Qué son los agujeros negros y cómo se forman: una guía completa

Imagina una región del universo donde la gravedad se vuelve tan abrumadora que ni la luz puede escapar. Esto es precisamente un agujero negro, un fenómeno cósmico donde la densidad y la gravedad alcanzan el infinito en su centro, un punto llamado singularidad.

La zona de no retorno se conoce como horizonte de sucesos, marcando el punto a partir del cual ya nada puede escapar de su implacable atracción gravitatoria. El tamaño de este horizonte, directamente relacionado con la masa del agujero, se denomina radio de Schwarzschild.

Los agujeros negros, se caracterizan por tres propiedades fundamentales: su masa, su espín (o rotación) y su carga eléctrica. Uno sin rotación ni carga se llama agujero negro de Schwarzschild. Aquel que gira, en cambio, es un agujero negro de Kerr.

Además, para los agujeros negros que no giran, existe una esfera de fotones a una distancia específica. En esta frontera peculiar, la luz puede quedar atrapada girando en órbitas circulares a su alrededor. Fue Karl Schwarzschild quien, en 1916, propuso su existencia como una solución a las ecuaciones de Einstein.

Las soluciones para agujeros negros rotatorios llegaron más tarde, de la mano de Roy Kerr en 1963, y para los cargados eléctricamente, de Ezra Newman en 1965. Aunque la evidencia observacional inicial fue indirecta, la detección de ondas gravitacionales en 2016 nos dio la primera prueba directa de su existencia.

Tipos de Agujeros Negros: un Universo de tamaños asombrosos

Según su masa, los agujeros negros se clasifican en varias categorías. Los de masa estelar, con entre 3 y 100 veces la masa de nuestro Sol, nacen del colapso de estrellas masivas al agotar su combustible. Muchos se han detectado gracias a interferómetros de ondas gravitacionales, confirmando su abundancia.

Luego están los agujeros negros supermasivos (SMBH), que superan el millón de masas solares y se encuentran usualmente en el corazón de galaxias gigantes. Se cree que crecen a partir de los de masa estelar mediante la acumulación de materia y fusiones.

La mejor evidencia de su existencia proviene de medir el movimiento de estrellas alrededor del centro galáctico, como el de Sagitario A*, que tiene poco más de tres millones de masas solares. Además, el Event Horizon Telescope nos ofreció la primera imagen de la "sombra" de los agujeros negros en la galaxia M87 y en nuesta propia Vía Láctea.

Otra categoría, son los agujeros negros de masa intermedia (IMBH), con entre 100 y un millón de masas solares. Se postulan como las "semillas" de los agujeros negros supermasivos en el universo primitivo, formándose de diversas maneras. La detección de ondas gravitacionales por LIGO/Virgo de uno de 142 masas solares es la mejor prueba hasta ahora.

Detectando lo invisible: cómo encontramos Agujeros Negros

Detectar algo tan elusivo como un agujero negro requiere ingenio. Una técnica clave es la medición dinámica de masa, que observa cómo afectan a su entorno. Para los estelares, se estudia la curva de velocidad radial de una estrella compañera en sistemas binarios de rayos X.

En el caso de los agujeros negros supermasivos, los científicos monitorean el movimiento de estrellas cercanas a su centro y modelan la dinámica del gas y las estrellas. Para los IMBH, a veces se utilizan las oscilaciones cuasi-periódicas. Es como deducir la presencia de un animal invisible por las huellas que deja.

Otra pista crucial son los Núcleos Galácticos Activos (AGN), que son agujeros negros supermasivos devorando activamente materia en las primeras galaxias que se formaron. Se pueden identificar por las características en su espectro óptico o infrarrojo, o por la presencia de ciertos tipos de elementos.

La llegada de la astronomía de ondas gravitacionales ha revolucionado la detección, midiendo las ondulaciones en el espacio-tiempo, generadas por objetos masivos acelerados como dos agujeros negros fusionándose, y que fueron detectadas por primera vez en 2015, logrando un hito impresionante.

El impacto de los Agujeros Negros: evolución cósmica y futuro

Uno de los hallazgos más importantes es la acreción de agujeros negros, un proceso de "alimentación" y eyección de chorros luminosos gigantes de rayos x. De hecho, existe una correlación que vincula esta luminosidad y la masa del agujero, brindando una herramienta poderosa para "pesarlo".

Otro descubrimiento clave es la co-evolución entre agujeros negros y galaxias. Hay una fuerte relación entre la masa de los agujeros negros supermasivos y las propiedades de sus galaxias anfitrionas, lo que sugiere que crecen de manera sincronizada, están influenciándose mutuamente a lo largo de eones cósmicos.

El principal mecanismo detrás de esta evolución es la retroalimentación (feedback) del AGN. Los vientos o chorros generados por el agujero negro impactan la formación estelar en la galaxia, regulando así su crecimiento. Es una danza cósmica donde el agujero negro es el director de orquesta.

Las futuras instalaciones de observación prometen un salto gigantesco en nuestra comprensión. Telescopios como SKA, los satélites Athena y Lynx, o los detectores de ondas gravitacionales Einstein Telescope y LISA, nos permitirán explorar la formación y evolución de los agujeros negros como nunca antes. ¡El futuro nos depara descubrimientos emocionantes!

Referencia de la noticia

BLACK HOLES. Mar Mezcua. October 2021. arXiv e-prints