Los agujeros negros son los astros más fascinantes del universo. Sus propiedades son asombrosas y su descubrimiento, las sucesivas confirmaciones de su existencia y el estudio de sus características se encuentran entre los mayores logros científicos de los últimos cincuenta años.
El estudio de estos exóticos objetos, consecuencia extrema del poder de la fuerza de la gravedad, entraña muchas dificultades, pero es fácil comprender cuáles son sus fundamentos. Para ello, imaginemos primero que, desde la superficie de la Tierra, lanzamos un objeto hacia arriba en la vertical, todos sabemos que la fuerza de la gravedad hace que el objeto vuelva a caer. Para que un cohete, escape de la gravedad terrestre hace falta imprimirle una velocidad muy alta: más de 40.000 kilómetros por hora, valor que se denomina velocidad de escape. Por supuesto, la velocidad de escape es aún mayor para cuerpos más masivos que la Tierra, si son de igual tamaño, o para otros más pequeños si son de igual masa.
Si concentrásemos toda la masa de la Tierra en una esfera del tamaño de un garbanzo, la velocidad de escape desde este objeto de densidad inimaginable superaría los 300.000 kilómetros por segundo, esto es, el valor de la velocidad de la luz. En este caso sería imposible lanzar un objeto desde su proximidad para que escapase de su gigantesca atracción gravitatoria pues no hay nada que pueda trasladarse más deprisa que la velocidad de la luz. Ni siquiera la luz tendría suficiente velocidad para escapar de la superficie de tan prodigioso garbanzo. Este garbanzo parecería ser un auténtico agujero, pues todo lo que pasase por sus proximidades caería irremediablemente sobre él, y sería negro pues desde allí no podría emanar nada de luz.
De manera similar, podemos imaginar agujeros negros con masa mucho mayor. Así, cuando la masa de una estrella queda concentrada en una esfera del tamaño de una pequeña ciudad, tenemos agujeros negros de tipo estelar: son los residuos que quedan tras una explosión de supernova. Y cuando se concentra una masa equivalente a varios millones, o hasta miles de millones, de soles en una región del tamaño de las órbitas de los planetas del sistema solar, se crea un agujero negro supermasivo: son los que se encuentran alojados en el núcleo de casi todas las galaxias espirales y elípticas.
Hoy no quedan dudas de la existencia de los agujeros negros, pero durante muchos años solo fueron una entelequia. A finales del s. XVIII el británico John Mitchell y, poco después, el francés Pierre Laplace, ya especularon con las propiedades de tales objetos aunque no pudieran ni sospechar que existiesen en la naturaleza. Fue en 1916 cuando Einstein predijo por vez primera de manera realista la existencia de tales objetos como una consecuencia de su teoría general de la relatividad, pero el término agujero negro no fue acuñado hasta medio siglo después, en 1967, por el físico estadounidense John Wheeler. Finalmente, el primer indicio observacional convincente de la presencia de un agujero negro llegó en 1971, cuando se observó un brillo extraordinario en rayos X y en ondas de radio hacia Cygnus X-1. La explicación de tales observaciones requería de la existencia de un objeto escondido extremadamente denso de propiedades coincidentes con las de los agujeros negros.
Al mundo científico le llevó tiempo aceptar estos resultados. En 1974, dos jóvenes y brillantísimos físicos, Stephen Hawking y Kip Thorne, aún debatían sobre la existencia de los agujeros negros, con Hawking apostando que Cygnus X-1 no podía serlo. Hasta 1990, cuando ya no quedaba duda, Hawking no reconoció que había perdido la apuesta. Desde entonces, las detecciones (siempre indirectas) de agujeros negros no han dejado de multiplicarse. En concreto, Sagitario A*, el agujero negro que está situado en el centro de la Vía Láctea, se ha estudiado con mucho detalle: sabemos que tiene una masa de 4,3 millones de soles concentradas en una esfera de un tamaño equivalente a la distancia Tierra-Sol.
Una vez formado, un agujero negro no deja de engullir materia de su entorno, tanto estrellas como nubes interestelares, para ir creciendo hasta alcanzar tamaños pantagruélicos. Según son atraídos por la colosal fuerza gravitatoria, si los cuerpos del entorno llegan a una región conocida como horizonte de sucesos ya no podrán escapar de ninguna manera. Es un auténtico punto de no-retorno. En el Observatorio de Paranal (Chile) se acaban de observar tres grandes destellos indicando la caída inexorable de nubes de gas sobre Sagitario A*. El movimiento orbital de las estrellas en torno a Sagitario A* también se ha observado claramente perturbado por el efecto del agujero negro en perfecto acuerdo con la teoría de Einstein.
Según esta teoría, la monstruosa gravedad de un agujero negro es capaz de distorsionar el espacio y el tiempo en su vecindad creando efectos sorprendentes. Cuanto más cerca está uno a un agujero negro, más lento corre el tiempo. Un viajero cayendo sobre un agujero negro creerá que no acaba nunca de caer pues su discurrir del tiempo se dilata infinitamente. Para un observador exterior, un objeto que pasa cerca del horizonte de sucesos parecerá quedar congelado y no atravesar nunca este punto pues la luz también quedará atraída por el agujero y no alcanzará al observador durante un largo tiempo. También es sorprendente que todos los agujeros negros puedan describirse de manera extremadamente simple, con tan solo tres parámetros: masa, carga y velocidad de rotación. Toda otra información sobre la materia que cayó, o que esté cayendo, se pierde bajo el horizonte de sucesos, una situación que el físico estadounidense John Wheeler expresó en forma humorística: "los agujeros negros no tienen pelos", es decir, no poseen más detalles ni información que la proporcionada por esos tres parámetros.
Aunque Cygnus X-1 no le convenciese como candidato, hacia la mitad de la década de los 70, Stephen Hawking se sumergió en la mecánica cuántica para demostrar que, contrariamente a lo que se pensaba hasta entonces, los agujeros negros pueden radiar algo de energía. Esta radiación, hoy conocida como radiación de Hawking, podría ocasionar la evaporación de los agujeros negros siguiendo un proceso que es extremadamente lento para los objetos de masas apreciables. Por ejemplo, un agujero negro con la misma masa del Sol necesitaría más tiempo que la edad del universo para llegar a evaporarse, pero si hubiese agujeros negros de masa muy pequeña, éstos se evaporarían rápidamente.
Desde el punto de vista físico, las profundidades de un agujero negro resultan imposibles de describir, allí no valen las leyes habituales que rigen para los diferentes estados de la materia. Por eso, los físicos se refieren al centro de un agujero negro como una singularidad, allí la densidad se hace infinita y los conceptos de espacio y tiempo pierden todo su sentido. La imaginación de los físicos no tiene límites y algunos de ellos han jugado con la idea de que estas singularidades pudiesen ser túneles que conectasen dos universos paralelos, o dos regiones distantes del mismo universo. Estos agujeros de gusano podrían hacer que el material engullido por el agujero negro desembocase en una especie de manantial blanco en aquella región del universo, o de otro paralelo. Pero, como decimos, todo esto no es más que mera especulación.
Sin embargo, las observaciones no tienen nada de especulación. La detección de los agujeros negros y el estudio de sus propiedades culminan unos esfuerzos tecnológicos asombrosos. La reciente detección directa de las ondas gravitacionales emitidas por pares de agujeros negros cuando fusionan (realizadas por el observatorio LIGO y otros) se encuentran entre la mayores hazañas científicas de las últimas décadas. Las observaciones continuadas de Sagitario A* y de los agujeros negros en otras galaxias, y el estudio de los efectos que éstos crean en su entorno es otra muestra del virtuosismo alcanzado por la astronomía observacional en nuestros días. Mediante campañas coordinadas a nivel mundial, los mayores radiotelescopios de todo el mundo están ya observando el horizonte de sucesos de estos astros fascinantes, lo que conducirá en breve a detectar directamente las deformaciones del espacio en su periferia.
Nuevamente, y no me cansaré de insistir en ello, debemos felicitarnos por vivir en esta época en que los prodigios del cosmos se nos muestran con un nivel de detalle que primero nos desconcierta, luego nos asombra y siempre nos emociona.
Rafael Bachiller es astrónomo, director del Observatorio Astronómico Nacional (IGN) y miembro del Consejo Editorial de EL MUNDO.