Agujeros negros gravitatorios

Mucho se ha escrito sobre los agujeros negros gravitatorios, tanto publicaciones científicas como libros y artículos de divulgación, también han sido un recurso en ciencia ficción. La física, a partir de finales del siglo XIX, ha ido explorando parcelas de la realidad cada vez más alejadas de nuestra propia realidad cercana, descubriendo leyes de la Naturaleza realmente extrañas para nuestro entendimiento, y los agujeros negros sin duda son una de tales extrañas realidades. En este blog siempre se está intentando exponer temas científicos desde un prisma no académico, sino divulgativo e incluso con un punto filosófico, en el sentido de querer ir un poco más allá en nuestro entendimiento profundo de los fenómenos, es por esto que me he decidido a escribir una entrada sobre agujeros negros, una decisión que no ha sido fácil, pues es un tema todavía con muchas incógnitas abiertas, todavía no entendido ni por las mentes más brillantes de la actualidad, entre las cuales evidentemente no me incluyo, pero vamos a intentarlo. Así pues, mi aportación será simplemente intentar ser didáctico, exponer con claridad conceptos complicados, y añadir un toque filosófico, al estilo de este blog. Vamos allá.

Campo gravitatorio

Empezamos por la base: la gravedad. En mi post Espacio-tiempo curvo para todos los públicos explicaba, con ejemplos simples, porque se dice que la gravedad es una deformación geométrica del espacio tiempo; recupero aquí alguna de las conclusiones de ese artículo:

Por tanto, la gravedad no es la causa del peso, la gravedad es la causa de la caída de los cuerpos, más exactamente, es la causa de una aceleración. El peso es la fuerza que ejercemos para evitar la aceleración de la gravedad.

Distinguimos pues el peso, que es una fuerza, de la gravedad, que no es una fuerza sino una aceleración. Esta es una consecuencia de la Teoría de la Relatividad General, que dicho sea de paso, hace décadas que dejó de ser sólo una teoría, pues está más que confirmada, y debería llamarse, con más propiedad, ley de la Relatividad General.

De alguna forma, la gravedad produce una curvatura en la relación espacio-tiempo, y automáticamente resulta una aceleración, sin necesidad de ejercer fuerza alguna. Esta aceleración afecta a absolutamente todo lo que esté al alcance de la gravedad. Como la gravedad es producida por los objetos con masa material, podemos decir que la presencia de masa produce una curvatura en la relación espacio-tiempo alrededor de la masa, resultando una aceleración intrínseca, del propio espacio-tiempo, afectando a todo, incluso a "objetos" inmateriales que no tienen masa, como la luz.

En efecto, la aceleración es una proporción entre el cambio de velocidad y el intervalo de tiempo, y a su vez la velocidad es otra proporción entre el espacio recorrido y el intervalo de tiempo empleado. En nuestro mundo cotidiano, para modificar la velocidad hay que aplicar una fuerza, pero la Naturaleza tiene otra forma de hacerlo, y es "curvando" la relación entre espacio y tiempo. Es esta curvatura intrínseca del propio espacio la que produce una aceleración sin necesidad de fuerza alguna; a su vez, la curvatura del espacio es producida por la presencia de un cuerpo material masivo, como por ejemplo la Tierra, que al deformar el espacio a su alrededor curvándolo, creando lo que llamamos un campo gravitatorio a su alrededor, provoca que todo objeto en sus proximidades se acelere hacia el centro del campo, hacia el centro de la Tierra.

La aceleración producida, y por tanto  la curvatura inducida en el espacio circundante, depende de la masa del objeto y de la distancia a la que nos encontremos, como ya dedujo Newton en su ley de la gravedad

Peso de un cuerpo = masa del cuerpo X atracción gravitatoria / distancia² [1]

donde la atracción gravitatoria depende de la masa del objeto masivo. La aceleración producida en el cuerpo viene dada por la 2a ley de Newton de la dinámica:

aceleración = masa del cuerpo / peso del cuerpo [2]

Sustituyendo la expresión [1] del peso en la [2]:

 aceleración gravitatoria = atracción gravitatoria / distancia² [3]

por tanto la aceleración es independiente de la masa del cuerpo que cae; es por ello que hablamos de un campo gravitatorio: cualquier objeto situado en las inmediaciones de un cuerpo masivo experimentará la misma aceleración.

Observemos que en la ley de Newton la distancia aparece elevada al cuadrado y en el denominador; esto significa que a menor distancia mayor aceleración. En la superficie de la Tierra esta aceleración vale 9.8 m/s², pero a 100Km de altura habrá disminuido alrededor de un 3% y a 1000Km un 25%.

Imaginemos ahora que la Tierra es más densa, pero con la misma masa, por lo que forzosamente deberá ser más pequeña, digamos que con un radio 10 veces menor; el radio real es de unos 6300Km, supongamos que la comprimimos y queda un radio de 630Km. Si nos situamos a la misma distancia del centro a la  que estamos ahora, 6300Km, la aceleración gravitatoria será la misma que ahora, pero estaremos 6300 - 630 = 5670Km de altura sobre la superficie, por lo que empezaremos a caer, en caída libre, sin sentir fuerza alguna. A medida que caemos nos acercamos al centro de la Tierra, y la expresión [3] nos dice que nuestra aceleración aumentará ... cuando lleguemos a la superficie de la Tierra "comprimida", nuestra aceleración será 100 veces superior a la actual, de unos 98m/s². Es importante recordar que, incluso con esa aceleración enorme, no notaríamos ninguna fuerza, ningún peso, pues nuestro peso es la fuerza de reacción que hacemos sobre la superficie de la Tierra para no seguir cayendo, mientras caemos, no hay fuerzas. 

Estrellas de neutrones

Obviamente no se puede comprimir la Tierra ... ¿o sí?. Bien, la Tierra es rocosa, y la roca no es compresible, pero las estrellas son mayormente masas de gas en combustión (pero termonuclear, no es combustión química), y el gas sí es compresible. Así, cuando una estrella con mucha masa (unas 3 veces más que nuestro Sol) agota su combustible por la edad, al tener tanta masa (del orden de millones de veces la de la Tierra) crea un campo gravitatorio muy intenso a su alrededor, más precisamente, alrededor de su centro, capaz de atraer, de acelerar, su propio gas residual: la estrella se auto comprime. Y ya hemos visto lo que pasa cuando imaginamos la Tierra comprimida: que la gravedad se hace más fuerte como más densa es la materia. 

Así, la compresión aumenta la gravedad, la cual comprime más todavía la materia, aumentando la gravedad ... en un ciclo de retroalimentación que sólo se detiene cuando la materia es tan, tan densa que ni la enorme gravedad resultante puede comprimirla más. El resultado se conoce como "estrella de neutrones": la compresión es tan brutal que las moléculas se rompen en sus átomos constituyentes, los átomos a su vez se colapsan, cayendo los electrones orbitales en el núcleo, donde a través de una reacción nuclear los protones absorben a los electrones caídos formando neutrones, de suerte que toda la estrella se convierte en un núcleo que sólo contiene neutrones, pero con toda la masa original de la estrella; la densidad y la gravedad son fabulosas: una cucharadita de café llena del material de la estrella pesaría varias toneladas, el radio de la estrella ha pasado de ser de algunos millones de kilómetros hasta sólo unos 10Km, y la gravedad en la superficie ha aumentado ... ¡en un billón de veces! Si un planeta como la Tierra tuviera la desgracia de acercarse demasiado a una estrella de neutrones, sería también comprimida, casi desintegrada, reduciendo sus 6300Km de radio a una meteorito de neutrones de 60 metros de radio, que se precipitaría sobre la superfície de la estrella a una velocidad cercana a la luz. Así que hemos respondido a la pregunta ¿Puede la Tierra comprimirse, a pesar de ser rocosa? Pues sí.

Así pues, cualquier objeto material que caiga a una estrella de neutrones será desmenuzado e incorporado a la estrella, la cual aumentará su masa, y su campo gravitatorio.

Pasando al límite: singularidades del campo gravitatorio

Los neutrones son partículas fabulosamente densas: alrededor de un billón (un uno seguido de 12 ceros) de kilogramos por centímetro cúbico; parece imposible comprimirlo todavía más. Pero hemos dicho que con una masa de unas 3 veces la del Sol, la gravedad es tan tremenda que es capaz de comprimir cualquier cosa hasta esa densidad. ¿Qué pasa entonces con las estrellas gigantes? Se sabe que en el Universo existen estrellas supermasivas, con radios cientos, incluso miles de veces más grandes que el Sol. Recordando que el volumen de una esfera es proporcional al cubo de su radio, y que la masa es proporcional al volumen, tales estrellas gigantes tendrán masas y campos gravitatorios millones de veces superiores al Sol. ¿Pueden los neutrones soportar una presión gravitatoria un millón de veces superior al de una estrella de neutrones? Parece ser que no, tanto la teoría como la observación astronómica nos dicen que incluso los neutrones colapsaran.

¿Qué sucede entonces? Hemos visto antes que en una estrella masiva el proceso de contracción se retro-alimenta: como más se comprime, menor es el radio, y mayor se hace la aceleración, con lo cual se comprime más ... en el caso de las estrellas gigantes nada es capaz de detener este proceso, que llevado al límite, produce el extraño, casi esotérico efecto de hacer desparecer toda la materia en un punto sin dimensiones, pero en ese punto "inmaterial" todavía existe toda la masa de la estrella, o quizá debemos decir la energía, pues la masa está ligada a la materia, y la materia ha sido desintegrada. Desde el punto de vista del campo gravitatorio, el punto ocupa lo que era el centro de la estrella; desde una gran distancia, el campo gravitatorio será el mismo que el de la antigua estrella, pero como hemos visto, ahora podemos acercarnos al centro del campo mucho más que cuando era un estrella, de hecho, siendo un punto sin dimensiones, podemos acercarnos hasta el mismo centro. Y como más nos acerquemos, mayor será la aceleración, como hemos visto. 

¿Cuál será la aceleración en este campo gravitatorio? Hemos visto que, según la expresión [3], depende de la distancia al centro, pero como ahora podemos acercarnos a distancia cero de ese centro, resulta que

aceleración gravitatoria = atracción gravitatoria / 0² = ? [4]

Matemáticamente, cuando en un campo se presentan divisiones por cero, decimos que hay una singularidad en ese campo. Siendo la atracción gravitatoria enorme, pero no infinita, en el centro del campo la aceleración debería ser ... ¡infinita! ¿Y que pasa con la curvatura del espacio-tiempo? Hemos dicho que aumenta con la gravedad, de la misma forma que lo hace la aceleración. Así pues en el centro de la singularidad tendremos curvatura espacio-temporal infinita. 

¿Son aceptables estas afirmaciones? Estamos ya en una zona de la realidad física que es muy extraña, donde ya no sirve nuestra visión ordinaria de las cosas, y ciertamente nadie tiene clara todavía la situación. Matemáticamente los infinitos están ampliamente aceptados, pero en la Física no está tan claro. Parece que falta algo, no parece que se pueda seguir usando la fórmula [3] si produce singularidades e infinitos. Cuando pensamos en campos y distancias muy cortas, del tamaño de un átomo o menor, entramos en el terreno de la Física Cuántica. Es por ello que los investigadores actuales están encallados en las singularidades, pues en ellas tenemos gravedad y Física Cuántica, lo que sería una gravedad cuántica, que todavía no tenemos desarrollada.

Agujeros negros

¿Es lo mismo una singularidad del espacio-tiempo que un agujero negro? Pues si: la denominación "agujero negro" proviene del hecho de que cerca de una singularidad gravitatoria la curvatura del espacio-tiempo es tan grande que ni la luz, que no tiene masa, puede atravesarla sin caer en la singularidad, así que el aspecto que presenta desde el exterior es el de una área del espacio de una negrura absoluta. Este nombre, agujero negro, es que ha ganado popularidad, es más llamativo.

Los agujeros negros presentan realmente desafíos a nuestros conocimientos y entendimiento, aparentemente se comportan de modo muy extraño.

El tiempo transcurre más lento en los campos gravitatorios intensos; en una singularidad, el tiempo se detendría.