negros supermasivos, que contienen entre 100.000 y miles de millones de masas solares, se encuentran en los centros de la mayoría de las galaxias grandes, incluyendo la Vía Láctea.

Ver lo invisible: imágenes directas

Debido a que la luz no puede escapar de un agujero negro, los astrónomos no pueden fotografiar el objeto en sí. En su lugar, el Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT) — una red global de radiotelescopios que actúan como un instrumento del tamaño de la Tierra, según la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. (NSF) — captura imágenes del gas brillante que gira alrededor de un agujero negro justo fuera de su horizonte de eventos. El 10 de abril de 2019, la Colaboración EHT lanzó la primera imagen de este tipo, del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87, ubicada aproximadamente 55 millones de años luz de la Tierra y medida en aproximadamente 6.500 millones de masas solares, según el resumen de la NSF.

El 12 de mayo de 2022, la Colaboración EHT lanzó una segunda imagen, esta vez de Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra propia Vía Láctea. La NSF lo describe como la primera evidencia visual directa de ese objeto, con una masa que la NSF da como aproximadamente 4 millones de veces la masa del Sol. Un resumen de los hallazgos en cosmoquest.org coloca de manera similar su masa en aproximadamente cuatro millones de masas solares y su distancia en aproximadamente 27.000 años luz de la Tierra. Ambas imágenes muestran la misma firma: una sombra central oscura rodeada por luz brillante y lensada del gas orbital sobrecalentado.

Ondas en el espacio-tiempo: ondas gravitacionales

Una línea de evidencia separada proviene de las ondas gravitacionales — ondas en el espacio-tiempo predichas por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein en 1915. El 14 de septiembre de 2015, los detectores gemelos del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO) en Hanford, Washington, y Livingston, Luisiana, registraron una señal designada GW150914, según un resumen científico de LIGO. La señal provenía de la fusión de dos agujeros negros con masas de aproximadamente 36 y 29 veces la masa del Sol, que se combinaron en un único agujero negro de aproximadamente 62 masas solares. Las tres masas solares faltantes fueron radiadas como energía de ondas gravitacionales, afirma LIGO, desde un evento a más de mil millones de años luz de distancia.

LIGO reporta que la detección alcanzó una significancia estadística de más de cinco sigma, lo que significa que una falsa alarma de esa intensidad sería esperada solo una vez en aproximadamente 200.000 años de datos comparables. La forma de onda observada coincidía con las predicciones de la relatividad general, dando a los físicos una nueva forma de estudiar agujeros negros que no depende de la luz en absoluto.

Qué revelan los agujeros negros sobre el universo

La descripción de la NASA de la anatomía de los agujeros negros identifica tres zonas clave: el horizonte de eventos, el punto de no retorno donde la velocidad de escape excede la velocidad de la luz; el disco de acreción, la materia en espiral cuya radiación permite a los astrónomos detectar agujeros negros de otro modo invisibles; y la singularidad en el núcleo, donde la materia se comprime a una densidad extrema y la física actual, incluyendo la relatividad general, se espera que se rompa. La NASA señala que aquí es donde se cree que los efectos cuánticos se vuelven importantes, lo que significa que los agujeros negros marcan la frontera donde la relatividad y la mecánica cuántica eventualmente deben encontrarse.

Debido a que doblan la luz, distorsionan el tiempo y anclan la estructura de las galaxias, los agujeros negros funcionan como laboratorios naturales. Las observaciones de imágenes directas y de detectores de ondas gravitacionales dan a los científicos dos formas independientes de probar si la gravedad se comporta como predice la teoría de Einstein bajo las condiciones más extremas conocidas en el universo.