¿Es posible que los agujeros negros puedan ejercer presión sobre su entorno?

Por Julio García G / Periodista de Ciencia

Desde que fuesen descritos por Albert Einstein en 1915 a través de la Teoría General de la Relatividad, los agujeros negros provocan siempre perplejidad y poseen también un halo de misterio. Y no es para menos porque la gravedad es tan intensa a su alrededor que ni la materia, ni tampoco la luz, pueden escapar. Ello se debe a que generan una pronunciada curvatura del espacio-tiempo.

Quien acuñó el término de agujero negro fue el eminente teórico de la física de origen estadounidense, John Archibald Wheeler. Lo hizo en 1969 durante una reunión de físicos y cosmólogos en Nueva York. Antes de él, se les describía con un nombre técnico: “estrella en colapso gravitatorio completo”.

En la Teoría General de la Relatividad, Einstein describió agujeros negros formados a partir del colapso gravitatorio de estrellas masivas, de unas treinta a setenta veces la masa del Sol, luego de que estas últimas agotan todo su combustible. Sin embargo, existen otro tipo de agujeros negros, como los supermasivos, de varios millones de masas solares, los cuales se hallan en el centro de muchas galaxias. 

Por ejemplo, el 10 de abril de 2019, se dio a conocer la primera observación directa de un agujero negro supermasivo en la galaxia Messier 87 (M87), la cual se encuentra a 55 millones de años luz. Y en 2021, el mismo equipo que hizo aquella observación fue más allá al poder captar los intensos campos magnéticos que rodean al agujero negro supermasivo de M87.

Sin embargo, uno de los problemas a los cuales se enfrentan los astrónomos cuando estudian agujeros negros tiene que ver con que, paradójicamente, no pueden observar directamente aquello existente en su interior porque la luz, que es absorbida por éstos, es el único elemento que poseen para estudiarlos. Lo único que pueden hacer es: o bien crear mejores modelos matemáticos de cómo podría ser su interior, o estudiar los campos magnéticos que se producen a su alrededor. De hecho, es a través de las ondas de luz que emiten (las estrellas) o reflejan (los planetas y otros cuerpos) como estudian el universo.

Por fortuna, tanto los físicos como los astrónomos pueden crear modelos teóricos para, al menos, intentar describirlos de la mejor manera posible. De hecho, uno de los grandes personajes, el cual intentó describirlos mejor para comprenderlos fue Stephen Hawking quien, en 1974, planteó la posibilidad de que los agujeros negros pudiesen emitir radiación. Antes de Hawking, la idea más extendida era que éstos eran cuerpos completamente inertes.

Pero lo más interesante viene a continuación, porque el pasado 9 de septiembre, dos físicos del Departamento de Astronomía de la Universidad de Sussex en Reino Unido, publicaron un estudio mediante el cual afirman haber descubierto que los agujeros negros producen radiación térmica, es decir, son capaces no solamente de generar temperatura sino también presión. El hallazgo lo presentaron los profesores Xavier Calmet y Folkert Kuipers en la prestigiosa revista Physical Review D.

Es importante mencionar que para el descubrimiento no se utilizó ningún tipo de instrumento de observación, sino que Calmet y Kuipers lo hicieron a través de ecuaciones y modelos matemáticos. De hecho, ambos quedaron perplejos luego de hacer algunas correcciones gravitacionales cuánticas a la entropía de un agujero negro.

En un comunicado emitido por la Universidad de Sussex, Xavier Calmet mencionó que “si se consideran a los agujeros negros solo dentro de la relatividad general, se puede demostrar que tienen una singularidad en sus centros donde las leyes de la física tal como las conocemos deben romperse. Se espera que cuando la teoría cuántica de campos se incorpore a la relatividad general, podamos encontrar una nueva descripción de los agujeros negros”.

Además, el hallazgo abre la posibilidad de que la gravedad cuántica puede generar presión en los agujeros negros. Y si la gravedad cuántica genera presión sobre estos últimos, ¿entonces cabría la posibilidad de que éstos sean también capaces de emitir radiación y que finalmente no sean tan negros? Todo apunta a que Stephen Hawking tuvo razón cuando postuló que sí pueden emitir radiación. 

Ahora bien: la gravedad cuántica puede ser descrita como un campo de la física teórica que pretende unificar la teoría cuántica de campos, la cual describe tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza (la fuerza electromagnética y las fuerzas nuclear fuerte y nuclear débil), con la gravedad. Esta última fue representada de manera portentosa por Albert Einstein a través de la Teoría General de la Relatividad. 

Pero, hasta el momento, los físicos no han podido unificarlas, entre otras razones porque la naturaleza se comporta de forma diferente en el mundo macroscópico (donde actúa la fuerza de gravedad) y en el microscópico (donde interaccionan las otras tres fuerzas fundamentales como el magnetismo). En el caso del mundo de lo muy grande, todo está bien definido, es medible y cuantificable, a través de leyes como las de Newton o Kepler, mientras que en el mundo microscópico surge el azar y todo aquello que no se puede determinar con certeza.

A partir de la afirmación anterior, es posible deducir que la estructura y el comportamiento de un agujero negro está determinado tanto por la fuerza de gravedad como por las otras tres fuerzas fundamentales mencionadas (electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil), por lo cual una descripción detallada de su funcionamiento debería surgir a partir de reconciliar y unificar las cuatro fuerzas fundamentales. Ello implica un arduo trabajo teórico y matemático que seguramente llevará muchos años resolverlo porque hasta ahora es imposible saber qué hay en el interior de uno de estos.

De hecho, uno de los problemas a los que se enfrentan los físicos es al llamado “problema de las singularidades” en los agujeros negros, que tiene que ver con qué hay en su interior.

Una singularidad gravitacional o espaciotemporal, puede definirse como una zona del espacio-tiempo donde es imposible conocer magnitudes físicas que estén relacionadas con los campos gravitatorios, como por ejemplo la curvatura. Recordemos que la gravedad producida por planetas, estrellas y agujeros negros, y cualquier cuerpo masivo, genera una curvatura en el espacio-tiempo como si este último fuese una cama elástica que se deforma en función del peso que contenga. A mayor peso, mayor gravedad y, por tanto, mayor deformación.

Dentro de los agujeros negros donde existe una singularidad, es tal la deformación del espacio-tiempo  que la fuerza gravitatoria deja de resultar relevante y da paso a que los principios de la mecánica cuántica tomen su lugar.Estos principios cuánticos, basados en el azar, en lo improbable y en la falta de certeza que se tiene sobre las mediciones realizadas al interior de un agujero negro, da pie para que a los físicos les resulte imposible saber, por el momento, qué hay en su interior. 

Respecto a lo que le sucede a la materia que cae y es tragada por un agujero negro, los científicos aún lo desconocen. Pero existe la llamada “paradoja de la pérdida de información de agujeros negros”, la cual apunta a que la información física, aquella que es generada por la materia que cae dentro de uno de ellos, podría desaparecer permanentemente.

Sin embargo, y como lo he mencionado a partir del estudio de Calmet y Kuipers, la información sí podría salir. La pregunta es en qué forma. Si se trata de la misma información que entró o, en cambio, surge nueva información, con características distintas. Esto por ahora nadie lo sabe y continúa siendo uno de los grandes misterios. 

El trabajo de estos dos investigadores puede consultarse en el siguiente enlace: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.104.066012

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