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Tipos de Agujeros Negros en el Universo: un resumen

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Por mucho tiempo los Agujeros Negros fueron casualidades matemáticas dentro de las Teorías de la Gravedad. Sin embargo, a día de hoy, hemos observado los efectos que producen en sus cercanias y podemos estar (casi) seguros de su existencia. Esto nos ha llevado a pensar en algunas teorías que, en conjunto, nos dan indicios de la existencia de no uno, sino varios Tipos de Agujeros Negros. Con el avance científico estamos más cerca que nunca de encontrar a cada uno de estos tipos. Aprende más de los Tipos de Agujeros Negros en el Universo a continuación.

Introducción


Los Agujeros Negros son uno de los objetos (a pesar de que «están hechos» de espacio-tiempo, algo «no material») más poderosos, extremos, energéticos, misteriosos y desconocidos del universo. Regiones finitas en donde el espacio-tiempo, el lugar donde ocurren los eventos en el universo, se deforma de tal manera que imaginarlo se hace muy poco intuitivo y la mejor manera de comprenderlos, pero probablemente no la más perfecta, es a través de las ecuaciones que describen a estos objetos (principalmente en el marco de la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein u otras teorías alternativas de la gravedad).

A pesar de que mucho hemos aprendido de los agujeros negros durante el último tiempo (particularmente desde el comienzo del siglo pasado hasta hoy en día), aún hay muchas incógnitas acerca de estos objetos y unas cuantas paradojas «inconclusas».

Este texto es un intento de introducir a las personas a estas extrañas «regiones» del universo, al que le acompañarán más textos de este estilo.

Lo que muchos aprendemos en el liceo o en videos en Youtube o cualquier otra plataforma (pdf’s, presentaciones, blog’s, etc) es que los agujeros negros «nacen» después de la muerte de estrellas masivas y que son negros porque la gravedad en un cierto punto (más precisamente un cierto perímetro) es tan fuerte que ni la luz puede escapar.

Esto anterior no está tan malo, pero sí es incompleto. Incompleto de información en donde se esconden los detalles más fascinantes, desde mi punto de vista. Lo que quiero discutir acá es precisamente la primera afirmación del párrafo anterior: «los agujeros negros nacen después de la muerte de estrellas masivas«.

De todas formas, según sugieren nuestras teorías y como también hemos observado, existen más tipos de agujeros negros. Acá hablaré de los tipos de agujeros negros que conozco y que de ellos «algo» he aprendido. De seguro alguno/a de ustedes conoce otro tipo. Si es así, déjamelo saber.

En primer lugar vamos a hablar un poco de los llamados Agujeros Negros Primordiales, quizá los más pequeñitos. Luego, un poco más de los Agujeros Negros Estelares. En tercer lugar, hablaremos de los gigantescos Agujeros Negros Supermasivos. Y finalmente de los Agujeros Negros de Masa Intermedia, los que no sabemos donde están.

Agujeros Negros Primordiales

En pocas palabras, podemos construir un agujero negro ubicando materia/energía en un punto del espacio-tiempo tal que la densidad de materia/energía sea increíblemente alta. En algún punto, la densidad será tal que, por efectos de la gravedad (curvatura de espacio/tiempo), toda esa materia/energía colapsará, en un caso ideal (sin rotación ni cargas), en un único punto del espacio-tiempo, la singularidad, donde la densidad y la curvatura del espacio-tiempo tienden a lo infinito, es decir, divergen.

Ilustración de un agujero negro curvando el espacio-tiempo. Crédito WGBH.

El punto es que para crear un agujero negro no se necesita una gran cantidad de materia/energía, lo que necesitamos es juntar una cierta cantidad de esa materia/energía en una región muy pequeña del espacio-tiempo. En principio, cualquier cantidad de materia/energía podría ser suficiente para formar un agujero negro: 1 nanogramo, 1 microgramo, 1 miligramo, 1 gramo de materia o su equivalente en energía. Sin embargo, los invito a informarse de otros conceptos como la Longitud de Plank, Masa de Planck y otros conceptos relacionados. Estos parecen darnos una especie de «límite inferior» a las cantidades necesarias para construir un agujero negro. Pero no pretendo hablar mucho más de esto.

Yendo al punto que nos trae aquí, resulta que en los «inicios» del universo, según las «mejores» teorías que tenemos de esos momentos, la materia/energía estaba repartida como una sopa, una sopa increíblemente densa. Sin embargo, debido a algunas «pertubaciones» (fluctuaciones cuánticas y otros fenómenos extraños) se piensa que algunas regiones del universo, en ese entonces, eran «un poquito» más densas que las otras, lo suficientemente densas para que en algunas de estas regiones se pudieran crear, como vimos, agujeros negros. Estos tipos de agujeros negros son los llamados Agujeros Negros Primordiales. Llamados así porque, supuestamente, se formaron en los primeros momentos después del comienzo del universo.

Simulación de fluctuaciones de densidad en el universo temprano. Ver animación en este enlace. Ver original aquí. Crédito: Derek Leinweber, CSSM & University of Adelaide.

Estos agujeros negros, a día de hoy, no han sido observados. Ni en los potentes aceleradores de partículas donde se «recrean» algunas condiciones parecidas a las del universo en los inicios. Más aún, estos agujeros negros serían tan pequeños que, teoréticamente, se «evaporarían» casi instantáneamente debido a la Radiación de Hawking, algo de lo que tampoco profundizaré acá.

Puedes aprender más leyendo este artículo de Stephen Hawking, que está relacionado a este tema.

Agujeros Negros Estelares

Como dijimos, estrellas nacidas de más de aproximadamente 27 masas solares, podrían terminar sus vidas como Agujeros Negros Estelares. Estrellas de estas descomunales masas viven su vida muy rápido, consumiendo su «combustible» a una tasa también descomunal. Su esperanza de vida no supera aproximadamente los 10 millones de años. Cuando acaban su combustible principal, el hidrógeno, rápidamente comienzan a quemar las «cenizas» del hidrógeno, el helio. Luego del helio al carbono, oxígeno… y así, hasta que en el núcleo de las estrellas tiene una cantidad importante de hierro, material que no sirve de combustible para la estrella.

Dado que no tiene combustible para seguir generando energía, el propio peso de la estrella comprime el núcleo hasta alcanzar densidades descomunales. Decenas de centenas de miles de decenas de miles de cientos de miles… …de millones de kilogramos apretados en una región comparable con una esfera cuyo diámetro, a su vez, es comparable al tamaño de una ciudad, y sigue comprimiéndose aún más…

Ilustración de un agujero negro visto frente a fondo estrellado. Crédito: WGBH.

Esto no solo puede provocar una explosión de Supernova, sino que también, en algún momento, la densidad es tan colosal que lo mismo ocurre, todo ese material/energía cae a un único punto del espacio-tiempo, la singularidad, «encarcelada» por un horizonte de eventos (una esfera) que se extiende por unos pocos kilómetros en donde: cosa que cae, no puede, por sus medios, volver a salir. Así nacen los Agujeros Negros Estelares. Otra vez, recordar que esto es para el caso de una estrella que no rota (lo cual es prácticamente imposible).

De la existencia de estos agujeros negros estelares si estamos casi seguros. Tenemos evidencia de sus efectos e interacciones con otros objetos del cosmos; como por ejemplo las conocidas Binarias de Rayos-X, o X-Ray Binaries en inglés y, más recientemente, Ondas Gravitacionales como resultado de una colisión de dos de estos ejemplares.

Ilustración artística de una Binaria de Rayos X. Ver orginal aquí. Credito: STScI, NASA.

Acá puedes ver simulaciones realistas de una colisión de dos agujeros negros:

Por lo general, la masa de estos agujeros negros estelares es siempre mayor a aproximadamente unas 3 veces la masa actual del Sol, del mismo orden de masas que sus estrellas progenitoras.

Agujeros Negros Supermasivos

Estos son los más masivos y gigantes de todos, algunos del tamaño de sistemas solares completos, y se piensa que están, como la mayoría de la observaciones indican, en las regiones centrales de todas las galaxias. Digo «se piensa» porque aún hay ciertos motivos por los cuales no podemos saber (ver, por ejemplo, en este artículo y este artículo, y otros más).

Imagen comparativa de tamaños del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87 y nuestro sistema solar, en particular, con la órbita de Plutón. Ver original aquí.

A diferencia de los agujeros negros estelares, la masa los Agujeros Negros Supermasivos, tal como su nombre lo indica, varía entre cientos de miles (A00.000) hasta decenas de miles de millones (B0.000.000.000) de veces la masa de nuestro Sol, son increíblemente masivos. Acá, A puede ser 8 o 9 y B cualquier número de 1 a 9.

A día de hoy no podemos explicar el origen estos agujeros negros. Más precisamente, no podemos explicar cómo es que estos agujeros negros lograron obtener la masa que tienen. Tampoco sabemos qué vino primero: la galaxia o el agujero negro supermasivo. ¿Se formaron primero los agujeros negros supermasivos en el universo temprano tal como los agujeros negros primordiales? o bien, ¿Se formaron primero estrellas lo suficientemente masivas, dando paso a un enjambre agujeros negros que se unió en un único agujero negro supermasivo? No lo sabemos.

Quásares

Hemos «observado» a los agujeros negros supermasivos en dos «estados de ánimo» diferentes: cuando no están hambrientos y cuando sí están hambrientos. De hecho, una manera de saber que están ahí es observándolos cuando comen. Con hambriento, nos referimos a que esta cayendo material a estos agujeros negros supermasivos. Este material cae como el agua que esta siendo drenada al abrir la tapa de tu lavamanos, es una especie de espiral que se cierra lentamente cada vez más. Sólo que en caso de los agujeros negros todo esto ocurre de una forma mucho más frenética.

Primero, si el agujero negro no esta hambriento, es decir, no esta cayendo material, entonces es difícil «observarlo» de una forma que no sea por sus efectos gravitacionales sobre otros objetos. Los agujeros negros no emiten luz, o al menos no la suficiente para que la detectemos.

Si una cierta cantidad de material cae hacia el agujero negro, lo tenderá a hacer en una estructura similar a un disco, llamado disco de acreción. Dentro de ese disco el material que cae alcanza velocidades vertiginosas, a un notable porcentaje de la velocidad luz incluso. También en el disco, gracias a estas velocidades a las que se mueve el material, se produce roce o fricción entre las partes de este material, lo que lo calienta a temperaturas descomunales, brillando intensamente. Esto nos permite «verlos» , como es el caso de las X-ray binaries. En agujeros negros supermasivos ocurre algo similiar, aunque también tiene otros matices.

Resulta que dentro de la categoría de los agujeros negros supermasivos hambrientos existe otra subcategoría: (1) aquellos agujeros negros supermasivos que comen poco y por poco tiempo, y (2) aquellos que comen mucho por mucho tiempo.

Cuando un agujero negro supermasivo come mucho por mucho tiempo, significa que tiene un disco de acreción tan inmenso y tan caliente, que tal disco puede brillar a tal punto de ser más brillante que la propia galaxia donde se encuentra. Estos son los llamados Cuásares, algunos visibles desde «el otro lado del universo».

Esta impresión artística muestra cómo se vería ULAS J1120+0641, un quásar. Ver original aquí. Crédito: ESO/M. Kornmesser.

Agujeros Negros de Masa Intermedia

Los agujeros negros estelares, provenientes de estrellas masivas, tienen masas que parten aproximadamente desde 3 veces la masa del Sol. Sin embargo, en general, no superan más allá de 100 veces la masa de nuestro Sol. Por otro lado, los agujeros negros supermasivos tienen masas que van desde cientos de miles de veces la masa del Sol hacia adelante. De ambos tipos tenemos pruebas y observaciones.

El misterio acá es que no hemos observado algún agujero negro, con pruebas fuertes, que tenga una masa que esté entre la máxima masa para un agujero negro estelar y la mínima masa de un agujero negro supermasivo (de todas formas, recomiendo ver este y este artículo). Un agujero negro que tenga una masa que esté dentro de ese rango es un Agujero Negro de Masa Intermedia.

Estos tipos de agujeros negros, los agujeros negros de masa intermedia, son pensados también para explicar la existencia y formación de los agujeros negros supermasivos como objetos transitorios, es decir, que su evolución es muy rápida comparada con la edad del universo, o bien que existieron en un periodo muy corto en una época (probablemente temprana) del universo. Estos tipos de agujeros negro son objeto de profundo estudio y búsqueda hoy en día. Hipótesis hay varias, conclusiones pocas.

Conclusión y Cierre de Idea

Así, hemos visto que, desde el punto de vista científico, es posible identificar a distintas especies de un mismo fenómeno. Estos son algunos, porque hay más tipos de agujeros negros que pueden estar por el universo, en todas las escalas, desde las cuánticas hasta las escalas de un sistema estelar completo. ¿Serás tú quien resuelva el misterio de los agujeros negros de masa intermedia? ¿o quien responda qué ocurre realmente en la singularidad o dentro de un agujero negro? ¿o quien descubra otro tipo de agujero negro?

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Jose Alberto Diaz Reyes
Jose Alberto Diaz Reyes
6 months ago

Mi saludo cordial. Me resultaría gratificante colegiar un resultado deductivo que permite afirmar que: “en base a principios básicos de la física relativista resulta un efecto sobre el Espacio-Tiempo el cual resulta ser el soporte teórico para enunciar que el modelo cosmológico conocido por GRAVASTAR (mas específicamente, su postulado acerca de “la transición de fase del E-T”) es CORRECTO, y, por lo tanto, constituye la SOLUCION al problema cosmológico de “la Singularidad en los eventos de colapso gravitacional”. ¿Puedo enviarles el texto descriptivo? Atentamente, jose

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