En el Universo, dentro de la enorme variedad de criaturas astronómicas, los hoyos negros son seguramente los más misteriosos. Se forman cuando se colapsa una estrella hasta llegar a un simple punto, con lo que llega a ejercer una fuerza gravitacional tan grande, que nada (aun la luz) puede escapar. Un astronauta perdido, que se acerque mucho a un hoyo negro, se va a alargar como un spaghetti y luego se va a hacer trizas.

Por décadas los científicos han estado especulando sobre la existencia de estas bizarras bestias. Los telescopios espaciales han permitido familiarizarse con muchos potenciales hoyos negros, desde unos pequeños que vagan libremente, hasta hoyos negros monstruosos instalados en el centro de las galaxias. Sin embargo, demasiadas preguntas permanecen sin respuestas. Por ejemplo ¿Qué ocurre en el corazón de un hoyo negro, donde se desobedecen las conocidas leyes de la física? ¿Pueden los hoyos negros formar túneles para pasar a nuevos universos? y ¿cómo hoyos negros monstruosos pueden llegar a ser tan grandes?

La idea de los hoyos negros se remonta a los años 1783, cuando un sacerdote británico, científico aficionado, llamado John Michell, estaba elucubrando acerca de la "velocidad de escape", que es la velocidad mínima de la cual un objeto puede liberarse de la atracción gravitacional de un planeta o una estrella. Demostró que para una estrella de una masa dada, la velocidad de escape se hacía mayor en la medida que la estrella era más pequeña y más densa. Ello debido a que la atracción gravitacional entre dos objetos, es inversamente proporcional entre el cuadrado de la distancia de sus centros respectivos. Así la gravedad en la superficie de una estrella pequeña densa es mucho mayor que en la gravedad en la superficie de una grande de la misma masa.

Michell razonó que si se encoge una estrella a un tamaño suficientemente pequeño, la velocidad de escape eventualmente llegaría a ser la velocidad de la luz. En otras palabras, la luz misma no podría salir, de modo que la estrella desde afuera se vería negra. Michell llamó a este tipo de objeto "estrella negra". Pero su idea acumuló polvo por un siglo, debido principalmente a que no estaba claro que la gravedad tuviera el mismo efecto en la luz, como en la materia ordinaria.

Pero todo cambió en 1915 cuando Albert Einstein publicó su "teoría general de la relatividad", que describía la gravedad como una comba en la estructura de espacio tiempo. Al año siguiente, un astrónomo alemán llamado Kartl Schwarzchild resolvió la ecuación de Einstein mientras servía en el frente durante la Primera Guerra Mundial. Schwarzchild demostró que Michell tenía razón: si una gran estrella se achicaba hasta un espacio lo suficientemente pequeño podía crear un campo gravitacional tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, podía escapar de su atracción.

Einstein y muchos otros pensaron que estos objetos, más tarde llamados hoyos negros, eran demasiado extraños para que realmente existieran. Además, decía Einstein, nunca una estrella va a llegar a ser tan pequeña. Pero gradualmente los científicos fueron aceptando que si podía ser. Si al final de su vida, una estrella muy masiva explota, deja un núcleo de una masa equivalente a tres o más veces la masa del sol, ninguna fuerza conocida puede impedir que el núcleo se colapse a un punto con una densidad infinita, constituyendo lo que se ha llamado una "singularidad" (ver figura 1).

Esto estaría rodeado por un "eventual horizonte": una cubierta esférica que marca el punto de no retorno. Extrañas cosas le sucederían a un astronauta que cayera sobre el horizonte. La extrema gravedad le provocaría un desorden con el paso del tiempo y distorsionaría su visión de las estrellas. Y antes que golpeara la singularidad sería comprimido y hecho trizas (ver recuadro 2).

Una medida simple del tamaño de un hoyo negro es su "radio Schwarzschild", el radio del "eventual horizonte" visto desde afuera. En kilómetros, el radio Schwarzschild es aproximadamente igual a tres veces el peso del hoyo negro (en masas solares). De este modo, por ejemplo, un hoyo negro que pesa 10 masas solares, tiene un radio Schwarzschild de alrededor de 30 kilómetros.

Como cualquiera esfera, la circunferencia del "eventual horizonte" es 2π veces el Radio Schwarzschild. Pero los hoyos negros se abanican con la geometría de todos los días. Si fuera posible para un equipo de astronautas saltar a un hoyo y medir la distancia desde el horizonte a la singularidad, ésta sería mucho mayor que el radio Schwaszchild. Como el TARDIS del Dr Who, habría más espacio dentro de lo que aparenta ver desde afuera. Esto es porque el espacio dentro de un hoyo negro está extraordinariamente combado, de modo que nuestra geometría convencional que regula para planos, aquí no se aplica (ver figura 2).

El simple modelo de Schwaszchild de un hoyo negro, no describe los hoyos negros muy acuciosamente, y ello porque ignora dos de sus propiedades: que pueden tener cargas eléctricas y rotar muy rápido. Esto significa, por ejemplo, que un hoyo negro rotando debe arrastrar con él, al espacio cercano, y la fuerza centrifuga haría sobresalir hacia fuera el ecuador del eventual horizonte.

Pero aparte de su masa, carga y rotación, los hoyos negros son indistinguibles. Dos hoyos con la misma masa, carga y rotación, serían completamente iguales: no habría trazas de la naturaleza original del material que ha caído dentro de ellos, sean éstas estrellas, nubes de polvo o naves extranjeras. Esto ha estado preocupando a los científicos acerca de qué hace un hoyo negro con toda esta información, ya que la mecánica cuántica nos dice que la información siempre se conserva. Aún después de una explosión, usted todavía puede a partir de los restos que quedan, deducir los materiales originales. Pero en realidad no sucede eso con los hoyos negros.

Una solución exótica para esta paradoja es que la información se filtra a otro universo. La idea es que cuando el núcleo de una estrella se colapsa para formar un hoyo negro, no se concentra a una singularidad, sino que genera una nueva región de expansión del espacio-tiempo, que efectivamente es otro universo. Podría incluso existir, conectado por hoyos negros, una madriguera de universos; "un multiverso".

Lee Smolin, del Perimeter Institute for Theoretical Physics en Waterloo, Canadá, toma aún más lejos el concepto de multiversos y especula que los universos podrían "evolucionar" como los organismos. Cuando un hoyo negro da nacimiento a un universo bebé, éste puede tener constantes físicas ligeramente diferentes a las del universo paternal. Así por ejemplo, las masas de las partículas fundamentales, o la fortaleza de las fuerzas entre ellas, podrían ser ligeramente diferentes. A su vez los universos bebés podrían producir muchos hijos por si mismos, y los valores de sus constantes podrían ser buenos para producir cargas masivas de estrellas que se colapsen para formar hoyos negros. Así marcharía la generación de universos y la clase mas apropiada dominaría. Asumiendo que nuestro Universo es una de los últimos de una larga lista de universos, se habría optimizado para producir tantos hoyos negros como fuera posible.

Otra potencial solución para la paradoja de la información, descansa en el hecho de que los hoyos negros no son completamente negros; ellos podrían filtrar radiaciones al espacio. La información tragada por un hoyo negro puede en alguna manera estar impresa en esta "radiación Hawking". La idea proviene del físico británico Stephen Hawking, que probó matemáticamente que el hoyo negro puede evaporarse. De acuerdo a la mecánica cuántica, las partículas y sus antipartículas en constante existencia estallan en el espacio vacío, y un instante más tarde desaparecen (La Antimateria) (El Dilema de la Antimateria). Este proceso primero extrae energía del vacío, y luego la devuelve. Pero cuando esas parejas estallan en el horizonte eventual de un hoyo negro, una partícula puede caer dentro, mientras la otra escapar. Efectivamente el hoyo negro pierde una cantidad de energía equivalente a la masa de la partícula escapada.

Por mucho que los hoyos negros pierdan energía en la forma de radiación de Hawking, el proceso es increíblemente lento. El tiempo para que se evapore un hoyo negro (en años), es aproximadamente igual al cubo de su masa (en masas solares) multiplicado por 1066. De modo que un hoyo negro que pesa 10 masas solares tomaría para evaporarse, 1069 bastante más que la edad del Universo que es de 14 mil millones de años. Mientras tanto va a estar succionando de su alrededor mucha más materia de la que pierde.

Pero si un hoyo negro fuese considerablemente menor que esto, se evaporaría mucho más rápido y finalmente explotaría. Esos mini hoyos pueden haber existido al comienzo del Universo en las condiciones extremas de la bola de fuego del Big Bang (Estamos llenos de hoyos negros) (Más antecedentes de los hoyos negros). Densos parches de materias del tamaño de un protón y pesando mil millones de toneladas podrían haberse ubicados equidistantes dentro de los hoyos negros.


¿Existen los hoyos negros?

Ya es suficiente para la teoría, pero ¿cómo podemos estar seguros que realmente existen los hoyos negros? Aún cuando la evidencia teórica de ellos ya existía en los años 50, no estaba claro cuan fácil iba a ser detectarlos. Sin embargo los astrónomos pensaban que ellos deberían ser frecuentes en nuestra galaxia. Su razonamiento se basaba en que la Vía Láctea contenía mil millones de estrellas, y una o dos de ellas debía explotar cada siglo como "supernovas". Si una buena proporción de ellas se colapsaba como para formar hoyos negros, deberían existir en la Vía Láctea unos cien millones de ellas, y posiblemente más (Agujeros negros: el colapso de una estrella).

Pero, ¿cómo podíamos ver algo tan oscuro? Por definición un hoyo negro no emite luz y con un eventual horizonte de sólo 50 kilómetros de ancho, son objetos astronómicamente hablando, muy pequeños para ubicarlos buscando ver un parche oscuro en un fondo de estrellas.

En el año 1960 los astrónomos se dieron cuenta que podrían ubicarlos indirectamente. Si un hoyo negro está en un "sistema binario" y si tiene una estrella compañera orbitándolo, el hoyo negro va a sacar materia de la estrella compañera. En la medida que la materia cae dentro del hoyo va a formar un disco de remolino llamado "disco de acreción" alrededor del hoyo, en la misma forma que el agua es succionada cuando se le saca el tapón (figura 3). El disco de acreción estaría tan caliente que emitiría rayos X.

Para un telescopio instalado en la Tierra no es fácil detectar rayos X, ya que la mayor parte de ellos son bloqueados por la atmósfera de la Tierra. En cambio los astrónomos han podido colocar un detector en el espacio. El primer satélite de rayos X Uhuru, fue lanzado en el año 1970. Muy pronto, los astrónomos ya tenían su primer candidato para un hoyo negro binario. Se trataba de Cygnus X-1 que estaba a 8000 años luz de distancia. Era un objeto oscuro orbitando una brillante estrella y pesaba por lo menos 3 masas solares. Esto lo hacia demasiado pesado y oscuro para ser otra cosa que no fuera un hoyo negro. Hasta ahora se ha sospechado de más de una docena de probables hoyos negros identificados en un sistema binario en nuestra galaxia y en una galaxia satélite de la Vía Láctea, denominada la Nube de Magallanes (Pareciera que los hoyos negros comienzan a manifestarse).

Pero hay otro criadero de hoyos que pesan millones de veces la masa del sol. Muy lentamente los astrónomos han ido aceptando que existen. En los años 60 descubrieron a enormes distancias de la Tierra, galaxias extremadamente brillantes. La energía producida por estos objetos, que más tarde se llamaron "quásares" era asombrosa y brillaban cientos de veces más que las más brillantes galaxias del Universo. Sin embargo la energía venía de una región en su centro, del tamaño sólo de nuestro sistema solar (alrededor de 10 mil millones de kilómetros de largo).

Más tarde los astrónomos concluyeron que la única fuente posible de esa enorme energía podía corresponder a un "súper masivo hoyo negro", millones de veces más pesado que el sol, que se tragaba el gas y las estrellas de su alrededor. Hoy día se piensa que hoyos negros monstruosos constituyen la fuente de poder de objetos muy brillantes y muy distantes, a los que colectivamente se les ha llamado "núcleos galácticos activos". Como el hoyo negro gigante traga estrellas, gas y polvo, su disco de acreción emite radiaciones súper brillantes. Algunos núcleos galácticos activos también envían chorros de partículas energéticas que se esparcen en el espacio por cientos de millones de años luz.


Monstruos en nuestro patio trasero

También puede haber hoyos negros monstruosos cerca de nuestro vecindario. Hay un consenso mayoritario, pero no aceptado por todos, que las grandes galaxias tienen uno. Así por ejemplo, el Telescopio Espacial Hubble ha detectado un disco de acreción espiral en el centro de la galaxia llamada NGC 4261. Dado que el disco está rotando, los astrónomos pueden trabajar en la localización y velocidad de la materia que gira en su interior, lo que a su vez les dice la atracción gravitacional y por lo tanto la masa del objeto en su centro. El objeto es tan grande como nuestro sistema solar, pero pesa alrededor de 1.2 mil millones de masas solares. Para tener toda esta masa en esta relativa pequeña región, ciertamente tiene que corresponder a un hoyo negro.

Lo mismo corre para nuestra propia galaxia. Después de observar el moverse de las estrellas en el centro de la Vía Láctea, los astrónomos han concluido que un objeto llamado Sagittarius A es un hoyo negro que pesa 2.6 millones de masas solares.

Nadie sabe exactamente como nacieron los monstruosos hoyos negros. Podrían incluso ser anteriores a las galaxias, pudiendo haberse formado antes de las estrellas, cuando las nubes gigantes se colapsaron en la oscuridad, cuando se fundieron muchos hoyos negros pequeños. Observaciones recientes hechas por el Hubble, parecen confirmar esta idea. Este año los astrónomos han anunciado que creen tener buenas evidencias de la existencia de hoyos negros medianos, con miles de masas solares, en enjambres de estrellas llamados claustros globulares. Los claustros pueden eventualmente depositar sus hoyos negros medianos en el centro de la galaxia, donde pueden fundirse y formar estos hoyos monstruosos.

Hay muchos otros misterios que resolver. El mayor de todos es la naturaleza de la singularidad, donde la física ordinaria se sale de la escala, porque la densidad es infinita. Los infinitos son desconocidos en cualquier otra parte del Universo, de modo que cuando un valor infinito cae en los cálculos de los físicos, ellos tienden a desconfiar. A menos que lleguen a la "Teoría de la gravedad cuántica", la que combina la teoría cuántica con la relatividad general, no van a estar en condiciones de decir como es el corazón de un hoyo negro. Muchos piensan que cuando ya finalmente aclaren esa teoría van a darse cuenta que los hoyos negros albergan en su interior estructuras que realmente tienen mas sentido.

Pero algunos preguntan si los hoyos negros realmente existen. Los astrónomos afirman que aun cuando tenemos buenas evidencias de que objetos pesados se acomodan en pequeños espacios, no hay en cambio evidencias directas que tengan eventuales horizontes que atrapen la luz. Porque un eventual horizonte no deja salir nada, nunca se va a poder realmente probar con un 100% de certeza de que existan los hoyos negros.

Otros insisten que su realidad está probada más allá de toda duda razonable. Por ejemplo, ellos puntualizan de que si hay algún mecanismo físico, duro y rápido que previene que las estrellas colapsantes se encojan dentro de su propio eventual horizonte, ellos deberían tener una superficie que podríamos detectar, dado que materias que cayeran dentro de ellos, deberían algunas veces causar explosiones visibles. En los candidatos de hoyos negros de sistemas binarios, no vemos esos estallidos.

El caso de los hoyos negros puede llegar a ser más fuerte con la ayuda de los últimos observatorios espaciales de rayos X: Chandra, Observatorio de rayos X de la NASA, que fue lanzado en Julio de 1999, y XMM-Newton, de la European Space Agency (ESA), lanzado en Diciembre del mismo año. Estos satélites pueden medir los detalles de las características de las ondas de rayos X emitidos por los discos de acreción. Ya han encontrado evidencias que la fuerte gravedad existente, justo fuera del eventual horizonte de un hoyo negro supermasivo afecta la energía de la luz exactamente como la relatividad general predice que debiera ser.

Tanto NASA como ESA tienen ambiciosos planes para los futuros telescopios de rayos X. ESA está estudiando un diseño llamado XEUS (abreviación de: X-ray Evolving Universe Spectroscopy), que será 200 veces más sensible que el XMM-Newton. Estará provisto de un espejo de 4.5 metros para enfocar los rayos X en un detector separado que va a estar volando a 50 metros más adelante. El XEUS va a revelar si los hoyos negros existían durante la edad cósmica oscura, antes que las estrellas brillaran juntas en galaxias. Mientras tanto la NASA espera al final de la década, lanzar una misión llamada "Constellation-X". El programa incluye cuatro satélites de rayos X volando en formación.

Los telescopios de rayos X no son los únicos espectáculos que se esperan. También se espera lo que puedan investigar sobre los hoyos negros, los "Detectores de Ondas Gravitaciones". Cuando se crean los hoyos negros en explosiones de estrellas, o cuando ellas y sus compañeras chocan, oscilan pequeñas ondas en la fabrica de espacio tiempo, llamadas ondas gravitacionales, que viajan a la velocidad de la luz. Con todo, puede tomar más de una década antes que los detectores puedan ser lo suficientemente sensibles como para captar estas pequeñas ondas (Ondas gravitacionales. Ecos del Universo).

Quien sabe si también algún día seamos capaces de diseñar un hoyo negro aquí en la Tierra (ver recuadro). Estos hoyos amaestrados podrían ser de gran valor para revelar los secretos de sus primos, los hoyos más grandes espaciales (Un hoyo negro se podría tragar la Tierra). Cualquier cosa que suceda, los misterios de éstas bestias negras pronto se revelarán



Para saber más:

1 .- Black Holes, Wormholes and Time Machines by J.S.Al-Kalili (The Institute of Physics, 1999).

2.- Black Holes: A traveler`s guide, por Clifford A. Pickover (Wiley, 1966).

3.- Black Holes and Time Warps: Einstein`s outrageous legacy, por Kip S. Thorne (Papermac 1995).

4.- The Life of the Cosmos, por Lee Smolin (Weidenfeld y Nicolson, 1997).