El protagonista invisible

En todos los objetos compactos que mencionamos en la primera parte de esta entrada, existe una "entidad" física, tan real como los electrones o los quarks: el espacio-tiempo.

El espacio-tiempo es una entidad física tan real como la de la que están hechos los dos agujeros negros que colisionan en esta representación.  Crédito: SWINBURNE ASTRONOMY PRODUCTIONS. 

Lo que pasa con esta "entidad" es bastante delicado y es justamente lo que conduce a las extrañas propiedades de los agujeros negros clásicos.

A escala macroscópica, el espacio-tiempo es una "continuo" invisible que se "retuerce" y se "curva" por el efecto de la de la materia y los campos que contiene. 

En realidad lo que hace que los iones y átomos de una estrella convencional, los electrones de una enana blanca, los neutrones y protones de una estrella de neutrones y los quarks de una estrella de quarks, no se dispersen sin control con sus inmensas velocidades, es que están atrapados en las arrugas del espacio-tiempo que ellos mismos inducen

El efecto aparente de este "enredo" entre las arrugas del espacio-tiempo, es lo que llamamos gravedad: la tendencia de todas las cosas con energía a permanecer juntas o acercarse estando inicialmente lejos. 

Medimos la gravedad de distintas maneras. 

En la vida cotidiana usamos como escala de su intensidad la aceleración con la que se produce la atracción.  Cerca a la tierra, por ejemplo, la aceleración de la gravedad es de 1 g, es decir, un cuerpo que se suelta en el aire aumentará aproximadamente 35 km/h su velocidad por cada segundo de caída.  

Los físicos teóricos miden la gravedad de forma distinta. Lo hacen comparando la duración de los tics de un reloj muy lejano con aquellos producidos por un reloj en reposo en el campo gravitacional.  No es la única manera de hacerlo, pero es bastante informativa.  Lo hacen así porque las arrugas del espacio-tiempo que producen la gravedad, se manifiestan también como cambios en el flujo del tiempo.  Cerca a las concentraciones de materia o de campos, los relojes andan más despacio

En la superficie de la Tierra los relojes se atrasan aproximadamente 40 microsegundos por día.  Nada realmente notable (excepto si eres un satélite de GPS).  De modo que por aquí es más fácil hablar de aceleración que de atraso temporal.

En la superficie de una enana blanca, la gravedad, medida como aceleración, es de 1 millón de ges.  Es decir, si se dejará caer un cuerpo en la superficie de una estrella de electrones, en 1 miserable milisegundo el cuerpo habrá alcanzado un 10% de la velocidad de la luz

Por otro lado, la distorsión del espacio-tiempo se mide allí en partes por diez mil.  Por cada día, un reloj hipotético en reposo en la superficie de una enana blanca, se retrasaría más de 1 segundo.

En una estrella de neutrones o en una de quarks, las cosas con la gravedad se ponen color de hormiga.  En la escala convencional, la gravedad superficial de una estrella de neutrones alcanza ahora la medio bicoca de 2 billones de ges.  Es aquí cuando se vuelve más conveniente medir la gravedad en términos de su distorsión del espacio tiempo. 

En una estrella de neutrones típica, los relojes se retrasan a un ritmo que llega a más del 30%; es decir, en 1 día un desafortunado astronauta en la superficie de una estrella de neutrones envejecería casi 8 horas menos que sus amigos lejanos (bueno, en realidad mucho antes se habría evaporado por el intenso calor que hace allí y que quedo de la etapa nuclear previa de este tipo de objetos).

La gravedad de los agujeros negros

Es aquí donde los agujeros negros hacen siempre su entrada: hablando de gravedad en lugares extremos.

El espacio-tiempo cerca a un agujero negro alcanza límites de curvatura sin paralelo en el universo: Un reloj puesto en reposo a unos milímetros por encima del horizonte de eventos de un agujero negro se detendría casi completamente.  Sus tics durarían lo mismo que una era geológica y hasta más. 

Idealmente, en la superficie misma del horizonte de eventos, sus manecillas no volverían a moverse jamás.

¡Pero un momento! Esa también es una extrapolación exagerada. 

En realidad, aquellos extraños fenómeno pasan porque hemos escogido una manera muy particular de medir el espacio-tiempo.  Con formas distintas de medirlo (otros "sistemas de referencia" u otros "sistemas de coordenadas" como dicen los físicos) en el horizonte de eventos no pasa nada muy raro. 

Así por ejemplo, si dejamos caer una caja con instrumentos de medida a través del horizonte de eventos (otra manera de medir el espacio-tiempo, o como dicen los físicos, medirlo en un sistema de referencia en "caída libre"), los instrumentos no marcarían nada inusual en aquella superficie singular.

Las propiedades "singulares" del horizonte de eventos son pues relativas: dependen de cómo midamos el espacio-tiempo cerca al agujero negro.

Pero hay una cosa del horizonte de eventos que es común a todos los sistemas de referencia y sistemas de coordenadas (un invariante o absoluto): lo que entra en el horizonte de eventos no puede salir afuera de él.  Es cierto que nuestra caja con instrumentos en caída libre no registrará nada al atravesar el horizonte de eventos, pero también es cierto el hecho de que sus registros nunca podrán ser enviados al investigador que la diseño y que esta afuera. ¡Esa platica se perdió!  

En otras palabras, las cosas dentro del horizonte de eventos pueden ser causadas por fenómenos en el exterior.  Pero nada de lo que pasa en el exterior es causado por algo que pase adentro del horizonte de eventos

Lo que pasa dentro de un agujero negro, se queda dentro del agujero negro.

¡Increíble! pero no del todo cierto, y ya veremos por qué.

Más que gravedad

La gravedad debe ser, con toda seguridad, solo una parte de la historia de los agujeros negros, así como lo es de las estrellas de neutrones o las enanas blancas. 

¿Vamos a hablar de agujeros negros toda la vida concentrándonos únicamente en su gravedad sin ocuparnos de lo que son? ¡No! Ese es justamente el llamado en esta entrada.

Entonces ¿qué hay que decir sobre los agujeros negros que no sea lo mismo que se ha dicho hasta el cansancio, no sobre ellos mismos, sino en realidad sobre su gravedad?

Con la física conocida: muy poco. 

O más bien, todo lo que podemos decir, que realmente es mucho, lamentablemente no forma todavía parte de una teoría completa y consistente (como lo es por ejemplo la relatividad general). 

Por esta misma razón, nadie se toma muy en serio las propuestas que se han hecho para describir la naturaleza y estructura de los agujeros negros.  Esto, a pesar de  muchos confiamos en que algunas de esas cosas serán comprobadas experimentalmente tarde o temprano. Mejor aún, confaimos en que se integraran naturalmente a una teoría científica más completa y que contenga la relatividad general como un "límite".

Comencemos por el horizonte de eventos.  ¿Es realmente una barrera unidireccional? ¡no necesariamente!

Solo en el contexto de la gravedad clásica puede existir una barrera estrictamente unidireccional.  Para la teoría cuántica lo que pasa en el horizonte de eventos es mucho más difuso e incierto (y debe ser así si seguimos creyendo que es una descripción correcta del universo). 

Apliquemos no más el popular principio de incertidumbre cerca al horizonte de eventos. 

Imaginemos una partícula cuántica (un electrón por ejemplo) que viaja muy cerca de la velocidad de la luz justo en el horizonte de eventos.  ¿Esta el electrón atrapado o no en agujero negro?. 

Según el principio de incertidumbre, si su velocidad es conocida con mucha certeza, su posición no lo será.  Es decir, el electrón podría estar adentro o afuera del horizonte de eventos.  Por tal razón, "estar atrapado por el agujero negro" sería por tanto una afirmación sin sentido estricto.

Ahora bien, si sabemos que el electrón esta exactamente a 1 nanómetro debajo del horizonte de eventos, su velocidad es casi infinitamente incierta, y por qué no, podría ser suficiente para escapar del agujero negro.  De nuevo "estar atrapado" sería una afirmación sin contenido objetivo (solo probabilístico).

Estos dos ejemplos sencillos (y no muy rigurosos por cierto) muestran que al aplicar las reglas de la teoría cuántica en el espacio curvo cerca al agujero negro, las certezas clásicas sobre lo que es este objeto, comienzan a desvanecerse.  

El ejemplo más conocido de una "violación" a la naturaleza unidireccional del horizonte de eventos, esta en la denominada radiación de Hawking. 

En el espacio retorcido cerca al horizonte de eventos, el vacío cuántico es rico y dinámico.  Allí donde el espacio esta más curvado, el vacío es más energético, mientras que se hace más llano y menos energético al alejarnos del horizonte de eventos. 

Como producto de este "gradiente" de vacío, la energía de base cerca al horizonte de eventos, puede comenzar a fluir hacia afuera: el agujero negro empieza a chorriarse

La manifestación de este "chorreo" se da en la forma de partículas, fotones, electrones, bosones, etc. que salen espontáneamente de la "superficie" del agujero negro.  Con el tiempo el imbatible hueco se adelgaza y si esperamos lo suficiente desaparece.

Los alrededore de un agujero negro podrían ebullir de actividad por el gradiente de energía en el vacío cuántico que existe en regiones de alta curvatura en el espacio-tiempo

El horizonte de eventos no es pues tan unidireccional, al menos si se incluyen los efectos cuánticos.

Si bien nadie ha observado este "resplandor de agujero negro" (predicho originalmente por Stephen Hawking y por otros a mediados de los años 70), y que en el caso de agujeros negros como M87* es absolutamente despreciable e indistinguible incluso del fondo cósmico de microondas, no dudo que el 99% de los físicos teorícos y los astrofísicos, confían en que existe.  Cuando lo descubramos, alguien ganará un premio Nobel y a Stephen Hawking le harán honores póstumos.

Hay una característica importantísima de la radiación de Hawking, que nos puede ofrecer algunas pistas iniciales sobre la naturaleza intima de los agujeros negros. 

La "luz de Hawking" extraería ingentes cantidades de entropía del agujero negro.

La entropía es una medida del número de formas posibles en las que los constituyentes fundamentales de un sistema pueden configurarse manteniendo, al mismo tiempo, las propiedades macroscópicas del sistema.

Un cubo de hielo tiene entropía: podemos cambiar de muchísimas maneras la posición de sus átomos, manteniendo el volumen, la forma y demás propiedades macroscópicas del cubo. La misma cantidad de agua, pero en estado líquido, contiene incluso una entropía mayor: hay muchas más formas de poner las moléculas de agua en un líquido que en un sólido. 

Pero ¿cuál es la entropía de un agujero negro (calvo)? ¿de cuántas maneras se puede configurar una singularidad rodeada por un volumen aburrido de espacio y limitada por un horizonte de eventos unidireccional? 

Los agujeros negros que emiten radiación de Hawking deberían contener cantidades alarmantes de entropía. Esto no sirve mucho para precisar de que están hechos, pero definitivamente es un indicativo de que son mucho más que una abominable singularidad. 

Estrellas cuánticas

¿Qué son entonces y de qué están hechos los "agujeros negros"? 

Hay diversas propuestas (algunas muy populares y otras apenas en consideración).  De todas ellas podríamos distinguir tres principales:

  1. El horizonte de eventos podría limitar una región interior sin espacio, ni tiempo.  No habría nada en absoluto dentro de él (ni siquiera espacio o tiempo).  Toda la materia y los campos de un agujero negro se concentrarían en el horizonte de eventos en formas de campos y materias relativamente normales. A esta hipótesis se la conoce como el "muro de fuego" (firewall) y ha sido formulada para resolver algunas contradicciones evidentes entre la barrera unidireccional de los agujeros negros clásicos y las reglas de la teoría cuántica. 

  2. Los agujeros negros podrían estar hechos de materia "convencional" y ser sostenidos por la energía repulsiva del vacío cuántico.  En este sentido, no tendrían un horizonte de eventos real.  Es decir, el colapso de los cuerpos astronómicos nunca alcanzaría el tamaño en el que la gravedad llegará a los límites extremos característicos de un horizonte de eventos.  Los objetos resultantes seguirían siendo "negros" (en realidad la luz que escaparía de ellos sería casi indetectable porque su longitud de onda sería tan larga como una galaxia o el universo como un todo). Emitirían radiación similar a la de Hawking, pero por dentro estarían hechos de materia relativamente convencional (partículas elementales y campos posiblemente conocidos).  En este modelo , que fue propuesto recientemente, al apretujarse las partículas de un objeto compacto, el vacío cuántico que rodea al objeto empezaría a exihibir propiedades novedosas.  Una de ellas por ejemplo sería la capacidad para "destorcer" el espacio tiempo (algo que notaríamos como una repulsión gravitacional).  Esto frenaría el colapso y dejaría el objeto al borde de convertirse en el espantoso objeto de la gravitación clásica.

  3. El agujero negro podría tener horizonte de eventos (en el sentido cuántico de Hawking y sus amigos) pero el interior tendría un espacio-tiempo distinto al predicho por la gravedad clásica.  Allí la materia haría una transición a un estado conocido como un "polímero de cuerdas".  La imagen más cercana sería la de una bola de "pelos" en el estomago de un gato.   Esta posibilidad naturalmente solo es viable en el contexto de la teoría de cuerdas, de cuya válidez y belleza matemática casi nadie duda, pero cuya capacidad predictiva (y por lo tanto utilidad como teoría científica) se encuentra seriamente en entre dicho.

Una de las propuestas para explicar lo que son y de qué están hechos los agujeros negros sería la de suponer que son bolas de cuerdas enredadas entre sí. Ilustración: Olena Shmahalo/Quanta Magazine.

Como vemos, hay buenas opciones (o al menos hay alguna opción) al simplista modelo del agujero negro clásico. 

En todas ellas los efectos cuánticos juegan un papel central. De allí justamente mi propuesta de que en lo sucesivo llamemos a los agujeros negros, estrellas cuánticas.

¿Podremos alguna vez demostrar cuáles de estas posibilidades es la correcta?

Respecto a esto la gravedad clásica parece contundente: no hay ninguna manera de saberlo. El horizonte de eventos es una barrera unidireccional que entierra consigo los secretos del interior del agujero negro.

Afortunadamente, la gravedad clásica, de la misma manera que parece ser incapaz de describir correctamente lo que pasa en el interior de los agujeros negros, tampoco sería capaz de predecir muy exitósamente si podremos poner a prueba o no estas ideas nuevas.

Recientemente se ha propuesto que usando la radiación de Hawking y sofisticados experimentos cuánticos, sería posible "desencriptar" la información atrapada en el interior de los agujeros negros (incluso si su horizonte de eventos es fuertemente unidireccional).  Con computadores cuánticos y sondas relativistas podríamos medir el interior de estas estrellas cuánticas y saber que pase dentro de ellas.

De otro lado, la exitosa detección de ondas gravitacionales podría también ofrecernos una nueva esperanza. 

Después de que dos estrellas cuánticas se fusionan, el agujero negro resultante, queda oscilando como una campana.  Las características de estas oscilaciones dependen de si algo puede o no escapar del interior del objeto.

Si no puede escapar, las oscilaciones son solo reflejos en la superficie unidireccional del horizonte de eventos, de las ondas gravitacionales en el exterior.  Si lo pueden hacer, estas oscilaciones serían un poco más complejas. 

Del otro lado, si hay materia adentro de los agujeros negros, sus modos de vibración serían muy diferentes a los de un volumen de espacio vacío. Estos modos de vibración quedarían impresos en las ondas gravitacionales que emergen de los agujeros negros recién nacidos.  

Estudiando la vibración remanente (ringdown) después de la fusión de dos agujeros negros, podríamos entender si hay algo adentro de ellos

Otra fuente de información sería la teoría misma. 

La mayoría de los físicos teóricos sueñan en (y trabajan por) una teoría capaz de describir la gravedad usando las mismas matemáticas y principios de la teoría cuántica (las demás interacciones ya se describen exitosamente así). 

El día que podamos crear una teoría de la "gravedad cuántica", el interior y estructura de los agujeros negros se nos revelara sin dificultades.

Mi predicción: no habrán singularidades, horizontes de eventos unidireccionales, ni volumenes de espacio-vacío.

¡Amanecerá y veremos!

Para saber más

Artículos relacionados

Lee también en SciLogs

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.

Blog personal

Sobre este blog

Una férrea pasión por el universo. Un blog sobre el universo y los cuerpos más complejos que alberga, planetas, vida y cerebro.

Ver todos los artículos (32)