¿Es realmente el universo un gran agujero negro?

El siguiente es un extracto de nuestro boletín Lost in Space-Time. Cada mes, entregamos el teclado a un físico o matemático para que le cuente ideas fascinantes de su rincón del universo. Puedes registrarte en Lost in Space-Time aquí.

“¿Entonces has escrito un libro sobre los agujeros negros?”

El desconocido toma un sorbo de su cóctel. Estamos en una fiesta y me presentan a los invitados. Asiento cortésmente mientras remuevo mi piña colada.

“Entonces dime”, continúa el extraño, fijando sus ojos intensamente en los míos, “¿es realmente cierto que el universo entero es un agujero negro?”

No me sorprende. Es una de las preguntas más comunes que me hacen cuando le digo a la gente que he pasado años hablando con científicos y visitando observatorios para aprender lo que sabemos actualmente sobre estos gigantes cósmicos.

Y no es de extrañar que la gente quiera saberlo. Regularmente aparecen titulares en los medios que proponen que las galaxias brillantes que vemos cuando miramos hacia el espacio podrían estar atrapadas dentro de un enorme agujero negro. Los vídeos que analizan estas ideas obtienen millones de visitas en YouTube. Y aunque parezca sacado de una novela de ciencia ficción, no carece de mérito. La investigación científica sobre esta idea se remonta al menos a 1972, cuando el físico Raj Kumar Pathria publicó una carta en la revista Nature titulada “El universo como un agujero negro”. Desde entonces, la afirmación alucinante vuelve de vez en cuando.

Entonces, ¿es verdad?

Cómo hacer un agujero negro

En pocas palabras, un agujero negro es una región del espacio donde la gravedad es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ella.

Estos enigmáticos objetos fueron descubiertos inicialmente con ayuda de las matemáticas por el astrónomo Karl Schwarzschild durante la Primera Guerra Mundial. Mientras podía oír el estruendo de las batallas que se libraban en el frente franco-alemán, investigó lo que las ecuaciones de relatividad general recién publicadas por Albert Einstein predecirían sobre el movimiento de los planetas y la estructura de las estrellas.

Schwarzschild dio con una fórmula que describe cómo el espacio y el tiempo pueden comportarse de maneras tremendamente fuera de sincronía con nuestra experiencia del mundo, volviéndose sobre sí mismos y creando el tipo de región ineludible que más tarde se denominó agujero negro.

El descubrimiento de Schwarzschild condujo a una profunda comprensión de cómo funcionan los agujeros negros. Tomemos como ejemplo una porción determinada de masa, como un cuerpo humano, un planeta o una estrella. Ahora exprímelo dentro de un volumen definido por la fórmula de Schwarzschild, ¡et voilá! Se ha formado un agujero negro.

Este volumen crítico depende de la masa del objeto. Para un cuerpo humano es ridículamente pequeño: cien veces más pequeño que un protón. Para la Tierra, es aproximadamente del tamaño de una pelota de golf, mientras que para el Sol corresponde aproximadamente al tamaño del centro de Los Ángeles (unos 6 kilómetros, o poco menos de 4 millas, de ancho).

Como puedes ver, crear agujeros negros es difícil. En circunstancias normales, a la materia simplemente no le gusta estar comprimida en densidades tan altas. Sólo los procesos más catastróficos del universo (como cuando estrellas muy masivas explotan en una supernova) pueden obligar a la materia a colapsar sobre sí misma y formar un agujero negro.

Pero hay un giro en la historia de la creación del agujero negro. Mientras que las creadas a partir de estrellas en explosión provienen de materia excepcionalmente densa, sus primas supermasivas, mucho más grandes, que se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias, tienen densidades bastante bajas. Según la fórmula de Schwarzschild, cuanto más grande es un agujero negro, más vacío contiene y menor es su densidad media (en un sentido bastante simple; en realidad, la densidad de un objeto espacio-temporal complicado como un agujero negro no es fácil de definir). Por tanto, los agujeros negros más grandes observados tienen una densidad media inferior a la del aire.

Entonces, ¿qué pasa con el universo? Dado que se compone principalmente de espacio vacío, ¿podría su densidad extremadamente baja corresponder aún a la de un agujero negro?

Evaluando el universo

Gracias a la fórmula de Schwarzschild, los astrónomos cuentan con una herramienta para determinar si un objeto es un agujero negro: primero, miden su masa; luego, establezca su volumen. Si el objeto tiene una masa confinada en un volumen menor que el definido por la fórmula de Schwarzschild, entonces debería ser un agujero negro.

Así que apliquemos esta receta al universo entero. Para hacer eso, necesitamos saber su masa y volumen. Pero como no podemos recorrer todo el universo con una regla celeste y medir su verdadero ancho, es imposible saber su tamaño total. Lo único que podemos hacer es observar la luz y las partículas que nos llegan desde los confines más lejanos del espacio.

La luz más antigua que podemos ver proviene del fondo cósmico de microondas. Fue creado apenas 380.000 años después del Big Bang. A medida que el universo se expande, los puntos desde los que se emitió esta luz se encuentran ahora muy lejos de nosotros. La distancia total que pudo haber recorrido la luz desde el big bang define el universo observable, que tiene un diámetro de 93 mil millones de años luz.

Gracias a minuciosas mediciones realizadas a lo largo de varias décadas, los astrónomos han determinado cuánta masa hay dentro de este volumen: alrededor de 1054 kg (es decir, un 1 seguido de 54 ceros, que tiene el elegante nombre de septendecillón).

Ahora calculemos el tamaño hipotético de un agujero negro con una masa de un septendecillón de kilogramos. Inserte el número en la fórmula de Schwarzschild, dejemos que suenen los tambores y, después de algunas operaciones matemáticas, nos enfrentamos a una respuesta sorprendente: un agujero negro de este tipo tendría 300 mil millones de años luz de diámetro, aproximadamente tres veces más grande que el universo observable. En otras palabras, con solo observar el tamaño y la masa contenida en el universo observable, se ajusta a los requisitos para ser un agujero negro.

“Vaya”, exclama el extraño curioso en el cóctel, “¿entonces el universo es realmente un agujero negro?”

“No tan rápido, saltamontes”, respondo. Para llegar realmente al fondo de esa pregunta, debemos observar más de cerca el interior de un agujero negro.

en la oscuridad

Los agujeros negros son raros. Uno de sus muchos aspectos extraños es que desde fuera parecen tener un tamaño fijo, pero por dentro están en constante cambio. Según la fórmula de Schwarzschild, el espacio interior de ellos se estira en una dirección y al mismo tiempo se comprime en otras dos. (Si el agujero negro está girando, su mundo interior se vuelve aún más extraño, pero esa es una historia para otro boletín).

Los cosmólogos llaman a este tipo de estructura anisotrópica. Tropos significa “dirección”, iso significa “igual” y an significa negación. La dinámica anisotrópica dentro de un agujero negro significa que de las tres direcciones espaciales, una se expandirá y las otras dos se contraerán, como una lámina de goma que se estira hasta formar una cuerda delgada. Esta distorsión está estrechamente relacionada con el estiramiento de marea de toda la materia que cae, a lo que Stephen Hawking, con su estilo lingüístico característico, se refirió como espaguetificación.

A diferencia del caso de los agujeros negros, a medida que el universo se expande lo hace de forma isotrópica (es decir, se expande de la misma forma en todas direcciones). No se parece mucho al interior de un agujero negro, ¿verdad?

Pero eso no descarta todavía un universo con agujeros negros. Esto se debe a que los agujeros negros comparten dos características con nuestro universo que en la superficie parecen familiares: un horizonte de sucesos y una singularidad.

El horizonte de sucesos es una superficie de la que no puede emerger ninguna luz. En el caso del agujero negro, marca el paso sin retorno del que la materia nunca podrá escapar una vez pasado. En el caso del universo, surge porque la expansión del espacio ocurre tan rápido que impide que la luz de galaxias muy distantes llegue a nosotros.

Este horizonte de sucesos cósmico es como una versión al revés del horizonte de sucesos del agujero negro: este último nos impide mirar dentro de las profundidades del abismo del agujero negro, mientras que el primero nos impide ver hacia los confines más lejanos del espacio.

Esta relación invertida también se aplica a la ominosa singularidad: el punto condenado donde las densidades de materia y la curvatura del espacio-tiempo crecen infinitamente. Según la fórmula de Schwarzschild, la singularidad es un punto futuro en el tiempo que cualquier desafortunado astronauta que entre en un agujero negro debe encontrar después de pasar el horizonte de sucesos. De manera similar, nuestro modelo cosmológico también contiene una singularidad, pero en el pasado. A medida que extrapolamos la expansión del universo hacia atrás, todos los puntos en el espacio se acercan cada vez más mientras que las densidades aumentan cada vez más. A medida que las densidades aumentan sin límites, el enigmático momento inicial de nuestro modelo del Big Bang culmina en una singularidad. Entonces, para los agujeros negros, matemáticamente la singularidad está en el futuro, mientras que para nuestro universo en expansión, está en el pasado. En ambos casos, las singularidades que surgen en nuestros modelos indican una falta de comprensión de qué sucede exactamente en esos puntos inexplicablemente densos.

Sumando todo esto (las diferencias en la expansión, el horizonte de sucesos y las singularidades) se dibuja una imagen bastante convincente de que nuestro universo no es un agujero negro. ¡Simplemente no lo parece!

“Pero espera”, dice el extraño con un toque de decepción, “Pensé que acabábamos de calcular que nuestro universo cumple los criterios para ser un agujero negro. ¡Esto no tiene sentido!”

“Bueno, si bien el cálculo es correcto”, respondo, “resulta que una relación matemática similar a la de Schwarzschild también está profundamente enterrada en nuestro modelo para un universo en expansión. No es exclusiva de los agujeros negros”.

Quién sabe qué rarezas ocurren en las escalas cósmicas más grandes, más allá de aquellas que podemos explorar con nuestros telescopios. Pero según nuestros modelos fundamentales de universos en expansión y agujeros negros que no giran, nuestro universo no presenta las características de estar dentro de un agujero negro. ¿Qué deberíamos hacer con eso? Personalmente, creo que es un testimonio de la versatilidad de la gravedad, que crea estructuras tan maravillosas como agujeros negros que aplastan el espacio-tiempo y un universo en expansión acelerada, todo al mismo tiempo.

Jonas Enander es un escritor científico sueco con un doctorado en física. Su libro recientemente publicado Facing Infinity: Blackholes and our place on Earth (Atlantic Books/The Experiment, 2025) explora el impacto que los agujeros negros tienen en el universo, así como en la humanidad. Para explorar estas ideas, creó un vídeo que cuenta la historia utilizando pinturas de acuarela.

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