?Qu¨¦ ver¨ªamos al darnos de bruces con un agujero negro?

Tengo una opini¨®n sesgada, lo admito, pero una de las im¨¢genes de pel¨ªcula y una de las observaciones astron¨®micas m¨¢s ic¨®nicas de la historia es la de un agujero negro ¡°visto de cerca¡±. En concreto, me refiero a las im¨¢genes de ficci¨®n de Gargant¨²a y las reales del agujero negro supermasivo de M87, una galaxia gigantesca que tenemos ah¨ª al lado, a solo 53 millones de a?os luz. M87 alberga un monstruo que concentra la masa de unos siete mil millones de soles. Pero es que lo hace en un volumen de tama?o similar a la distancia a la que est¨¢ ahora mismo la nave Voyager 1 de nosotros, unas 140 veces el tama?o de la ¨®rbita de la Tierra alrededor del Sol, o menos de media diezmil¨¦sima de la distancia que nos separa de la estrella m¨¢s cercana. Es decir, el mismo volumen que alberga un par de estrellas aqu¨ª (el Sol y Pr¨®xima Centauri), el agujero negro supermasivo de M87 concentra el equivalente a varios miles de millones de estrellas. Y no es el agujero negro m¨¢s grande conocido.

?Y c¨®mo sabemos que ah¨ª hay un agujero negro? ?Qu¨¦ pinta tienen esos monstruos? En concreto, ?c¨®mo se ven en las distancias cortas, si nos encontr¨¢ramos delante de ¨¦l de bruces? Para entenderlo, vamos a presentar el problema con varios supuestos.

En primer lugar, veamos qu¨¦ pasar¨ªa si el agujero negro estuviera completamente solo en el universo. Debemos contar con que la definici¨®n m¨¢s popular de un agujero negro es que ni la luz puede escapar de su atracci¨®n gravitatoria, es decir, la luz no tiene velocidad suficiente para escapar. En el caso de una masa como la Tierra, nada puede salir de ella si no va a m¨¢s de 11 kil¨®metros por segundo (unos 40.000 kil¨®metros por hora, que es una unidad que entendemos mejor). A la luz, con su velocidad de 30.0000 kil¨®metros por segundo, no le da para evadirse del efecto gravitatorio de un agujero negro solitario. As¨ª que no deber¨ªamos ver nada, no emitir¨ªa luz, ser¨ªa literalmente invisible.

Pero quiz¨¢s esto no es cierto. Digo quiz¨¢s porque no est¨¢ comprobado, pero la llamada radiaci¨®n de Hawking ser¨ªa una forma en la que un agujero negro s¨ª emitir¨ªa luz. Esa radiaci¨®n ser¨ªa el resultado de fluctuaciones cu¨¢nticas justo en el horizonte de sucesos, que ser¨ªa la superficie donde justo la velocidad de escape es igual a la de la luz. En una fluctuaci¨®n cu¨¢ntica durante un instante se puede crear una part¨ªcula y una antipart¨ªcula. Y resulta que la antipart¨ªcula de un fot¨®n es otro fot¨®n. Si se crean dos fotones por una fluctuaci¨®n cu¨¢ntica, en condiciones normales se aniquilar¨ªan y ni nos enterar¨ªamos. Pero si al crearse el par de fotones, uno queda ligeramente dentro del horizonte de sucesos y otro fuera, el primero no podr¨¢ escapar y el segundo s¨ª. ?As¨ª que los agujeros negros s¨ª emitir¨ªan luz! A expensas de su masa. No ser¨ªan tan invisibles, aunque los c¨¢lculos de Hawking determinan que la probabilidad de ese fen¨®meno es tan peque?a que emitir¨ªan una luz extremadamente d¨¦bil, demasiado para poder detectarla con nuestros instrumentos actuales. Aun as¨ª, es tan importante que andamos busc¨¢ndola.

Sigamos a?adiendo supuestos, que en f¨ªsica r¨¢pidamente a?aden complejidad al problema. En realidad, en nuestro art¨ªculo de hoy estamos discutiendo qu¨¦ ver¨ªamos de un agujero negro, as¨ª que ya estamos asumiendo que no est¨¢ solo en el universo, al menos nos tendr¨ªa a nosotros delante. Y de nosotros sale luz (asumiendo que no estamos a cero grados Kelvin, estamos vivos). La definici¨®n m¨¢s robusta de un agujero negro es que curva el espacio-tiempo de manera que nada puede acelerar para tener una trayectoria abierta (o de escape), todo lo que se acerque demasiado caer¨¢ en el agujero negro. Pero si nos ponemos a una distancia adecuada, algunos de los fotones que salen de nosotros pueden viajar por el espacio curvado por el agujero negro y, de nuevo, si estamos en el sitio correcto, podr¨ªan dar la vuelta alrededor del agujero negro (siempre m¨¢s all¨¢ del horizonte de sucesos, sobrepasarlo es la ¡°muerte¡± del fot¨®n) y volver hacia nosotros. ?As¨ª que nos podr¨ªamos ver a nosotros mismos, como en un espejo! Nuestra imagen estar¨ªa bastante distorsionadilla, pero sabr¨ªamos que ah¨ª hay un agujero negro. De hecho, ese espejo ser¨ªa especial, porque si nos colocamos en el lugar adecuado y sin ni siquiera mirar directamente al agujero negro, fotones que salen de nuestra nuca podr¨ªan ver tan curvada su trayectoria que nos podr¨ªan llegar a los ojos tras dar una vuelta alrededor del agujero negro. Ser¨ªa un espejo que nos permitir¨ªa vernos la nuca, ah¨ª es nada.

Un agujero negro es, entonces, como un espejo, pero tambi¨¦n como una lupa. Porque si hay cosas (planetas, estrellas, galaxias) detr¨¢s del agujero negro, cercanas o lejanas, el agujero negro nos permite verlas con mayor detalle y/o distorsionadas, dependiendo de su distancia y posici¨®n relativa con respecto al agujero negro. Es exactamente igual que una lupa, que puede enfocar la luz de sol en un punto o crear una imagen rara (una c¨¢ustica, se llama, una palabra no muy conocida).

Sigamos complicando el problema. El nuevo caso que proponemos es en realidad la forma m¨¢s com¨²n de detectar agujeros negros. Si el agujero negro tiene material alrededor, este se distribuye en un disco, que es una estructura circular, con el agujero negro en medio, y muy plana, de ah¨ª su nombre. En ese disco, el material se calienta a grandes temperaturas. En el caso de los agujeros negros supermasivos, y como si fuera una gran bombilla incandescente, puede brillar como toda una galaxia. Estamos hablando de gas dentro de una zona de unas pocas decenas de d¨ªas luz, es decir, mucho menor que el tama?o del sistema solar hasta sus confines, en lo que se conoce como la nube de Oort, que est¨¢ a varios centenares de d¨ªas luz (la Voyager 1 que mencionamos est¨¢ a casi un d¨ªa luz). El material del disco, al emitir luz, pierde energ¨ªa, as¨ª que al final el agujero negro se lo puede tragar, de ah¨ª que la estructura se conozca como disco de acreci¨®n, usando otra palabra no muy conocida en espa?ol, pero que la RAE define como ¡°crecimiento por adici¨®n de materia¡±.

Pero volvamos a nuestra pregunta de qu¨¦ ver¨ªamos de un agujero negro. En esta ¨²ltima casu¨ªstica, cuando hay material alrededor, deber¨ªamos ver un disco emitiendo luz. Pero eso solo es verdad si observamos el agujero negro desde arriba, desde el mismo eje alrededor del cual rota el disco. Si observamos el disco desde un lado, con un cierto ¨¢ngulo, no lo vemos c¨®mo uno cabr¨ªa esperar. Hagan la prueba de mirar un CD, o mejor un vinilo, que tiene su agujerito negro en medio como los discos de acreci¨®n astron¨®micos. Si lo observan en perpendicular, lo ven circular, si lo observan desde un determinado ¨¢ngulo ven una elipse, y si lo observan desde el plano del disco, ver¨¢n un segmento muy fino. Pero la analog¨ªa no nos vale para los monstruos c¨®smicos. Porque la curvatura espaciotemporal que producen implica que la trayectoria de la luz de la parte del disco que est¨¢ m¨¢s all¨¢ del agujero negro, y que en principio viajaba en perpendicular al disco, se distorsiona y gira en torno al agujero negro finalmente viajando hacia nosotros. Esa luz nos parece que proviene de la zona por encima del agujero negro, pero viene de la parte trasera del disco. Como el disco es circular, al final forma como una peineta por encima del agujero negro. Y lo mismo pasa por debajo: los rayos de luz de la parte inferior de la zona del disco que est¨¢ detr¨¢s del agujero negreo, rayos que en principio viajaba hacia abajo, se curvan y llegan hasta nosotros como si viniera de la zona inferior del agujero negro.

La imagen de Gargant¨²a en Interstellar lo muestra a la perfecci¨®n, est¨¢ basada en nuestros mejores modelos de la emisi¨®n de un disco de acreci¨®n alrededor de un agujero negro. Quiero recalcar que estoy usando presente en este p¨¢rrafo, no subjuntivo, y ?es que este efecto lo hemos visto! Tanto para el agujero negro supermasivo de la galaxia M87 como para el de la V¨ªa L¨¢ctea.

La visi¨®n de un agujero negro desde cerca tiene m¨¢s peculiaridades tremendamente curiosas, pero me quedo sin espacio. Solo nombro finalmente el anillo de luz que se forma alrededor, muy cerca del horizonte de sucesos y en una zona m¨¢s interna que los l¨ªmites del disco de acreci¨®n, donde los fotones pueden adquirir ¨®rbitas circulares casi estables alrededor del monstruo, como si fueran un planeta, en lo que se conoce como la esfera de fotones. Algunos de esos fotones al final escapan y nos dejan la visi¨®n de un anillo. Busquen la imagen de Gargant¨²a, ese anillo se ve en la pel¨ªcula. Si estuvi¨¦ramos en ese anillo, es justo donde podr¨ªamos vernos la nuca, y habiendo cerrado un c¨ªrculo argumentativo en este art¨ªculo, como la curvatura infinita del agujero negro en su centro, lo dejo.