Los agujeros negros son raros. Lo escuchaste aquí primero.
Pero en realidad, son incluso más extraños de lo que la mayoría de nosotros creemos. Deforman el espacio. Deforman el tiempo. Pueden girar tan rápidamente que los envuelven en la tela del espacio-tiempo como una cálida manta en un día de invierno. A pesar de atraer con avidez todo lo que los rodea, son los motores que impulsan algunos de los objetos más luminosos de todo el cosmos.
Y, sin embargo, si retrocedes y entrecierras un poco los ojos, la tarea de hacer uno es bastante simple: basta con exprimir suficiente materia en un volumen lo suficientemente pequeño. A medida que lo hace, la gravedad del objeto resultante se vuelve cada vez más fuerte hasta que finalmente la velocidad de escape iguala la velocidad de la luz, es decir, lo más rápido que cualquier cosa puede moverse a través del espacio. En ese momento, lo que sea que caiga nunca podrá volver a salir, ¡y listo! Agujero negro.
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En el universo actual, no hay muchas maneras de hacer esto. El método clásico consiste en hacer estallar una estrella masiva al final de su vida. Las capas externas explotan como una supernova, pero el núcleo de la estrella colapsa y, si es lo suficientemente masivo (unas tres veces la masa del Sol), colapsa completamente, convirtiéndose en un agujero negro.
Puede que me haya saltado algunos pasos aquí, pero esa es la imagen general. También hay otras formas de crear estas máquinas devoradoras sin sentido, como aplastar estrellas de neutrones, dejar que dos agujeros negros se fusionen en un agujero negro más grande (aunque, en el espíritu de esta discusión, considero que esto es una trampa) o, hace unos 12 mil millones de años, hacer fluir materia a un solo punto a través de la influencia de la materia oscura y dejar que se acumule lo suficiente como para crear directamente un agujero negro supermasivo, que simplemente crece a partir de allí. Los astrónomos todavía discuten sobre este último método.
Pero en el universo primitivo (y quiero decir “muy”) había otro método posible para fabricar estos monstruos.
Sabemos que el universo se está expandiendo, arrastrando galaxias consigo. Eso significa que si haces retroceder el reloj, verás que el espacio se hace más pequeño y las galaxias se acercan más entre sí en el pasado. Si nos remontamos lo suficiente, antes de que se formaran las galaxias, incluso antes de que tomara forma la materia normal que vemos a nuestro alrededor, el cosmos era bastante denso. Era una sopa espesa de partículas subatómicas y energía, que se volvía más y más densa cuanto más atrás miramos.
En la primera diminuta fracción de segundo después de que comenzara esa expansión, las densidades eran mucho más altas que en los núcleos de las estrellas, más altas que en las estrellas de neutrones; en realidad, ¡muy cercanas a lo que se necesita para crear un agujero negro! Cualquier fluctuación fuerte en la densidad del material que constituye el universo en ese punto podría crear una pequeña región sobredensa, una pequeña bolsa de materia extra, que luego podría colapsar para formar lo que se llama un agujero negro primordial (o PBH). Hay algunas formas teóricas en las que estos puntos sobrecargados podrían surgir, pero al final, lo que se crea es un agujero negro.
A diferencia de los agujeros negros que se forman hoy, que tienen la masa mínima de tres soles, estos primeros agujeros negros podrían tener una gama extraordinariamente amplia de masas, desde unas pocas millonésimas de gramo (mucho menos que la masa de un mosquito) hasta masas tan fornidas como los agujeros negros supermasivos que vemos ahora.
Eso sí, todo esto es teórico. Hasta ahora no se ha detectado de forma inequívoca ningún agujero negro primordial. Aún así, es divertido pensar en ellos.
Por ejemplo, sorprenden sus tamaños. El horizonte de sucesos de un agujero negro (su punto de no retorno) depende principalmente de su masa. Una regla general decente es que tiene unos seis kilómetros de diámetro por cada masa del sol; un pequeño agujero negro de masa estelar tendría entonces un horizonte de sucesos de aproximadamente 18 km de ancho.
Es posible, sin embargo, que en esas primeras fracciones de femtosegundo de la existencia del universo, se formara un agujero negro primordial con solo la masa de la Tierra. Si es así, su horizonte de sucesos tendría poco menos de dos centímetros de ancho, ¡el tamaño de una uva! Piense en eso la próxima vez que compre fruta en la tienda de comestibles local.
Pero también se podrían haber creado otros mucho más pequeños. Un PBH con la masa de un mosquito tendría un tamaño de sólo 3 × 10-33 metros: un protón es aproximadamente mil billones de veces más grande. Un objeto así sería extremadamente extraño; podría atravesar materia sólida sin tocar ni un solo átomo, y aunque su campo gravitacional sería increíblemente atrapante, la fuerza desaparece con la distancia tan rápidamente que este PBH con masa de mosquito podría nunca acercarse lo suficiente a otro trozo de materia para atraerlo. En efecto, estaría aislado del universo mucho, mucho, mucho más grande.
Incluso si se crearan PBH tan minúsculos, la mayoría de ellos ya podrían haber desaparecido. Esto se debe a una idea que resulta extraña incluso para los agujeros negros: tienen temperatura. Bueno, más o menos: en la década de 1970 los físicos comenzaron a descubrir los efectos ridículamente complicados de la mecánica cuántica en los agujeros negros y descubrieron que su gravedad es tan intensa que tiene un efecto inesperado en el espacio-tiempo. Básicamente, la mecánica cuántica hace que un agujero negro emita energía en forma de luz justo fuera del horizonte de sucesos. Esto se llama radiación de Hawking, en honor a Stephen Hawking, quien fue el primero en hacer los cálculos de temperatura.
El efecto en los agujeros negros de masa estelar es extremadamente pequeño, pero en realidad aumenta en los agujeros negros menos masivos. Esto significa que los PBH más pequeños serán los más calientes, lo que significa que emiten la mayor cantidad de fotones. Esa energía tiene que venir de alguna parte, y la fuente es la masa del propio agujero negro. Debido a que la energía se escapa, esto significa que el agujero negro debe estar perdiendo masa. Los astrofísicos llaman a esto evaporación, pero no es lo mismo que agua hirviendo que se convierte en vapor.
(Sí, esto es completamente contrario a la idea de que una vez que algo cae en un agujero negro, permanece allí para siempre, pero resulta que cuando se trata de la mecánica cuántica, los agujeros negros no son como Las Vegas).
También hay más. Debido a que el agujero negro está perdiendo masa, termina emitiendo radiación cada vez más rápido a medida que lo hace. Este círculo vicioso aumenta hasta que la energía se libera esencialmente en una explosión. ¡Estallido! Desaparecido.
Es posible calcular cuánto tiempo lleva, y resulta que cualquier PBH con menos de mil millones de toneladas de masa ya se habría evaporado a lo largo de la edad del universo. Esto equivale aproximadamente a una montaña de unos 750 metros de altura, aunque un agujero negro con esa masa tendría menos de una billonésima de centímetro de diámetro, mucho más pequeño que un átomo de hidrógeno.
¿Podríamos detectar una explosión de PBH por evaporación tan catastrófica? En teoría, sí, porque la radiación emitida en los últimos milisegundos sería en forma de rayos gamma de altísima energía. El Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma de la NASA podría potencialmente detectar estas intensas explosiones, pero (hasta ahora) no ha encontrado ninguna.
Los PBH también han sido considerados como un posible componente de la materia oscura, la materia invisible que impregna el universo y que pesa más que la materia normal en un factor de aproximadamente cinco. Esto es muy polémico y los físicos discuten sobre qué tan grandes podrían ser estos PBH y cuánta materia oscura constituirían, pero aún no se ha llegado a ninguna conclusión.
No sabemos si estos primeros agujeros negros existen o alguna vez existieron, pero es un tema fascinante, incluso con el alto listón establecido por los agujeros negros “normales”, si es que se puede considerar algo normal sobre los agujeros negros.