¿Cómo se forma un agujero negro? ¿Podría el acelerador de partículas producir uno?

Gonzalo Hernández rescata del baúl de los recuerdos una duda que en su día preocupó a más de uno: ¿Podría producir un agujero negro el LHC, el acelerador de partículas más grande del mundo?

Así que vamos a ver primero en qué condiciones se forman los agujeros negros para ver si podría aparecer uno en el interior de nuestros aparatos más sofisticados.

Los agujeros negros aparecen del colapso final de estrellas que tienen, al menos, 20 veces la masa de nuestro propio sol. Pero, para ver cómo ocurre esto, tenemos que saber primero por qué brillan las estrellas.

El centro de una estrella es una explosión termonuclear constante. En todo momento, parejas de moléculas de hidrógeno se están fusionando entre sí para convertirse en helio, un elemento más pesado. La reacción libera una cantidad tremenda de energía… Bueno, la energía resultada es de tal magnitud que en la Tierra usamos la reacción para construir bombas H, las armas más devastadoras jamás creadas. En el siguiente vídeo, a partir del minuto 1:15, podemos ver un ejemplo.

O sea, que en el núcleo de una estrella se genera de manera constante una onda expansiva termonuclear descomunal.

Eh, eh, entonces, ¿Cómo puede una estrella tener forma de esfera si algo dentro está explotando? ¿No debería salir despedida en todas direcciones?

Hay que tener en cuenta que el núcleo estelar está rodeado por una cantidad inmensa de masa que, por efecto de la gravedad, es atraída hacia el centro. Por tanto, el núcleo de una estrella está comprimido en todo momento desde todas las direcciones. Esta presión es suficientemente grande como para mantener la explosión confinada.

En definitiva, una estrella es una explosión termonuclear que se mantiene estable porque tiene suficiente masa a su alrededor como para compensar la fuerza de la onda expansiva.

Pero esta estabilidad es relativa.

La masa de la estrella es finita y, por tanto, también lo es el combustible con el que puede alimentar su reactor de fusión nuclear. A la larga, el hidrógeno terminará convirtiéndose en helio. Eso no significa que la reacción se detenga: aunque cuesta algo más, los átomos de helio pueden fusionarse entre sí y formar átomos de elementos cada vez más pesados.

A medida que los elementos se convierten en otros más densos, el núcleo va reduciendo su tamaño.

Distribución de elementos en una estrella según la profunidad, a medida que van quedando como subproductos de reacciones de fusión nuclear. Crédito: wikimedia.

Si la estrella es suficientemente grande, las condiciones de calor y presión en su núcleo serán suficientes para continuar con el proceso de fusión nuclear durante un buen rato: convertirán el hidrógeno en helio, el helio en berilio, que junto con más helio se convierte en carbono, el carbono en magnesio, calcio, oxígeno o neón… Pero aparecen problemas cuando llega el hierro.

Las condiciones para poder fusionar el hierro en cosas más pesadas son tan extremas que no se dan en ninguna estrella, por muy grande que sea. Por tanto, la fusión nuclear se detiene de golpe cuando el núcleo contiene tanto hierro que ningún otro elemento puede fusionarse.

Cuando la reacción se detiene, no hay ninguna fuerza que se oponga al peso de la estrella y la mantenga en equilibrio. En un instante toda la materia intenta ser arrastrada hacia el centro, comprimiendo un poco la estrella. Las fuerzas que entonces rodean en núcleo estelar acaban siendo tan grandes que el núcleo de hierro se comprime a una fracción de lo que era, liberando una cantidad de energía descomunal durante el proceso que se traduce en una de las explosiones más potentes del universo: una supernova.

Cuando esto ocurre, un núcleo de hierro que en su día pudo medir decenas de miles de kilómetros de diámetro, se convierte en una objeto supercompacto de apenas 30 o 40 kilómetros.

Básicamente, eso es un agujero negro: algo inimaginablemente grande que adopta un tamaño más o menos imaginable, pero manteniendo la misma masa.

Se le llama radio de Schwarzchild al radio que tendría cualquier cosa al ser comprimida en un agujero negro (en términos de una esfera).

De convertirse en un agujero (no nos llevamos las manos a la cabeza, nuestra estrella no tiene suficiente masa para dar lugar a una supernova), el sol tan sólo mediría 2,95 kilómetros de radio. Si pudiéramos comprimir toda la masa de la Tierra, en cambio, el agujero negro resultante tendría un radio de 8.87 centímetros.

De colapsarme sobre mí mismo mientras escribo este párrafo y convertirme en un agujero negro, yo tendría un radio de 0.00000000000000000000000013353799130485475 metros. Eso es una cifra billones de veces más pequeña que el radio de un átomo.

Aquí tenéis una calculadora de radios de Schwarzchild con el que podréis descubrir como de grande sería toda vuestra familia si se convirtiera en un agujero negro.

Y ahora desvelemos la técnica secreta de que usan los científicos del LHC para averiguar cosas sobre los cimientos que componen nuestro universo: chocar átomos a velocidades cercanas a las de la luz para ver que las partículas queden destruidas y así estudiar qué queda tras el impacto*.

Ya, sé donde quieres llegar. Me vas a decir que las partículas que usa el LHC son tan pequeñas, que si al impactar formaran un agujero negro, su tamaño sería increíblemente pequeño. Pero da igual, ¿no? Aunque sea a pequeña escala, el agujero negro absorbe materia e irá creciendo, tenga tamaño subatómico a kilométrico.

Mmmm… No, ese es un falso mito de los agujeros negros.

Stephen Hawking demostró que un agujero pierde masa a un ritmo muy lento. MUY, MUY LENTO. Del orden de un par de partículas cada segundo, por decir una cifra no muy descabellada**. Se llama, claro, radiación de Hawking. Por ejemplo, en los 14 mil millones de años de vida que tiene nuestro universo, sólo los agujeros negros con una masa miles de millones de veces más pequeña que la de nuestro sol podrían llegar a evaporarse. Teniendo en cuenta que el típico agujero negro tiene un par de docenas de masas solares, y que en el centro de algunas galaxias los hay contienen la masa de miles de millones de estrellas como las de nuestro sol, podemos hacernos una idea de la escala de tiempo de la que hablamos.

Respondiendo finalmente la pregunta:

Pero, en el caso de agujeros negros ridículamente pequeños que podrían llegar a formarse en el LHC, perder masa al ritmo de una partícula cada segundo sí que marca la diferencia, por lo que se evaporarán  a los pocos microsegundos y dejarán de existir. Y lo que no existe no puede hacernos daño.

*Recordamos a los lectores más jóvenes que esto no funciona a gran escala, nada de estrellar coches unos contra otros para ver de qué piezas están hechos.

**Es una explicación muy general del fenómeno real, pero considero que es suficiente para no entrar en terminología con la que hay que estar un poco familiarizado, aunque sea por la acumulación de años de curiosidad.

15 pensamientos en “¿Cómo se forma un agujero negro? ¿Podría el acelerador de partículas producir uno?”

  1. Excelente artículo, explicado de forma muy comprensible.
    El que quiera ampliar la información sobre la formación de agujeros, le recomiendo que se lea sobre los conceptos de límite de Chandrasekhar en oposición (de fuerzas) al principio de exclusión de Pauli.

  2. Iba a calcular tu peso a partir de tu radio Schwarzchild para asombrar a todos con inmenso intelecto, y que las tías buenas me persigan, pero me da no vale la pena esforzarse. XD

  3. Es poco probable que leas esto, pero tengo un par de dudas…
    En un momento decís “[…] el núcleo de hierro se comprime a una fracción de lo que era, liberando una cantidad de energía descomunal”

    ¿Por qué por comprimirse libera energía? Por ahí es una pregunta boluda, pero la duda la tengo igual, jejeje. ¿Estamos hablando de una compresión común y corriente, sólo que en magnitudes inimaginables?
    No termino de entender qué hace que esa compresión de hierro termine en una supernova, que siempre creí que eran explosiones de las capas superiores de una estrella.

      1. Esta última compresión sin freno se extiende por todas las capas restantes de la estrella, haciendo que por todo su volumen tengan lugar violentas reacciones de fusión nuclear. Por eso esa compresión libera energía (en realidad no la propia compresión, claro): porque fuerza a todo el volumen de la estrella a reventar.

        Al final terminé explicando esto mejor en una entrada que escribí hace poco sobre la procedencia de la materia que nos rodea:

        http://cienciadesofa.com/2014/07/de-donde-viene-la-materia.html

  4. A mi me viene otra duda a la cabeza, ¿por que, si los agujeros negros están continuamente absorbiendo toda la masa que tienen a su alcance, pierden masa lentamente?

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