¿Cómo se forma un agujero negro?

Gracias a las estrellas, en el vacío del cosmos hay luz. Pero son esas mismas estrellas las que, al final de sus vidas, pueden convertirse en los objetos más oscuros del universo, que arrastran a sus entrañas a todo aquello que ose acercarse demasiado a sus dominios. Nada puede escapar de ellos, ni siquiera la luz. Son los agujeros negros, monstruos tan extremos que en su interior las leyes de la física como las conocemos dejan de tener sentido.

La mayoría de agujeros negros son el fantasma de una estrella que agotó su energía. Pero no todas acaban convertidas en uno. Ese es un destino reservado sólo las estrellas más grandes, las más masivas -nuestro sol se salvará de él-. “Para las estrellas de una masa a partir de cinco veces la del sol, es muy probable que formen un agujero negro”, explica Manel Martínez, investigador en el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) y líder de la comunidad de astronomía de rayos gamma de muy alta energía a nivel español. A estos agujeros negros se les llama de tipo estelar, porque su masa es de la escala de las estrellas, normalmente de entre 3 y 20 soles, señala María Santos-Lleo, jefa de operaciones científicas del satélite de la Agencia Espacial Europea (ESA) XMM Newton.

Sólo las estrellas más grandes acaban convertidas en agujeros negros

“Los agujeros negros de tipo estelar son el final lógico, predicho por la teoría de la relatividad, de la vida de una estrella grande”, relata Santos-Lleo. Una estrella brilla gracias a las reacciones nucleares que tienen lugar en su interior a partir del propio material que la forma. “Durante la mayor parte de sus vidas, las estrellas están en equilibrio. La fuerza de gravedad que las haría colapsar sobre sí mismas queda compensada por la presión de la energía que generan los procesos nucleares”, ilustra Manel Martínez. Pero, cuando ese combustible nuclear se agota, la estrella explota en una supernova. Expulsa sus capas externas en un brillante fogonazo y su centro sucumbe a la atracción gravitatoria. “No hay fuerza capaz de frenar este colapso. El núcleo no deja de condensarse hasta que al final queda toda la masa concentrada en un punto”, declara María Santos-Lleo.

En ese punto queda un agujero negro, “una deformación brutal del espacio-tiempo”, explica Jaume Garriga, catedrático de física teórica de la Universidad de Barcelona (UB) e investigador en el Institut de Ciències del Cosmos de la UB (ICCUB). Es lo que se conoce como una singularidad, un punto en el que las soluciones de las ecuaciones de la teoría de la relatividad de Einstein, las que mejor describen nuestro universo a escala macroscópica, dejan de tener sentido. La densidad de la materia se vuelve infinita y el tiempo se detiene, apunta Garriga.

El origen de los agujeros negros

Cuando el combustible de las grandes estrellas se agota, su masa colapsa por la atracción gravitatoria hasta condensarse en un punto de densidad infinita, que deforma el espacio-tiempo hasta el punto que ni la luz puede escapar

Cualquier cosa que se acerque lo suficiente a esa singularidad sufre su atracción gravitatoria. De hecho, existe un punto de no retorno a partir del cual absolutamente nada puede escapar, lo que se conoce como horizonte de sucesos. “Si se cruza es frontera, no puede escapar ni la luz, que es lo que más rápido viaja en el universo y lo que más probabilidades tiene de escapar de la atracción de un agujero negro”, explica Santos-Lleo.

Los agujeros negros de tipo estelar son los más abundantes en el universo. En nuestra galaxia, se conocen a fondo 22, según Josep Maria Paredes, catedrático de astronomía y astrofísica de la UB y director científico del ICCUB.

Pero incluso entre tales monstruos hay gigantes. Los agujeros negros de tipo estelar parecen miniaturas al lado de los agujeros negros supermasivos que habitan el centro de las galaxias. Su masa oscila entre pocos millones y, lo que es más habitual, miles de millones de soles, señala Josep Maria Paredes. “El del centro de nuestra galaxia tiene 4 millones de masas solares”. En este sentido, no es gran cosa en el mundo de gigantes.

Los agujeros negros del centro de las galaxias son millones, incluso miles de millones, más masivos que los de tipo estelar

“No está tan claro cómo se forman este tipo de agujeros negros. Podría ser que se formasen a partir de la primera generación de estrellas que surgieron cuando el universo se comenzó a expandir”, relata Paredes. Probablemente no eran tan masivos al principio, pero crecieron al ir devorando todo el material que los rodeaba: gas, estrellas, sistemas solares enteros, incluso agujeros negros de tipo estelar o, en el caso de que chocaran dos galaxias, puede que otros gigantes de su tamaño. Otra posibilidad es que inicialmente nacieran por el colapso de materia oscura, una sustancia desconocida pero que se sabe que forma alrededor del 25% del universo, puntualiza Paredes.

En cualquier caso, esos leviatanes actuaron como la semilla a partir de la cual emergieron las galaxias actuales. A su alrededor se arremolinó la materia que, más tarde, formaría los brazos espirales, las estrellas y los planetas tal y como los conocemos. A día de hoy, las estrellas de la Vía Láctea siguen rotando en torno al agujero negros supermasivo de su centro. Aunque no lo notemos, nosotros también.