¿Cómo se forman los agujeros negros?
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Carlos Barceló
IAA-CSIC
Tags: agujeros negros

Separemos con una red imaginaria un conjunto de materia del resto del universo. Cualquier materia  vale, unos trozos de hierro, un cubo de agua, una casa, la Tierra entera, el Sol o una galaxia completa con todas sus estrellas. Construyamos ahora un fino hula hoop con circunferencia en metros igual a 1,48x10e-27 veces la masa total en kilogramos del conjunto de materia elegido. Si conseguimos compactar toda esa materia (como hacen los camiones de la basura) hasta que pueda pasar por dentro del hula hoop en cualquier dirección, habremos conseguido formar un agujero negro.

Un trozo de hierro, o el Sol entero, gravita sobre sí mismo, esto es, intenta encogerse por efecto de la gravedad. Sin embargo, las fuerzas estructurales del material (la presión del gas en el caso del Sol) son demasiado poderosas como para dejarse ganar por la tenue fuerza de la gravedad. Sin embargo, cuando la materia es muy compacta en relación a su masa total, la fuerza de la gravedad siempre acaba ganando, produciendo el colapso sobre sí misma de la materia en cuestión y generando así un agujero negro. Para hacernos una idea de los números involucrados, si consiguiéramos compactar la Tierra hasta que tuviera el tamaño de una típica canica de cristal, se convertiría en un agujero negro. Sin embargo, no tenemos que asociar necesariamente agujero negro con densidades gigantescas. Cuanta más materia tengamos para formar un agujero negro la densidad que es necesario alcanzar en la compactación es menor. Nuestra galaxia se convertiría en un agujero negro con solo que la contrajésemos hasta ocupar una región de diez años luz de radio, momento en el que tan siquiera habría alcanzado la densidad del aire que nos envuelve.

Sin embargo, una cosa es lo que nos dice y permite la teoría general de la relatividad, la teoría más precisa de que disponemos para describir los efectos gravitatorios, y otra cosa el camino que utiliza la naturaleza para formar agujeros negros. Antes de llegar al tamaño crítico de agujero negro, para que la materia vaya compactándose se necesita que sea capaz de disipar energía en forma de radiación. La materia a grandes escalas es poco disipativa, por lo que se favorece que las estructuras o grumos de materia que se encogen más rápidamente gracias a la gravedad sean los más pequeños (es lo que se conoce como formación jerárquica de estructuras). Pero precisamente una pequeña cantidad de gas en contracción inmediatamente encuentra fuerzas estructurales que la mantienen lejos de formar un agujero negro. Una cantidad de gas como la que forma nuestro Sol al contraerse empieza a generar reacciones termonucleares que proporcionan una tremenda presión y detienen la contracción gravitatoria.

 

Si consiguieramos compactar la masa de nuestro del planeta en el tamaño de una canica de cristal se convertiría en un agujero negro.

 

Cuando el combustible de estas reacciones se acaba, la estrella vuelve a colapsar (tras pasar por una fase de gigante roja) hasta llegar a lo que se conoce como fase de enana blanca. Aquí un nuevo tipo de presión vuelve a soportar la estructura. Esta presión tiene un origen cuántico y se basa en la aversión que tienen los electrones de los átomos de materia a estar demasiado juntos. Esta es una propiedad comprobada de la física de las partículas elementales que poseen un espín semi-entero. Podemos imaginar el espín de las partículas elementales como si estas giraran sobre sí mismas, y espín semi-entero identifica una propiedad de giro especial en la que la partícula tiene que dar dos vueltas sobre sí misma para volver a su situación inicial; los constituyentes fundamentales de la materia, los  electrones, los protones y los neutrones poseen esta propiedad. Una enana blanca aislada se va apagando progresivamente hasta quedar como un estructura inerte que se conoce como enana marrón. Ni rastro de un agujero negro.

Si el gas inicial que forma la estrella contiene varias veces la masa del Sol, cuando se acaba el combustible termonuclear el colapso de la estructura deriva en el fenómeno conocido como supernova: una explosión de enormes proporciones. En ella gran parte de la materia de la estrella progenitora es expulsada al medio interestelar. A su vez, el núcleo restante forma una estrella de neutrones. Una vez más la repulsión debida a los espines, ahora de los neutrones, contrarresta a la gravedad. Una estrella de neutrones tiene una densidad gigantesca y un tamaño de unas dos veces el tamaño crítico que la convertiría en agujero negro.

Sin embargo, la relatividad general nos dice que la repulsión de los espines no puede soportar estructuras con una masa mayor de unas tres veces la masa del Sol. Si lanzamos materia adicional sobre una estrella de neutrones, al final la estructura colapsará sobre sí misma para formar un agujero negro. Si la masa de la estrella progenitora es extremadamente alta (más de cien veces la masa del Sol) también puede suceder que en su explosión como hipernova (forma muy energética de supernova con emisión de rayos gamma) el núcleo tenga un sobrepeso que lo lleve directamente a formar un agujero negro. Todo indica que estas dos vías son las que llevan a la formación de los objetos extremadamente oscuros y compactos que se han detectado. Que realmente tengan un tamaño menor que el crítico es algo que todavía desconocemos. Mientras no se demuestre lo contrario, seguiremos llamándolos agujeros negros.  


Sobre el autor:

Carlos Barceló
IAA-CSIC
Carlos Barceló es científico titular del Instituto de Astrofísica de Andalucía. Es experto en relatividad general y análogos gravitatorios.




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