Todo en el universo, incluyendo la luz puede ser descrito en términos de partículas. Entonces, se podría esperar que ésta fuera afectada por la gravedad, del mismo modo que lo son las balas y los planetas. En una época, la determinación de la velocidad de la luz parecía algo imposible de medir ya que era demasiado rápida. Algunos como Descartes, en el siglo XVI, llegaron a suponer que la velocidad de la luz era infinita, de forma tal que la gravedad no habría sido capaz de frenarla, pero más tarde, en siglo XVII, el descubrimiento de Ole Roemer de que la luz viaja a una velocidad finita, significó que la gravedad tendría un efecto importante sobre la luz.
Bajo esta cábala, o mejor dicho inferencia, John Michell, en el siglo XVIII, señaló que una estrella que fuera lo suficientemente masiva y compacta tendría un campo gravitacional tan intenso que la luz emitida desde la superficie de la estrella sería arrastrada de vuelta hacia el centro por la atracción de la gravedad de la estrella. Michell indicó que podría haber un gran número de estrellas de este tipo. ¿Podríamos observarlas? ¿Podríamos definir teóricamente la existencia de un colapso gravitacional? Lo primero que se puede decir es que asociado a todas estas ideas, surgió la nominación del término “agujero negro” por el investigador John Wheeler, en el siglo XX.
Por otro lado, no es realmente consistente tratar la luz como las balas en la teoría de la gravedad de Newton (sí, esa que estudiamos en el bachillerato). Si lanzamos una bala caerá en algún momento de regreso a la tierra (claro, si no le ha pegado en el camino a alguien o a algo) y en cambio la velocidad de la luz es fija —es constante y actualmente se acepta un valor para ella de 299.792 kilómetros por seg. Por lo tanto, debe continuar viajando en el espacio con esta velocidad constante. La razón es que supera fácilmente la “velocidad de escape” para salir de la tierra. Albert Michelson y Edward Morley realizaron un experimento donde verificaron, con mucha sorpresa, que la velocidad de la luz es la misma, independiente de su dirección.
Entonces salta la pregunta ¿Cómo puede afectar la gravedad a la luz? La respuesta se demoró muchos años hasta que la teoría de la relatividad general de Albert Einstein en 1915 fue publicada. Einstein puntualizó que había que abandonar la idea de un “tiempo absoluto”. Es importante repetir que la velocidad de la luz es constante y agregar que no existe una velocidad que pueda ser mayor que la velocidad de la luz.
El concepto fundamental de la teoría de la relatividad general, es que las leyes de la física deben ser las mismas para todos los observadores, no importando como se está moviendo el observador. Para entender cómo se podría formar un agujero negro, hay que tener cierto conocimiento acerca de las etapas fundamentales de una estrella. Una estrella se forma cuando una gran cantidad de gas (básicamente hidrógeno), comienza a colapsar sobre si mismo debido a la atracción de la gravedad. Con el tiempo, el gas estará tan caliente que cuando los átomos de hidrógeno choquen, ya no saldrán rebotando sino que se fundirán formando helio. El calor desprendido por la reacción hace que la estrella brille. Las estrellas permanecerán estables por muchos años, con el calor de las reacciones nucleares equilibrando la atracción de la gravedad. Sin embargo, la estrella consumirá todo sus gases en algún momento. Mientras más masiva es la estrella, más caliente tiene que estar para contrarrestar la atracción de la gravedad y cuanto más caliente está la estrella, más rápidamente usa su combustible. Es bueno destacar que el Sol (que no es una estrella extremadamente masiva) tiene combustible para otros cinco mil millones de años ¿Hay que preocuparse? ¡No, una estrella muy masiva tiene combustible para cien millones de años!
Es bueno preguntarse: ¿Qué le pasa a una estrella cuando se le acaba el combustible? La respuesta es sencilla: empieza a enfriarse y por lo tanto a contraerse. Un investigador de la India, Chandrasekhar, calculó lo grande que podría ser una estrella que fuera capaz de soportar su propia gravedad, una vez que hubiera gastado todo su combustible. Evitando detalles físicos cuánticos, podemos decir que una estrella puede mantenerse con un radio constante, debido a un equilibrio entre la atracción de la gravedad y la repulsión que surge del principio de exclusión de Pauli, de la misma manera que antes la gravedad era compensada por el calor. Sin embargo, Chandrasekhar, halló que la repulsión tiene un límite.
Y aquí necesitamos la teoría de la relatividad general, para explicarnos la fuerza de la gravedad en términos de la curvatura del espacio y del tiempo (o sea que hablamos de cuatro dimensiones). O simplemente que la teoría de la relatividad general limita la diferencia máxima entre las velocidades de las partículas materiales de la estrella y la velocidad de la luz. ¿Cómo podemos entender esto? Simplemente que cuando la estrella fuera suficientemente densa, la repulsión debido al principio de exclusión, sería menor que la atracción de la gravedad. Aparecen las llamadas estrellas “frías”. Un ejemplo interesante es que una estrella, en condiciones de estrella “fría”, con más de una vez y media la masa del Sol, no sería capaz de soportar su propia gravedad. Estrellas con masas superiores a la máxima masa posible de una estrella “fría” terminan sus vidas muy repentinamente cuando se les acaba el combustible.
Recuerdo cuando leí por primera vez, por allá, a finales del año ochenta del siglo XX, el libro Historia del tiempo de Stephen Hawking (1942-2018). En la introducción, escrita por Carl Sagan, se decía: «Hay, incluso niños, y que yo he conocido alguno, que quieren saber a qué se parece un agujero negro». ¡Yo me sentí un niño en ese momento!
Ahora, en el año 2020, la situación está más clara para contestar, no solo ¿A qué se parece el agujero negro?, sino también ¿Qué es un agujero negro? La respuesta más sencilla es la siguiente: es una región del espacio y del tiempo que ha resultado de un colapso gravitacional de materia, donde la atracción de la gravedad se ha hecho tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar.
Roger Penrose confirmó, por el año 1965, basándose en la teoría general de la relatividad, la existencia de los agujeros negros, al explicar teóricamente el colapso gravitacional mediante formulaciones matemáticas sumamente complicadas. Por eso ha obtenido el Premio Nobel de Física del 2020. ¿Hay evidencia de la existencia real de agujeros negros? La respuesta es ahora fácil: «¡Si!». Andrea Ghez (Universidad de California) y Reinhard Genzel (Universidad de Bonn), ambos trabajando independientemente, con diferentes tipos de telescopios, han identificado un super masivo agujero negro en el centro de la Vía Láctea. Ellos han encontrado los movimientos reales de las estrella que describen órbitas a su alrededor, que son plenamente compatibles con la existencia —no sólo con la imagen teórica —de un agujero negro. Ese super masivo agujero negro parece estar en el centro de la galaxia Sagittarius A*. Tanto Ghez como Genzel también han compartido el Premio Nobel de Física del 2020.
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