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Los agujeros negros son uno de los objetos más extremos del universo. Su gravedad es tan intensa que nada que cruce su límite exterior puede regresar, ni siquiera la luz. Sin embargo, a diferencia de la imagen que nos presentó Hollywood, no se son «aspiradoras espaciales gigantes” que absorben todo lo que encuentran. Son regiones donde una gran cantidad de materia quedó concentrada en un volumen muy pequeño, generando una deformación extrema del espacio y del tiempo.
El ingrediente principal para la formación de un agujero negro: la gravedad
La formación de un agujero negro depende principalmente de la gravedad. En las estrellas, la gravedad es una fuerza que actúa permanentemente hacia el centro y tiende a comprimir toda la materia. Durante la mayor parte de la vida estelar, esa contracción se compensa por la energía producida mediante reacciones de fusión nuclear.
Las estrellas están formadas fundamentalmente por hidrógeno y helio en estado de plasma, es decir, materia sometida a temperaturas tan altas que los electrones se separan de los núcleos atómicos. En el centro, la presión y la temperatura permiten que los núcleos de hidrógeno se fusionen para formar helio. Este proceso libera energía, que genera una presión hacia el exterior y equilibra la fuerza de gravedad que comprime la estrella hacia su centro.
El problema comienza cuando una estrella que tiene mucha masa se queda sin el combustible disponible en su núcleo, y las reacciones de fusión en su interior cominenzan a disminuir. Esto reduce también la presión que «equilibraba» la fuerza de gravedad, y la estrella comienza a colapsar desde afuera hacia adentro, sobre sí misma.
La muerte de una estrella
Durante ese colapso, la materia alcanza densidades y temperaturas enormes. En principio, las capas exteriores de materia de la estrella se contraen hacia el centro, y luego son expulsadas violentamente en una explosión que se conoce como supernova. Durante este fenómeno, la estrella libera una gran cantidad de energía y lanza al espacio parte de su materia, incluidos muchos de los elementos químicos formados en su interior.
Sin embargo, el destino del núcleo restante depende de su masa. Si no es demasiado pesado, puede convertirse en una estrella de neutrones. El núcleo de la estrella antigua se colapsa y comprime hasta alcanzar una densidad enorme –puede concentrar una masa similar a la del Sol en una esfera de apenas unos 20 kilómetros de diámetro. La presión es tan intensa que protones y electrones atómicos se combinan y forman neutrones, que pasan a constituir casi toda la materia de la nueva estrella.
Las estrellas de neutrones se forman cuando la estrella original tenía una masa muy grande, aunque no lo suficiente como para continuar colapsando indefinidamente. En ese caso, las fuerzas presentes en la materia extremadamente comprimida todavía pueden frenar la gravedad y sostener el núcleo. Pero si el núcleo supera cierto límite de masa, ninguna fuerza puede detener el colapso. La materia sigue comprimiéndose hasta formar un agujero negro.
A medida que la materia sigue colapsando, se forma alrededor del agujero negro un límite llamado horizonte de sucesos. No es una superficie física, sino una frontera invisible. Una vez que algo la atraviesa, la gravedad es tan intensa que ya no puede volver a salir, ni siquiera la luz. Así, todo lo que atraviesa el horizonte queda desconectado del universo exterior, y no es posible observar qué ocurre más allá de ese límite. Es por eso que, más allá del horizonte de sucesos, no se conoce nada más.
En el centro del agujero, las teorías actuales predicen la existencia de una singularidad, una región donde la densidad sería extremadamente elevada y las ecuaciones utilizadas para describir la gravedad dejan de ofrecer respuestas completas. La singularidad indica que la relatividad general, formulada por Albert Einstein, no es suficiente para explicar por sí sola lo que ocurre en las condiciones más extremas. Para comprender esa región sería necesaria una teoría que combine la gravedad con la física cuántica.
¿Qué tipos de agujeros negros conocemos?
Los agujeros negros formados por el colapso de estrellas se conocen como agujeros negros de masa estelar. Generalmente poseen varias veces la masa del Sol, aunque pueden alcanzar valores mayores. Muchos de ellos son invisibles y solo pueden detectarse por sus efectos sobre objetos cercanos.
Cuando un agujero negro forma parte de un sistema binario –que tiene en su centro a dos estrellas anfitrionas, en vez de una sola, como el Sistema Solar–, puede atraer materia de una estrella compañera. Antes de colapsar, el gas suele formar un disco de acreción que gira a gran velocidad. La fricción eleva su temperatura y produce radiación, especialmente rayos X, que puede ser observada mediante telescopios espaciales.
También existen agujeros negros supermasivos, ubicados en el centro de la mayoría de las grandes galaxias. Pueden contener millones o miles de millones de veces la masa del Sol. Su origen todavía se investiga. Una posibilidad es que hayan comenzado como agujeros negros más pequeños y crecieran al absorber gas, estrellas y otros agujeros negros. Otra hipótesis propone que ciertas nubes gigantes de gas pudieron colapsar directamente durante las primeras etapas del universo.
Además, se considera posible la existencia de agujeros negros de masa intermedia, con masas situadas entre las de los agujeros negros estelares y los supermasivos. Aunque se han identificado distintos candidatos, su formación y abundancia todavía no están completamente determinadas.
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