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Agujeros negros: el colapso de una estrella
( Publicado en "Avances del Conocimiento",
Lilian Duery, 1996, Editorial Antártica )
Son regiones invisibles del espacio, con un campo gravitatorio tan infinitamente grande
que atrapa hacia su interior cualquier materia, incluso la luz y galaxias completas.
Se cree que existe una en el centro de la Vía Láctea.
El hecho de que en el espacio existan campos gravitacionales tan infinitamente intensos
como para atrapar cualquier materia y galaxias enteras es un tema que apasiona a los
físicos después que Einstein formuló su "Teoría General de la Relatividad". A estas
espectaculares regiones del espacio se le denominan "agujeros negros", término que
fue acuñado en 1969 por el científico norteamericano John Wheleer.
Como ni siquiera la luz puede escaparse, detectar un agujero negro sería similar a
buscar un gato negro en un sótano lleno de carbón. Sin embargo, fuera de su
superficie, los objetos circundantes comenzarían a percibir un efecto de la fuerza
gravitatoria y, por lo tanto, su presencia.
La comprensión sobre este fenómeno del universo fue abordada en la IV reunión
internacional sobre "Mecánica Cuántica de Sistemas Fundamentales" que se realizó en
el Centro de Estudios Científicos de Santiago. Luego que tal noticia saliera a la luz en
las páginas de "El Mercurio", numerosos lectores quedaron también cautivados por esta
misteriosa materia capaz de constituirse de una manera diferente a la ordinaria.
Comprender, no obstante, lo que representa un "agujero negro" para los investigadores
que se introducen en este campo del conocimiento no es sencillo. Intentar lograrlo en
pocas líneas requiere, necesariamente, remontarse en la historia de la ciencia. El doctor
Miguel Lagos, físico teórico de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile, aportó
al entendimiento de tan intrincado mundo de conceptos cuando se estudia la materia.
Espacio - tiempo
Cuando Einstein publicó la Teoría de la relatividad en 1916 estableció la ecuación que
gobierna la evolución del universo, entendiendo por ello no sólo la materia como masa
y la radiación, sino también las propiedades geométricas del espacio-tiempo que
pueden ser modificadas.
En la superficie de la Tierra esta concepción es muy simple, perfectamente descriptible
por la Ley de Gravitación Universal de Newton. Pero no ocurre así en el interior de los
átomos y estrellas, en donde las partículas se mueven a velocidades cercanas a la de la
luz y experimentan fenómenos que son absolutamente ajenos a nuestra experiencia
cotidiana. El tiempo ya no es fijo, sino una variable más que se incorpora a los sucesos
de la naturaleza.
Luego que Einstein formuló su teoría rápidamente los físicos de la época infirieron que
su fórmula matemática tenía una solución anómala en ciertos puntos del espacio. Un
campo gravitatorio tomaba un valor infinitamente alto. Einstein no dudó nunca de sus
cálculos (impecables hasta hoy). Únicamente cabía la posibilidad de un suceso extraño
en la naturaleza. Doce años más tarde, en 1928, Chandrasekhar, un estudiante de
doctorado indio entregó otro elemento a este enigma, que tiempo después se
comprobó que calzaba perfectamente con la existencia de "agujeros negros". ¿Cómo se
llegó a esta conclusión? Hay que conocer el ciclo vital de una estrella, puesto que ellas
tienen "vida, pasión y muerte", como solía decir Jorge Bellet, un extinto y brillante
físico chileno que se marchó muy joven hace menos de un año.
Cuando el combustible se acaba
Un astro se forma cuando una gran cantidad de gas, principalmente hidrógeno,
comienza a colapsar sobre sí mismo debido a su acción gravitatoria (el peso de su
masa). Como consecuencia, se contrae y sus átomos empiezan a colisionar entre sí,
cada vez con mayores velocidades y frecuencia, hasta que el gas se calienta. Con el
tiempo, el gas estará a una temperatura tan alta que cuando sus átomos de hidrógeno
choquen ya no saldrán rebotados, sino que se fundirán formando helio. El calor
desprendido de la reacción controlada, similar a una bomba de hidrógeno, hace que
una estrella brille. Pero también en este proceso aumenta la presión del gas hasta el
punto de equilibrar la atracción gravitatoria de la estrella y ésta deja de contraerse. Se
parece en cierta medida a un globo. Existe un equilibrio entre la presión interna del
aire, que trata que el globo se hinche, y la tensión de la goma, que intenta disminuir el
tamaño de éste. Finalmente las estrellas permanecerán estables en esa forma hasta
llegar a consumir todo su hidrógeno y otros combustibles nucleares. Cuando ello
sucede, comienza a enfriarse y, por lo tanto, a contraerse.
Chandrasekhar calculó y demostró que, una vez superada una cierta masa crítica, una
estrella fría, de aproximadamente más de una vez y media la masa del sol,
intensificaría su campo gravitatorio sin ser capaz de sostenerlo, con la consiguiente
compactación de la materia. Si este limite es un poco inferior, un posible estado final
sería una "enana blanca", una estrella en la cual se observan densidades que equivalen
a toda la materia de un buque de guerra encerrado en una botella desechable de Coca
Cola. Sin embargo, según el científico indio las estrellas masivas terminan siempre
reducidas a un punto. Esta conclusión sorprendente fue el resultado de un cálculo
teóricamente inobjetable, a igual que el de Einstein. Con todo, ambas predicciones eran
curiosidades matemáticas. Incluso, Eddington, quien fue tutor de Chandrasekhar, se
negó a creer en él. No podía, ciertamente, concebir una materia tan infinitamente
condensada. Su discípulo recibió en 1983 el Premio Nobel.
Enigma resuelto
Esta relación entre sendas predicciones matemáticas calzaron y cobraron sentido
cuando en 1939 un joven norteamericano la descubrió. Se trata nada menos que de
Robert Oppenheimer, quien una década después fue el director del escalofriante
"Proyecto Manhattan" que dio lugar más tarde a la primera bomba atómica. Claro está
que después de la segunda guerra mundial el colapso gravitatorio fue ampliamente
olvidado, ya que la mayoría de los científicos estaban compenetrados en el estudio de
lo que sucede a escala atómica y nuclear. El trabajo de Oppenheimer acerca del
universo sólo resurge en los años sesenta. Entonces se comprende el enigma no
resuelto. Él mostró que un colapso de una estrella puede dar origen a un punto muy
singular en el espacio con las mismas características anómalas de la fórmula de
Einstein: los "agujeros negros".
La razón de este nombre reside -como decíamos- en que la densidad de la masa es tan
extraordinariamente grande que nada puede escapar a su fuerza gravitatoria, ni
siquiera la luz. No obstante, cualquier observador o nave que permaneciera fuera de la
superficie del agujero no sería afectado. Sobrepasada dicha "censura cósmica", que
puede tener un radio muy amplio, un astronauta, por ejemplo, sería estirado en su
interior como un "spaghetti". El desafortunado sujeto caería al agujero sin retorno en
un espacio-tiempo inimaginable.
Los "agujeros negros" son un caso, entre muy pocos en la historia de la ciencia, en el
que la teoría se desarrolla en gran detalle como un modelo matemático antes de que
haya ninguna evidencia a través de las observaciones de que aquélla es correcta.
¿Cómo entonces se pueden detectar esas regiones del espacio que se sabe que existen,
pero no se pueden observar, puesto que por definición no emiten luz?
Los astrónomos han observado muchos sistemas en que una estrella gira alrededor de
otra compañera invisible, atraídas entre sí por la fuerza de la gravedad. No se puede
deducir fácilmente que su vecina es un agujero negro. También podría tratarse de una
simple estrella demasiado débil para ser vista. Sin embargo, algunos sistemas de
estrellas emiten radiaciones intensas y la mejor explicación de los científicos es que
éstas se deben a las producidas por estrellas y galaxias que terminaron por ser
fuertemente aceleradas hacia el interior de ese espacio infinitamente denso. Es como el
último "grito" antes que sean "tragadas". Se tiene evidencias de este tipo de
situaciones cósmicas en un sistema de estrellas conocido como "Cygues X -1", también
en nuestra galaxia y en otras dos vecinas a las Nubes de Magallanes.
Se piensa incluso que el número de agujeros negros es muchísimo mayor, porque en la
larga historia del universo muchas estrellas deben haber consumido todo su
combustible nuclear y, por lo tanto, haberse colapsado. Más aun, se cuenta con alguna
información que hace sospechar que existe un agujero de éstos mucho mayor, con una
masa de aproximadamente 100 mil veces mayor a la del sol, en el centro de nuestra
galaxia. Por suerte que las dimensiones del universo se pueden medir en años luz.
Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl