¿Qué hay dentro de un agujero negro? Los límites predictivos de la relatividad general 

La relatividad general es la teoría más exitosa que tenemos para describir todos los fenómenos que tienen que ver con la gravitación. Desde una manzana que cae de un árbol, hasta la propia expansión acelerada del universo, pasando por las órbitas de los planetas alrededor del Sol y el desvío que sufren los rayos de luz cuando pasan cerca de objetos masivos. Se trata de una teoría que ha sido comprobada experimentalmente en múltiples ocasiones debido a las numerosas predicciones que hace.

Unos de los objetos más fascinantes que existen en el universo son precisamente los agujeros negros, que son predicciones de la relatividad general. Los agujeros negros son regiones del espaciotiempo en las que el campo gravitacional es tan intenso que ni siquiera la luz, cuya velocidad es el límite superior de velocidad de propagación de señales y objetos, puede escapar. Normalmente, los objetos como planetas o estrellas son tales que las presiones internas de la estructura contrarrestan su propia tendencia gravitacional a colapsar. Sin embargo, cuando el objeto es demasiado masivo (y dado que la gravedad es un efecto acumulativo, a más masa, más intensidad de campo gravitacional), el objeto es demasiado masivo y no hay ningún mecanismo capaz de prevenir su colapso gravitacional, por lo que acaba formando lo que llamamos un agujero negro.

El primer paso para entender lo que sucede en su interior es conocer la anatomía de un agujero negro. Como hemos mencionado en la introducción, un agujero negro es una región en la que el campo gravitacional es tan intenso que ni siquiera la luz puede escapar. Por simplicidad, en este artículo voy a hablar de los agujeros negros que no rotan, el llamado agujero negro de Schwarzschild en honor a la primera persona que lo descubrió como una solución de las ecuaciones de Einstein, Karl Schwarzschild.

Los agujeros negros tienen una región externa, en la que el campo gravitacional es indistinguible del que generaría una estrella de la misma masa que el agujero negro. La diferencia está en que desde fuera se ven oscuros, precisamente porque nada, ni siquiera la luz, es capaz de escapar de la región interna. La región externa está separada de lo que se llama región de agujero negro (la región interna) por el llamado horizonte de sucesos, que es la superficie que la delimita. Una vez que se entra en esa región de agujero negro, tenemos una singularidad en el centro. Una singularidad es una región del espaciotiempo en el que el campo gravitacional es tan intenso que nuestras ecuaciones se rompen y no nos permiten describir lo que ocurre. Cuando les preguntamos cosas, como cuál es el valor del campo gravitacional o cuánto es la densidad de la materia ahí, las ecuaciones nos arrojan infinitos como respuesta.

Hay una cosa que los esquemas de un agujero negro no capturan bien, y es el hecho de que la singularidad está siempre en el futuro de los observadores una vez entran la región de agujero negro. Es decir, mientras que fuera de la región de agujero negro uno siempre podría escapar y alejarse del agujero negro con un cohete lo bastante potente, una vez se entra en la región de agujero negro es inevitable encontrarse la singularidad. De hecho, la forma de posponer al máximo la llegada a la singularidad es precisamente dejarse caer (en caída libre) y no activar ningún tipo de motor para acelerar. Lo que pasa en la singularidad es algo que desconocemos, porque como hemos mencionado, nuestras leyes de la física se rompen ahí. En cierto sentido, la relatividad general nos apunta a su propia incapacidad de predecir lo que ocurre en la singularidad a través de estos infinitos.

Propongo un experimento mental para entender mejor la estructura de un agujero negro. Imaginemos que tenemos dos astronautas que están a una gran distancia de un agujero negro. Pongamos que una de nuestras intrépidas astronautas decide ir de excursión al interior del agujero negro (algo que no es muy recomendable, como veremos) y la otra decide quedarse fuera.

Antes de lanzarse al agujero negro, ambas sincronizan sus relojes y acuerdan que la que va de excursión al agujero negro envíe pulsos de luz azul periódicos. Por ejemplo, supongamos que acuerdan que la astronauta que cae debe enviarle un pulso a su compañera cada segundo. Visto desde dentro, la astronauta que se deja caer al agujero negro enviará pulsos periódicos y no encontrará nada raro al pasar el horizonte de sucesos. No apreciará nada raro, pero si intentara escapar, le sería imposible.

Desde fuera, sin embargo, la situación es radicalmente distinta. Su compañera jamás la verá terminar de entrar en el agujero negro, la verá ir frenándose progresivamente hasta quedarse congelada sobre el horizonte de sucesos. Conforme su compañera va cayendo, el tiempo que pasa entre cada pulso de luz que recibe es mayor, a pesar de que desde el punto de vista de la observadora que cae salen siempre cada segundo. Al afectar el campo gravitacional a la luz también y frenarla en su intento de llegar lejos del agujero negro, conforme más cerca del interior está la astronauta, más costará a los pulsos de luz salir porque mayor será el tirón gravitacional de los mismos.

Además, sufren un fenómeno llamado “corrimiento al rojo”. Los colores de luz más cercanos al violeta en el arcoíris son más energéticos, mientras que los colores más cercanos al rojo son menos energéticos. La pérdida de energía que sufre la luz se manifiesta en que si, por ejemplo, la astronauta que cae envía los pulsos de color violeta, conforme va cayendo, los pulsos llegan a su compañera con otro color desplazado al rojo: primero azules, luego verdes, etc. Para nuestra astronauta en caída libre, sin embargo, la aventura continúa una vez traspasa el horizonte de sucesos, aunque su compañera de fuera la vea congelada en el horizonte. Los pulsos de luz que envíe desde que entra en el horizonte de sucesos jamás saldrán del agujero negro: de forma efectiva es como si el espacio entre la astronauta y la luz que ha emitido se fuera estirando, y de forma análoga con el espacio entre la luz y el horizonte. De esta forma, la luz nunca vuelve a la astronauta ni conseguirá escapar del agujero negro. Seguirá avanzando hacia la singularidad y llegará un punto en que las fuerzas de marea serán gigantes.

Las fuerzas de marea son la consecuencia de que el campo gravitacional sea más intenso en los pies que en la cabeza del astronauta (suponiendo que esté cayendo de pie). Esto se manifiesta en que la astronauta percibe una tendencia a estirarse, como si le tiraran de los pies y la cabeza. Cerca de la singularidad, estas mareas son tan grandes que ocurrirá el fenómeno de “espaguetización”, por el cual la astronauta se estiraría como si se tratara de un espagueti. Finalmente, lo que quede de ella llegará a la singularidad donde no sabemos qué ocurre.

Cortesía de Muy Interesante

Dejanos un comentario: