Definición de Agujero Negro

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

Un agujero negro es un cuerpo astronómico o una región del espacio que posee una densidad tan inmensa que la fuerza de gravedad que ejerce sobre otros cuerpos es lo suficientemente grande para que ni siquiera la luz sea capaz de escapar de su atracción. Esta característica es la que les da su nombre, debido a que son objetos que no pueden ser observados a simple vista.

Aunque generalmente en la ciencia ficción se suele presentar a los agujeros negros como monstruos que devoran todo a su paso o incluso como una especie de portales para viajar a través del universo, lo cierto es que son un poco más pacíficos de lo que se cree, pero una vez que algo logra entrar en ellos nunca podrá salir.

Primera imagen de un agujero negro, registrada en 2019

Historia: primeras predicciones y observaciones de los agujeros negros

En el año 1783 un clérigo y astrónomo aficionado inglés llamado John Michell vislumbró por primera vez el concepto de agujero negro. Michell supuso que si la luz estaba formada por pequeños corpúsculos, como lo proponía Newton, esta podía ser influenciada por la fuerza de gravedad. Fue de esta manera que Michell intuyó que podían existir objetos astronómicos con una masa tan grande que su atracción gravitatoria sería la suficiente para evitar que la luz pueda escapar de ellos.

El concepto clave detrás de esta idea que tuvo John Michell es el de “velocidad de escape”, que implica la velocidad que debe de alcanzar un cuerpo para poder escapar de la influencia gravitatoria de otro cuerpo masivo. Esta velocidad está dada por:

\({v_e} = \sqrt {\frac{{2GM}}{r}} \)

Donde \({v_e}\) es la velocidad de escape, \(G\) es la constante de gravitación universal cuyo valor es de \(G \approx 6.67 \times {10^{ – 11}}\;N{m^2}/k{g^2}\), \(M\) es la masa del cuerpo masivo y \(r\) es su radio. La idea de Michell se traduce en que podían existir cuerpos muy masivos cuya velocidad de escape fuera igual a la velocidad de la luz \(c\) que tiene un valor de \(c \approx 3 \times {10^8}\;m/s\;\), es decir que, \({v_e} = c\). Poniendo dicha condición en la ecuación anterior nos damos cuenta que esto implica que un cuerpo masivo con esa misma masa deberá tener un radio \({R_S}\) dado por:

\({R_S} = \frac{{2GM}}{{{c^2}}}\)

Si realizamos este cálculo con la masa del Sol cuyo valor es de \({M_S} \approx 1.98 \times {10^{30}}\;kg\), nos daremos cuenta que si dicha masa estuviera comprimida en un cuerpo con un radio aproximado de \({R_S} \approx 3\;km\) se formaría un agujero negro. A pesar de las importantes implicaciones que tenía este razonamiento hecho por John Michell, los radios sugeridos por estos cálculos parecían alejarse mucho de la realidad física por lo que sus ideas no despertaron mucho el interés de los astrónomos y los físicos.

En 1915 Albert Einstein realizó una extensión de su Teoría de Relatividad Especial, la cual se conoce como “Teoría de Relatividad General”. Esta teoría de Einstein describe a la gravedad no como una fuerza a distancia tal y como la describió Newton, sino como el resultado de curvaturas en el espacio – tiempo provocadas por cuerpos masivos. Una consecuencia de esto es que la luz puede doblarse o cambiar su dirección debido a la curvatura causada por cuerpos masivos, tal y como lo había visualizado John Michell.

Las ecuaciones de campo de la relatividad general son complejas expresiones matemáticas que relacionan el espacio – tiempo con la acción de la gravedad y tienen varias soluciones. En 1916 el matemático alemán Karl Schwarzschild encontró una solución exacta para estas ecuaciones de campo. La solución de Schwarzschild describe el campo gravitatorio generado por un cuerpo esférico masivo, sin carga eléctrica y sin rotación, lo cual es una buena aproximación para describir distintos cuerpos astronómicos.

Lo realmente curioso de la solución de Schwarzschild ocurre cuando dicho cuerpo esférico tiene un radio igual o menor a \({R_S} = 2GM/{c^2}\), en este punto la curvatura en el espacio – tiempo es tan grande que ni siquiera la luz es capaz de resistirse al tirón gravitatorio, esto es lo que se conoce como “Singularidad”. A pesar de que esto fue visualizado por primera vez por John Michell, a este radio se le conoce como “Radio de Schwarzschild” y a la zona esférica que rodea dicho radio se le llama “Horizonte de Sucesos”.

El resultado de Schwarzschild es la primera predicción teórica rigurosa de un agujero negro, aunque en su momento solo se trataba de una curiosidad teórica y no se consideraba que dichos objetos pudieran existir realmente. Este tipo de agujeros negros propuestos por las soluciones de Schwarzschild podrían formarse cuando estrellas muy masivas mueren y colapsan.

En 1939 Robert Oppenheimer, George Volkoff y Richard Tolman guiándose con esto, calcularon la masa máxima que puede tener una estrella de neutrones. Esto es lo que se conoce como “Límite de Tolman – Oppenheimer – Volkoff” y se sitúa entre las 1.5 y las 3 masas solares. Si la masa de una estrella de neutrones supera este límite, la degeneración neutrónica de su núcleo no puede sostener el peso de la estrella y esta colapsa hasta formar un agujero negro.

Hacía 1967 los físicos británicos Stephen Hawking y Roger Penrose demostraron que los agujeros negros por sí mismos eran soluciones de las ecuaciones de campo de la relatividad general de Albert Einstein y que por lo tanto tenían que ser fenómenos comunes que ocurren cuando estrellas muy masivas colapsan. Dos años después, en 1969, el físico estadounidense John Wheeler acuñó el término de “agujeros negros” para referirse a este tipo de objetos.

Durante los años de 1970 varios astrónomos alrededor del mundo observaron los primeros indicios de la existencia de agujeros negros. Al observar cómo ciertas estrellas se movían en torno a un objeto masivo invisible o como ciertas regiones parecían atraer material de estrellas cercanas se percataron que esto encajaba con las predicciones teóricas de agujeros negros. En 1974 el mismo Stephen Hawking explorando la termodinámica de agujeros negros descubrió que estos emiten radiación y se “evaporan”, lo cual recibió el nombre de “Radiación Hawking”.

El máximo hito hasta la actualidad relacionado con agujeros negros ocurrió el 10 de abril del 2019, cuando la colaboración internacional de “Event Horizon Telescope (EHT)” logró obtener la primera imagen de un agujero negro en el centro de la galaxia M87. El 12 de mayo del 2022 esta misma colaboración capturó otra imagen de Sagitario A, el agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de nuestra galaxia.

Tipos de agujeros negros según sus propiedades físicas

Teóricamente, existen cuatro tipos de agujeros negros dependiendo de las propiedades físicas de carga eléctrica y momento angular (rotación) que poseen. Estos tipos son:

Agujero negro de Schwarzschild: Predicho por la solución de Schwarzschild. Se trata de agujeros negros estáticos que carecen de carga eléctrica y de rotación.

Agujero negro de Kerr: Son agujeros negros que rotan, pero que no tienen carga eléctrica.

Agujero negro de Reissner–Nordström: Poseen carga eléctrica y no tienen rotación.

Agujero negro de Kerr–Newman: Poseen carga eléctrica y también tienen rotación.

Cabe destacar que hasta el momento no se han encontrado indicios de que existen agujeros negros que tengan carga eléctrica. Debido al proceso de formación de los agujeros negros lo más probable es que la mayoría posean rotación, por lo que serían considerados como agujeros negros de Kerr. Los agujeros negros de Schwarzschild pueden ser una buena aproximación para agujeros negros que rotan muy lentamente.

Tipos de agujeros negros según su masa

Otra manera de clasificar a los agujeros negros es en función de la masa que poseen. Según este criterio:

Agujeros negro estelares: Son agujeros negros que resultan del colapso de estrellas masivas. Su masa se sitúa entre el Límite de Tolman – Oppenheimer – Volkoff y cerca de las 100 masas solares.

Agujeros negros supermasivos: Este tipo de agujeros negros poseen varios millones de masas solares. Se pueden encontrar en los centros de las galaxias y se cree que son los responsables de la formación de estas, aunque hasta el momento no se sabe cómo es que este tipo de agujeros negros se forma.

Agujeros negros primordiales: Teóricamente, son agujeros negros que pudieron haberse formado poco después del Big Bang y que tendrían masas menores a los agujeros negros estelares.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Art. actualizado: Oct. 2023; sobre el original de febrero, 2013.

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