Hace pocos días se hizo pública la primera imagen de los alrededores de un agujero negro supermasivo, el agujero negro central de la galaxia gigante M87. 

La imagen le dio rápidamente la vuelta al mundo, estuvo en la portada de todos los periódicos, científicos y no científicos por igual, y ha dado nuevos bríos a la popularidad (nunca agotada completamente) de los agujeros negros.

Es increíble, sin embargo, que aún teniendo hoy la imagen más cercana de uno de estos objetos, esta no revele casi nada sobre su verdadera naturaleza y (posible) estructura interior.

Lo que vimos en la imagen del Event Horizon Telescope (EHT) es solo la luz de gas caliente que lo orbita. En ella, el agujero negro esta en algún lugar entre el arrugado espacio-tiempo que deja una sombra oscura en la imagen.

Imagen de M87* en la que se superpone la escala del sistema solar y se muestra el posible tamaño del agujero negro en su centro. Crédito: xkcd comics.

Es un buen momento, entonces para regresar otra vez a la pregunta urgente de ¿qué demonios es un agujero negro? ¿de qué "materia" (si es el caso) esta hecho? ¿qué pasa en su interior y en sus alrededores más inmediatos?

Los agujeros negros de los años 60

Las respuestas a la pregunta de qué son los agujeros negros,epetidas hasta el cansancio en todos los textos técnicos y divulgativas por igual, son increíblemente insatisfactorias. 

Más sorprendente aún es el hecho de que son propias de tiempos en los que no habíamos "descubierto" algunas ramificaciones increíbles de la teoría cuántica aplicables a este tipo de objetos y que se empezaron a descubrir a principios de los 70 (¡hace casi 50 años!).

Un agujero negro, dicen (o decimos) en todas partes, es una región del espacio-tiempo desde la cuál nada puede escapar, ni siquiera la luz (el lector bosteza)

El agujero negro (clásico) tiene una superficie "unidireccional", su horizonte de eventos, a través de la cuál, la luz, una onda gravitacional o cualquier partícula u onda solo pueden pasar en una dirección (hacia adentro), pero nunca en la dirección contraria. De allí que sean llamados "agujeros" (todavía un poco aburrido). 

El agujero negro es tan solo, según esta descripción sesentera, una superficie imaginaria que encierra un volumen de espacio en el que ocurren cosas extrañas (un poco decepcionante a decir verdad).

La imagen sesentera de los agujeros negros.

En el centro de todo agujero negro (dice la teoría) hay un punto (o un círculo) de volumen exactamente igual a cero (¡puf!), en el que toda la masa y energía está infinitamente concentrada; una abominación científica que los teóricos llamamos una singularidad.

Los agujeros negros, dicen los más simpáticos, son "calvos".  Es decir, a diferencia de la "cochina" materia y campos de las que estamos hechos el resto del Universo, estos "huecos" solo tienen dos propiedades (o tres): masa y rotación (la tercera - que es difícil que aparezca en procesos astrofísicos reales - es la carga eléctrica). 

Chistoso, pero increíblemente aburrido (y a decir verdad, un poco inverosímil)

¿Algo más? "No, gracias", respondemos con descaro los físicos.

La imagen simplona de los agujeros negros que tenemos y que he descrito brevemente en las líneas anteriores, es el resultado simplemente de ignorar (no arbitrariamente, sino por la verdadera ausencia de información) la realidad compleja que subyace a las escalas de tamaño, curvatura y densidad propias de estos objetos.  

Nuestra imagen de los agujeros negros como puntos matemáticos rodeados de espacio-tiempo roto, es simplemente una extrapolación exagerada de la única teoría matemática de la gravedad de la que disponemos.

Es como si nos pararamos al lado de una carretera muy larga y recta, y pensaramos (por la manera como la carretera se pierde de vista frente a nuestros ojos) que la Tierra es plana y la carretera no terminará jamás. 

Podríamos a partir de esta imagen extrapolar que la carretera se extiende hasta el infinito y que la Tierra es plana.  Así nos comportamos a menudo con los agujeros negros, llevando la relatividad general a extremos en los que es casi imposible que se cumpla rigurosamente.

Los humanos (incluyendo los científicos) tendemos a extrapolar nuestros conocimientos hasta extremos que desconocemos y a veces (especialmente cuando los divulgamos), nos tomamos muy en serio esas extrapolaciones. 

Pero como ha sucedido (y seguirá sucediendo) con nuestras idealizaciones del mundo, el Universo seguramente nos depara sorpresas asombrosas que nos invitan cada mañana a levantarnos y seguir buscando.  No hay razón para creer que los agujeros negros sean una excepción a esta regla.

Lo más increíble es el hecho de que llevamos 45 años (desde mediados de los años 70) hablando de agujeros negros más emocionantes que aquellos de la aburrida descripción clásica y aún así seguimos sin atrevernos a hablar de ellos de forma abierta.

Materia al extremo

No muy lejos de los agujeros negros, es decir de su escala de tamaño, masa y densidad, hay objetos reales, bastante complejos y de una física que contrasta abiertamente por su riqueza con la aburrida física (idealizada) de aquellos huecos sin fondo. 

Se conocen técnicamente como "objetos compactos" y aunque capturan menos atención que sus primos oscuros, son también motivo de admiración de expertos y no expertos.

A la "cabeza" (en el extremo de mayor tamaño, menor masa y más baja densidad) están las "estrellas de electrones", o enanas blancas como se las conoce popularmente en astronomía. 

Las estrellas de electrones son bolas de carbono y helio "sólidas", del tamaño de un planeta terrestre y con atmósferas milimétricas de Hidrógeno. 

Las hay por miles de millones en cada galaxia.  La mayoría de las estrellas del Universo está (o estará en algún momento) "embarazada" de una enana blanca, que quedará expuesta al final de la étapa nuclear de su vida. 

Imagen de la estrella de electrones que acompaña a la estrella más brillante del cielo, Sirio.  Fuente: Hubble.

¿Por qué "estrellas de electrones"?  Se las llaman así porque su existencia se debe casi exclusivamente a la acción colectiva de los electrones que contienen (entre otras cosas). 

En la mayor parte de la materia convencional, los electrones están presos en los átomos y su magia es apenas reconocible.  Un gas, incluso el plasma de una estrella fría, no es algo más que una inmensa colección de "peloticas" sin mucha gracia, que rebotan aquí y allá, sin ton, ni son.

El rebote al azar de estas "pelotas", hace que los gases tengan una tendencia a disiparse sin orden.  Sin embargo, cuando la gravedad es suficientemente intensa, el gas gravita y no puede ir muy lejos. 

El equilibrio  entre la tendencia de los gases a desparramarse y a permanecer cerca a las otras peloticas, produce los grumos de materia que conocemos como las "estrellas" convencionales ("estrellas de gases" o "estrellas de plasma"). 

En la materia cristalina (metales y minerales diversos, incluyendo el oro de nuestras joyas, el carbón del diamante o el silicio y germanio de nuestros aparatos electrónicos), los electrones son más libres (no están atados permanentemente a sus átomos) y empiezan a dar muestra de curiosos comportamientos colectivos. 

El brillo, color, conductividad eléctrica y térmica, incluso la capacidad para absorber o emitir luz de forma ordenada (piense en el invariable amarillo del oro o en la luz de los diodos) son muestras de los curiosos comportamientos de los electrones cuando se unen en manada. 

En las enanas blancas, las manadas de electrones apretujados a niveles extremos, exhiben un comportamiento emergente que no se observa en los gases de las estrellas convencionales. 

Los electrones se mueven a velocidades inmensas sin que ningún "calor" interno o externo, los aceleren.  Estos electrones super véloces se mueven así simplemente porque las reglas cuánticas establecen que no puede haber en el mismo rincón del universo dos electrones que tengan el mismo estado físico (una "ley" cuántica que se conoce como el principio de exclusión de Pauli). 

A este nivel, los electrones ya no son los corpúsculos amarillentos de las ilustraciones de los libros; funcionan más bien como ondas que "sienten" todo el espacio a su alrededor e interactúan y se superponen con las ondas electrónicas vecinas.  En realidad los electrones son ondas a todas las escalas, pero su naturaleza ondulatoria y "excluyente" solo se hace evidente a las densidades imposibles de las enanas blancas (o en el entorno ordenado de los átomos o los cristales). 

Como resultado de estos electrones veloces "sin motor", las enanas blancas no necesitan más el calor provisto constantemente por las reacciones nucleares de su vida anterior.  Se mantienen incolumes (no se aplastan sobre su propio peso), incluso cuando se han enfríado a temperaturas gélidas (algo que todavía no le ha pasado ni siquiera a la primera estrella de electrones que nació en el universo).

Las enanas blancas son edificios sostenidos por reglas cuánticas.  ¡Que hermosas son las estrellas de electrones!

El núcleo atómico más grande del universo 

Cuando la densidad de los electrones es inmensa, incluso para los estándares cuánticos, ocurre una transición repentina a un nuevo estado. 

Así como el vapor de agua se condensa "milagrosamente" en gotas líquidas (miles de veces menos voluminosas) cuando la temperatura desciende debajo de un cierto umbral, por encima de una cierta densidad las "estrellas de electrones" se condensan casi subitamente en una nuevo tipo de objeto: una "estrella de neutrones".

Si bien podemos comparar la materia de las estrellas de electrones con la materia de la que están hechas las rocas y los metales, es difícil encontrar en nuestra vida cotidiana una forma de materia parecida a la de una estrella de neutrones

En las estrellas de electrones los núcleos atómicos desnudos de carbono, oxígeno y helio, sumergidos en el maremagnum de electrones super veloces, son ciertamente distintos unos de otros. Cada núcleo de Carbono, por ejemplo, conserva su identidad definida.  Si etiquetara a uno de ellos, podría identificarlo por el resto de la eternidad, así se mueva desordenadamente en la gelatina electrónica.

En las estrellas de neutrones, la identidad de los núcleos se desvanece.  "¡¿De quién es este protón?!", pregunta un núcleo atómico por allí; ninguno de sus núcleos vecinos puede precisar si es suyo realmente. 

Es tal la confusión que lo que en un principio parecía materia hecha de núcleos atómicos y electrones muy cercanos, ahora se antoja, simplemente, como un amasijo gigante de protones y (principalmente) neutrones.  Además, en estas condiciones de enorme densidad y temperatura, los neutrones son más comunes que los protones por un factor casi de 3, algo que ocurre también en los núcleos atómicos muy grandes. Con todo, las estrellas de neutrones pueden perfectamente considerarse los núcleos atómicos más grandes del Universo.   

De nuevo, es el comportamiento cuántico de los neutrones y protones, que son también ondas, lo que mantiene a estos bichos en pie.  Obedeciendo el principio de exclusión de Pauli, los protones y neutrones viajan a altas velocidades sin que nada los empuje, de modo que tampoco se necesita calor para mantenerlos en pie.  

Las "estrellas de neutrones" también se sostienen por obra y gracia de la física cuántica.

No es muy difícil adivinar que la historia de un objeto compacto de quarks o una "estrella de quarks" no es muy distinta que la de una estrella de neutrones.  En el corazón profundo de estos objetos (cuya existencia apenas estamos comprobando observacionalmente), protones y neutrones se confunden unos con otros. 

Nadie sabe donde termina aquel protón y comienza ese neutrón.  Los quarks que rebolotean en el interior de ellos se mezclan en una melaza "cromática" conocida como un "plasma de quarks y gluones".

Comparación de los tamaños de los objetos compactos descritos en esta entrada

Entonces: si apretujamos a los gases eventualmente obtendremos un sóido electrónico (como el de las estrellas de electrones); si apretamos aún más, el sólido se convierte en un superfluído neutrónico (como el de las estrellas de neutrones); y si el espacio es aún menor, los quarks y gluones quedan libres (como en las estrellas de quarks).

¿Qué pasa si seguimos apretando? ¿darán los quarks paso a una sustancia aún más fundamental?

Es justo allí dónde la física pierde su rumbo y los ricos agujeros negros de la (incierta) física del futuro hacen su aparición. Ese es justo el tema de la segunda parte de esta entrada.

Notas:

  • (4/20/2019) Shir Hamakolet (@shirhamakolet en twitter) me hace un comentario bastante válido sobre un posible malentendido con esta entrada. 

    Es importante aclarar que las estrellas de electrones no se convierten, normalmente, en estrellas de neutrones, y que estas no evolucionan en estrellas de quarks; o que el final de todas ellas sea convertirse en estrellas cuánticas.  En realidad cada uno de estos estados es (en la inmensa mayoría de los casos) es el estado final del centro de una estrella o de una nube de gas gigante.

    Es cierto que en algunas estrellas se producen cambios de un estado en otro. Por ejemplo, el núcleo estrellas masivas es primero una "estrella electrónica" hasta que alcanza una cierta masa, momento en el cuál hace la transición a una "estrella de neutrones".  Sin embargo, el único objeto observable al final será la estrella de neutrones. 

    En otros casos dos enanas blancas pueden colisionar y formar una estrella de neutrones (no es muy común).  O dos estrellas de neutrones pueden chocar y formar un agujero negro (o no hacerlo).

    En fin, la sucesión mencionada en el texto no es una sucesión de estados de un mismo objeto.  Es solo una manera de describir la relación entre esos estados.

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Jorge Zuluaga
Jorge Zuluaga

Profesor titular del Instituto de Física de la Universidad de Antioquia (UdeA) en Medellín, Colombia. Fundador del pregrado de astronomía de la UdeA e investigador del grupo de física y astrofísica computacional y del Solar, Earth and Planetary Physics Group. Padre de 3, maestro y divulgador por instinto. Tiene el nombre de un asteroide (347940) Jorgezuluaga.

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