Agujeros negros: Einstein los predijo, pero no creía en ellos

Aunque se empezó a especular acerca de su existencia en el siglo XVIII, no ha sido hasta años recientes que se ha confirmado la existencia de los agujeros negros. Una de las pruebas más robustas fue el experimento LIGO -cuyo objetivo es detectar ondas gravitacionales, esto es oscilaciones en el tejido que compone el universo, el espacio-tiempo, ocasionadas por masas en aceleración-, que en 2016 anunció que había identificado una fuente masiva de ondas gravitacionales, muy distante, que se correspondían a dos agujeros negros que se fusionaban en el espacio profundo.

“Fue la primera vez que se demostraba de manera directa que existen”, afirma Cristina Ramos, astrofísica observacional e investigadora Ramón y Cajal del Instituto de astrofísica de Canarias (IAC).

La existencia de agujeros negros es una de las predicciones de la Teoría de la relatividad general. Albert Einstein formula la primera teoría de la relatividad, más ‘sencilla’, en 1905 y 10 años más tarde publica una versión más compleja en la que incorpora la gravitación. En ella, el físico alemán proporciona una descripción de la gravedad como una propiedad geométrica del espacio-tiempo.

La teoría de Einstein predice cómo se debe comportar la luz en las inmediaciones de un agujero negro, de un objeto muy masivo que no emite luz. Y enuncia las ecuaciones de campo que permiten calcularlos. Sin embargo, a Einstein no le gustaba la idea de, como decía la definición de agujero negro, ni la luz pudiera escapar de ellos”

Cristina Ramos

En particular, dice que la curvatura del espacio-tiempo está directamente relacionada con la masa, la velocidad y la energía de la materia o radiación, y Einstein enuncia sus ecuaciones de campo, aunque no será él quien consiga solucionarlas de forma exacta. Y en esta teoría predice por primera vez la existencia de agujeros negros.

“Esta teoría predice cómo se debe comportar la luz en las inmediaciones de un agujero negro, de un objeto muy masivo que no emite luz. Y enuncia las ecuaciones de campo que permiten calcularlos. Sin embargo, a Einstein no le gustaba la idea de, como decía la definición de agujero negro, ni la luz pudiera escapar de ellos. Porque hay una zona, el horizonte de sucesos, a partir de la cual cuando metes materia pierdes información. Y eso no le acababa de convencer”, señala Ramos.

La actual descripción de la gravitación de la física moderna se ha probado en el universo local, como en el Sistema Solar, y también de forma más reciente en otros cuerpos, como sistemas binarios de pulsares.

La idea de que pudiera haber objetos oscuros surge por primera vez a finales del siglo XVIII. Fueron dos filósofos, John Mitchell y Pierre-Simon Laplace, los que propusieron que había cuerpos capaces de atrapar la luz y volverse invisibles para el resto del Universo. Para demostrar su idea, aplicaron las leyes de Newton para calcular la velocidad de escape de una partícula de luz de un cuerpo. Y predijeron que había estrellas tan densas que ni la luz podría escapar de ellas.

El primero en resolver las ecuaciones que predecían la existencia de los agujeros negros fue el físico y matemático Karl Schwarzxhild, mientras luchaba en las trincheras en la Primera Guerra Mundial

No obstante, esta idea se desechó cuando en 1801 se descubrió que la luz podía ser también una onda, porque no se entendía de qué forma quedaría afectada por el campo gravitatorio de Newton. Fue Einstein, 115 años más tarde, quien explicó de qué forma la luz en forma de onda se comporta bajo la influencia de un campo gravitacional.

A partir de la teoría de Einstein, otro físico y matemático alemán, Karl Schwarzschild logró un año más tarde resolver las ecuaciones de campo de Einstein. La historia de este científico es peculiar, porque lo hizo mientras combatía en las trincheras en la Primera Guerra Mundial. Schwarzschild logró predecir la existencia de una circunferencia crítica alrededor de un punto minúsculo en el que se condensa una enorme cantidad de materia, la singularidad, más allá de la cual la luz ya no puede pasar. Llamó a ese límite “radio de Schwarzschild”, una distancia que más tarde se conocería como horizonte de sucesos.

En teoría, según la teoría de la relatividad general, cualquier masa puede comprimirse lo suficiente para formar un agujero negro. El único requerimiento es que el tamaño físico del área sea menor que el radio de Schwarzschild. Así, por ejemplo, el Sol se convertiría en un agujero negro si su masa se comprimiera en una esfera de 2,5 km de diámetro.

Einstein nunca llegó a entender que había un objeto como un agujero negro, tal como lo entendemos ahora”

Carlos Sopuerta

“Un agujero negro no depende de qué tipo de materia está hecho. Es una región del espacio-tiempo de la que ni la luz puede escapar”, puntualiza el físico teórico Carlos Sopuerta, científico titular del CSIC en el Institut de Ciències de l’Espai (ICE, CSIC-IEEC), experto en ondas gravitacionales.

“Einstein no los predijo, sino que murió sin saber lo que eran. De hecho, ni el propio Schwarzschild, que es el autor de la solución de las ecuaciones de campo de Einstein, sabía lo que son. Lo único que conocían es que la solución describía un campo gravitatorio de un objeto simétrico, de una bola. Y que el efecto gravitatorio dependía de la masa del objeto y de la distancia. Tanto daba de qué estaba hecho. En los años 50 se empezó a vislumbrar lo que pasaba, aunque no fue hasta los años 60 cuando se pusieron las bases para entender qué es un agujero negro y en los 70, John Wheeler, un físico de la Universidad de Harvard, acuñó finalmente el término”, explica Sopuerta, que remacha que “Einstein nunca llegó a entender que había un objeto como un agujero negro, tal como lo entendemos ahora”.

Desde entonces, los científicos han estudiado estas regiones oscuras fascinantes del universo, que han podido detectar indirectamente, a partir del comportamiento de la materia que los rodea. El primero en ser detectado fue un objeto conocido como Cygnus X-1. En 1971 los científicos detectaron emisiones de radio procedentes de Cygnus X-1 y llegaron a la conclusión que allí había un objeto extremadamente masivo, que identificaron como un agujero negro.

Curiosamente, ese primer agujero negro en 1974 fue objeto de una apuesta entre Stephen Hawking y el físico Kip Thorne; Hawking apostó que la fuente de esas emisiones que habían identificado no eran un agujero negro, pero en 1990 tuvo que reconocer que se había equivocado.

En 2016 el experimento LIGO permitió medir las ondas gravitacionales creadas en un sistema binario de agujeros negros, una de las pruebas más sólidas de su existencia. Aunque en este caso nunca lo supo en vida, Einstein de nuevo tenía razón.