MATEMÁTICAS, FÍSICA Y QUÍMICA: Astronomía y Astrofísica

Christine Done, Catedrática de Física de la Universidad de Durham (Reino Unido)

“Ni la luz puede nadar lo bastante rápido para escapar de un agujero negro”

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Christine Done, física y profesora en la Universidad de Durham (Reino Unido) cuenta que cuando era una niña en la televisión veía Star Trek y ella quería ser Spock el científico y entender las cosas. Así que estudió física y se dedicó a investigar agujeros negros. Hoy conocemos cerca de 30 agujeros negros en nuestra galaxia, estrellas colapsadas que acretan material de una compañera. Pero según la experta, "la gravedad en un agujero negro, es la más fuerte posible, y su comportamiento da validez a lo que Einstein predice".

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Annia Domènech | 25 febrero 2010 11:42

<p>Christine Done en la Winter School (Reino Unido). </p>

Christine Done en la Winter School (Reino Unido).

Los agujeros negros siempre han estado allí para usted…

Hice mi doctorado sobre la producción de materia-antimateria alrededor de los agujeros negros, en Cambridge. Después fui a trabajar al NASA Goddard Space Flight Center, en Estados Unidos. Mi doctorado había sido teórico, pero allí comencé a investigar con datos procedentes de agujeros negros. Cuando la materia se precipita dentro de un agujero negro, se genera energía gravitacional en grandes cantidades y sale en forma de radiación de alta energía. De modo que con rayos X puedes ver objetos en el cielo muy distintos al Sol, objetos que liberan rayos X en abundancia: un brillante flujo de acreción que llega al horizonte de sucesos y desaparece para siempre.

¿Es el 'horizonte de sucesos' el límite a partir del cual ya no se ve nada?

Sí, conozco una analogía muy buena. Si te diriges hacia las cataratas del Niágara, y pretendes alejarte nadando, estás limitado por la velocidad a la que eres capaz de nadar. Si el agua avanza más veloz que tú, vas a caerte por la cascada, hagas lo que hagas. El horizonte de sucesos es parecido, un lugar en el que el mismo espacio desciende a la velocidad de la luz. Nada puede ser más veloz que la luz, así que caes, incluso si alcanzas su velocidad. Ni siquiera la luz puede nadar lo bastante rápido para escapar de un agujero negro.

¿Sabemos con certeza que los agujeros negros existen?

Es complicado ver un agujero negro sobre un fondo negro, pero existe un lugar donde podemos hacerlo: en el centro de la Vía Láctea. Hay estrellas cerca del centro de nuestra galaxia cuyo movimiento, causado por la gravedad del agujero negro, puede ser observado con buenos telescopios. Si tomas una imagen cada seis meses ves cómo orbitan a su alrededor. Son como los planetas en órbita alrededor del Sol. Es posible deducir el objeto alrededor del cual giran las estrellas, y resulta que se trata de algo con una masa que es cuatro millones la solar, pero ninguna luz sale de eso y es muy pequeño. Si no es un agujero negro, no tenemos ni idea de qué puede ser.

¿Cuáles estudia usted?

Yo apuesto por aquellos fáciles de distinguir. Buscar un agujero negro sobre un fondo negro… ¡Mejor no hacerlo! Si hay materia cayendo en su interior, ésta es muy brillante, se genera mucha energía. Es como una central hidroeléctrica en tierra: se libera mucha energía cuando los objetos caen por gravedad.

Y esa energía incide en la materia y hace que brille en rayos X. Así que cuando observas el cielo en esta longitud de onda distingues la materia brillando intensamente en rayos X mientras se precipita en el agujero negro.

¿Dónde está el agujero negro más próximo? ¿En el centro de la Galaxia?

No. El que se encuentra en el centro de la Vía Láctea es bastante grande, se trata de un agujero negro supermasivo, pero los que se originan por el colapso de una estrella, con masas unas diez veces la de nuestro Sol, surgen en cualquier lugar donde se formen grandes estrellas, por ejemplo en los brazos espirales de nuestra galaxia había grandes estrellas que colapsaron dando lugar a agujeros negros. El más cercano que conocemos se encuentra a unos 8.000 años luz de distancia.

¿De cuántos agujeros negros tenemos noticia?

Conocemos unos 30 en nuestra galaxia, que corresponden a estas estrellas colapsadas que acretan material de una compañera. Pero es bastante complicado que el agujero negro esté suficientemente próximo a su compañera para que este proceso tenga lugar. Seguro que hay muchos que no lo están o que no tienen una compañera: estos no podemos detectarlos. También sabemos de la existencia de nuestro agujero negro supermasivo.

En el resto del Universo muchas galaxias tienen un agujero negro en el centro, unas cien millones, y además en su propia población de estrellas también deben tener estos pequeños agujeros negros de masa estelar.

¿Se convertirá el Sol en un agujero negro?

El Sol no posee masa suficiente para convertirse en un agujero negro. Una estrella como el sol es muy estable. En su interior tienen lugar reacciones nucleares: cuatro átomos de hidrógeno se fusionan dando lugar a uno de helio. Los cuatro iniciales son ligeramente más pesados que el átomo de helio final. Como la masa y la energía son equivalentes, se pierde algo de masa y entra algo de energía, esto es lo que permite que el Sol se mantenga caliente, es la fuente de energía para el gas, la presión expulsa, la gravedad tira, y todo permanece estable. Pero el hidrógeno es finito, un día se va a acabar y, como la gravedad no se agotará nunca, continuará tirando.

Al no ser muy masivo el Sol puede, en sus diferentes estadios, impedir el colapso del núcleo por la gravedad. Pero una estrella muy masiva no, y no conocemos nada capaz de evitar su implosión en un agujero negro. Una estrella con una masa 20 veces la solar colapsaría en un agujero negro, pero nuestro Sol no lo hará.

¿Si colapsara nos aspiraría?

Piensa en la gravedad como en un espacio curvo. Un trampolín es plano, pero si pones masa encima su superficie se curva y una pelota se deslizaría haciendo una curva. Si apelmazas la masa en una volumen menor del que ocupaba, no cambia la curvatura del espacio, simplemente se podrá uno acercar más al centro, pero la curvatura en el lugar en que te encontrabas es la misma. Seguiría en la misma órbita si el Sol colapsara en un agujero negro, lo que no hará. Por tanto, la Tierra no se vería afectada en este sentido: continuaría con su órbita. Por supuesto, la luz solar desaparecería y todo moriría, pero aparte de este pequeño detalle, ¡estaríamos bien!

¿Sobre qué temas pregunta la gente en sus conferencias?

Sobre agujeros negros, viajes en el tiempo… En la ciencia-ficción aparecen con frecuencia. El tiempo no es un marco inamovible: sabemos desde Einstein que el espacio y el tiempo están relacionados, así que si curvas el espacio drásticamente también curvas el tiempo.

Si pudieras orbitar cerca de un agujero negro durante un rato y regresar (tu cohete es muy potente) porque no has traspasado el horizonte de sucesos, serías menos vieja que alguien que hubiera permanecido alejado, pues habrías envejecido a un ritmo distinto: en un campo gravitatorio muy potente el tiempo se condensa.

Por supuesto, lo más divertido sería utilizar los agujeros negros como agujeros de gusano para ir a otro lugar del Universo. Quizás si el espacio es curvo puedas atravesar un agujero negro como un atajo para evitar un trozo del Universo, y desplazarte a otro punto, o incluso a otro universo. Esto es imposible: serías aspirado por el agujero negro, no podrías salir por el otro lado, y además serías aplastado por las fuerzas de marea.

¿Cómo comprueba las teorías?

Utilizamos los datos obtenidos en rayos X para tratar de entender si lo que estamos viendo es el tipo de cosas que la teoría de la gravedad de Einstein nos predice. En la teoría newtoniana puedes orbitar en cualquier lugar, simplemente te moverás más rápido (Mercurio gira más rápido que la Tierra, por ejemplo). Así que, según Newton, es posible orbitar justo fuera del horizonte de sucesos; sólo tendrías que ser muy veloz.

Pero según Einstein no es posible viajar más rápido que la luz, así que no puedes orbitar demasiado cerca. Y no es únicamente la velocidad de la luz la que te lo impide. La gravedad de Einstein es más fuerte que la de Newton. De hecho, sólo puedes orbitar hasta una distancia mínima, bastante cerca del horizonte de sucesos. El disco de acreción, llegado a este lugar, no puede continuar en una órbita estable, y se precipita en el agujero negro.

Se puede buscar la firma del disco en ese punto en que deja de ser el disco que emite energía gravitacional, y cae. Es una prueba de la gravedad de Einstein en el límite de un campo fuerte. Se pueden buscar pruebas de la veracidad de la teoría de la gravedad de Einstein en el Sistema Solar o en estrellas de neutrones, pero la gravedad en un agujero negro, es la más fuerte posible, y su comportamiento da validez a lo que Einstein predice.

¿Cómo vive el gran interés que despiertan los agujeros negros?

Es genial, nunca tengo que explicar por qué me dedico a esto. Nadie me pregunta por qué investigo los agujeros negros.

Zona geográfica: Europa
Fuente: Instituto de Astrofísica de Canarias

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