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¿Qué es un agujero negro, cómo se forma y qué pasa dentro de estos objetos cósmicos?

Aclaramos tus dudas sobre lo que comprende un agujero negro, enigma que la ciencia está revelando poco a poco.

Representación artística de un agujero negro rodeado por un disco de materia. Imagen: NOIRLab / AURA / NSF / P. Marenfeld
Representación artística de un agujero negro rodeado por un disco de materia. Imagen: NOIRLab / AURA / NSF / P. Marenfeld
Renzo Gonzales

Los agujeros negros se encuentran dentro de los misterios más estudiados por los astrónomos. Y no es para menos. Desde que su existencia fue predicha por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, hace más de un siglo, los posteriores descubrimientos han indicado que dichos objetos están ahí afuera, en el inmenso cosmos, a la espera de ser revelados por nuestros instrumentos cada vez más avanzados.

Esto es lo que sabemos de ellos hasta ahora.

¿Qué es un agujero negro?

Un agujero negro es un objeto cósmico muy denso, ya que concentra demasiada masa para el tamaño que posee. Esta característica genera una gravedad tan potente que atrapa cualquier forma de materia o energía, incluso la luz. Y debido a que esta no puede escapar ni ser reflejada, el agujero permanece en oscuridad total.

Tipos de agujero negro

Aunque todos los agujeros negros funcionan de manera similar, estos son clasificados en cuatro tipos, de acuerdo a su tamaño u origen.

  • Agujero negro estelar: tienen de cinco a decenas de veces la masa del Sol. El universo está repleto de ellos.
  • Agujero negro intermedio: tienen entre cientos y miles de masas solares.
  • Agujero negro supermasivo: tienen entre millones y miles de millones de masas solares. Están en el centro de casi todas las galaxias. El que está en nuestra Vía Láctea se llama Sagitario A*.
  • Agujero negro primordial: se cree que surgieron inmediatamente después del Big Bang. Podrían ser desde diminutos hasta gigantescos. Hasta ahora, no se ha comprobado su existencia.

¿Cómo se forma un agujero negro?

El proceso de formación de un agujero negro es más conocido para los de tipo estelar. Como su nombre lo indica, surgen cuando el núcleo de una estrella masiva (de 20 masas solares o más) colapsa, lo cual hace que el astro explote.

Luego, toda la materia que no fue expulsada se comprime en un lugar tan pequeño que deforma el espacio-tiempo hasta volverlo un pozo muy profundo. Esa es la causa de su poderoso campo gravitacional que no deja escapar nada una vez adentro.

Toda la masa del agujero negro se concentra en su centro (singularidad), lo cual deforma el espacio-tiempo al extremo. Imagen: Quanta Magazine

Se cree que las fusiones de agujeros negros estelares forman agujeros negros intermedios y que las fusiones de estos últimos forman a los supermasivos. Sin embargo, no está del todo claro cómo esos ‘monstruos de los centros galácticos’ llegaron a ser tan grandes.

En cuanto a los agujeros negros primordiales, los cosmólogos y astrofísicos teorizan que se formaron en las primeras fracciones de segundo después del Big Bang, ya que la materia no estaba distribuida uniformemente, por lo que se acumuló en ciertos puntos y colapsó para formar agujeros negros.

¿Cuáles son las partes de un agujero negro y qué hay dentro?

La estructura de un agujero negro consta de dos partes o características físicas.

  • Horizonte de sucesos: es la superficie esférica del agujero negro. Asimismo, marca el límite a partir del cual la materia y la energía ya no pueden escapar de la atracción gravitatoria.
  • Singularidad: esto es lo que hay adentro, en el centro del agujero negro. Es el punto donde se concentra toda la masa. Se deduce que allí el espacio y el tiempo se detienen y las leyes físicas pierden todo sentido. Por ello, es considerado uno de los mayores enigmas de la ciencia.

Características de un agujero negro y su entorno. Infografía: AFP

Cuando el agujero negro devora materia, ya sea una nube de gas o una desafortunada estrella, se observan otros fenómenos.

  • Disco de acrecimiento o acreción: es la materia acumulada que gira alrededor del agujero negro y se calienta cada vez más, lo cual produce rayos X.
  • Esfera fotónica: cerca a la ‘boca’ del agujero negro, la gravedad es tan fuerte que algunos fotones (partículas de luz) terminan orbitando al horizonte de sucesos a gran velocidad, lo cual se ve como un anillo brillante.
  • Chorro de partículas: cuando una gran cantidad de materia cae de golpe hacia el agujero negro, una parte es expulsada como chorros de partículas a velocidades cercanas a la de la luz.

Imágenes de agujeros negros. ¿Cómo se ven realmente?

Un agujero negro solo puede ser detectado visualmente cuando se alimenta de materia, ya que este proceso implica la presencia de un disco de acrecimiento a su alrededor. Es así que se logró captar la primera imagen real de un agujero negro en 2019, gracias a la colaboración internacional Event Horizon Telescope (EHT).

El agujero negro de M87, captado por la red de telescopios EHT en 2019. Foto: EHT / ESO / NSF

La foto corresponde a un agujero negro supermasivo, poseedor de 6.500 millones de masas solares, ubicado en el centro de la galaxia M87, a 55 millones de años luz de la Tierra.

Y el 12 de mayo de 2022, los científicos del EHT revelaron la imagen del agujero negro supermasivo Sagitario A*, ubicado en el centro de nuestra galaxia.

Esta es la primera foto real del agujero negro supermasivo Sagitario A*, ubicado en el centro de la Vía Láctea. Foto: EHT / ESO /NSF / ALMA

Ambas ‘fotografías’ muestran el gas caliente que gira alrededor del horizonte de sucesos del agujero negro, visto como una sombra oscura en el medio.

Otra forma de detectar agujeros negros es mediante las ondas gravitacionales, vibraciones en el espacio-tiempo causadas por la fusión de estos densos objetos. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz hasta que llegan a los sofisticados detectores en la Tierra, como LIGO y Virgo.