Respuestas (LXXXV): ¿Es posible que nuestro universo esté dentro de un agujero negro?

Francesc Roig me envió un e-mail hace un tiempo (a jordipereyra@cienciadesofa.com) en el que preguntaba qué tamaño tendría un agujero negro que contuviera toda la masa del universo y he pens…

¡Vaya, entonces hoy puedes despachar rápido el asunto! Sólo tienes que buscar un dato, aplicar una fórmula y nos podemos ir todos a cas…

Parece mentira que aún no me conozcas, voz cursiva. Es cierto que la pregunta se podría responder en un párrafo, pero entonces no tendría la oportunidad de hablar sobre la (relativamente popular) idea de que nuestro universo existe en el interior de un agujero negro.

Es verdad, no sé en qué estaba pensando. Es obvio que el mundo está pidiendo a gritos una entrada sobre… Eso.

Exactamente. Empecemos hablando sobre la masa (y el tamaño) de los agujeros negros.

Existen dos tipos de agujeros negros: los que se forman a partir del colapso de una estrella muy masiva y los que se pueden encontrar en el centro de toda galaxia (exceptuando alguna que lo podría haber perdido durante una colisión con sus vecinas).

La principal diferencia entre los dos tipos de agujeros negros es su masa: mientras que los agujeros negros estelares apenas superan unas decenas de masas solares (el más grande que se ha descubierto tiene 62 masas solares), los segundos tienen una masa millones o incluso miles de millones de veces superior a la del sol. No es de extrañar, entonces, que a los agujeros negros que hay en el centro de las galaxias se les llame agujeros negros súpermasivos.

Espera, ¿me quieres decir que no hay agujeros negros con un tamaño intermedio?

Pues, por raro que parezca, aún no se ha encontrado ninguno, voz cursiva. De momento, los agujeros negros intermedios (con entre 100 y 1.000.000 de masas solares) pertenecen al reino de los objetos hipotéticos y, aunque existen algunos candidatos que podrían terminar siéndolo, ninguno ha podido ser confirmado como tal.

En cuanto a los límites de los agujeros negros conocidos, la masa del más pequeño que se ha encontrado hasta la fecha es “sólo” 3,8 veces superior a la del sol y el diámetro de su horizonte de sucesos es de unos 24 kilómetros. En cambio, el mayor agujero negro súpermasivo descubierto, TON 618, tiene una masa de 66.000 millones de masas solares y su diámetro debería rondar los 0,042 años luz o, lo que es lo mismo, 1.337 unidades astronómicas.

Para poner esta cifra en perspectiva, el radio medio de la órbita de Neptuno es de unas 30 unidades astronómicas así que, comparado con nuestro sistema solar, este gigantesco agujero negro sería algo así:

Pero qué barbaridad. ¿Y no hay algún límite de tamaño superior para un agujero negro?

Técnicamente no, en el sentido de que, mientras tenga material del que alimentarse, un agujero negro siempre podrá tragar más masa y crecer más. Ahora bien, parece que, en la vida real, un agujero negro súpermasivo lo tendrá difícil para crecer más allá de unas 50.000 millones de masas solares. A partir de este punto, la radiación emitida por la materia extremadamente caliente que cae en su interior será tan intensa que empujará hacia el espacio el resto del material que rodea el agujero negro, dejándolo fuera de su alcance e impidiendo que los absorba y crezca más.

Ya, claro, ¿y cómo puede ser que TON 618 tenga una masa mayor que la que dicta ese límite?

Porque, al parecer, hay mecanismos que pueden alargar el proceso hasta que el agujero negro alcanza los 270.000 millones de masas solares en los casos más extremos. A partir de ese momento, no habría manera de que exista un disco de material alrededor de un agujero negro y sólo podrá crecer lentamente tragándose alguna estrella ocasional que se acerque demasiado a él.

Pf… Qué miedo me entra al pensar en agujeros negros tan inmensos…

No te preocupes, voz cursiva, que no hay ninguno remotamente cerca de nosotros. Además, en cierto modo, atravesar el horizonte de sucesos de un agujero negro súpermasivo sería una experiencia menos violenta que caer en un agujero negro pequeño de masa estelar.

Ya hablé una vez sobre qué nos pasaría si cayéramos en un agujero negro y, entre otras cosas, del especialmente desagradable fenómeno de la espaguetización: a medida que te acercas al horizonte de sucesos de un agujero negro, la diferencia entre la intensidad gravitatoria a la que está sometido cada extremo de tu cuerpo aumenta cada vez más hasta que terminas estirado y desmenuzado, convertido en un hilo de átomos.

Pero, curiosamente, la singularidad central de un agujero negro súpermasivo (donde toda su masa está concentrada) está tan lejos del horizonte de sucesos que la intensidad de la fuerza gravitatoria que llega a esa distancia es muy uniforme. Por tanto,  como cada extremo de tu cuerpo estará sometido a una fuerza muy similar, puedes atravesar el horizonte de sucesos de un agujero negro súpermasivo tranquilamente, sin miedo a convertirte en un espagueti… Hasta que te acerques lo suficiente a la singularidad central, claro. Una vez allí ya no podrás escapar de la espaguetización pero, al menos, antes de morir habrás experimentado lo que se siente al estar dentro de un agujero negro.

En cualquier caso, otro detalle interesante de los agujeros negros es que su densidad media es muy baja, precisamente porque su masa está concentrada en la singularidad central. Y, curiosamente, cuanto más grande es un agujero negro, menor es su densidad: por ejemplo, mientras que un agujero negro de masa estelar tiene una densidad tremenda, similar a la de una estrella de neutrones, un agujero negro súpermasivo como TON 681 ronda los 0,0043 kg/m3, una densidad mucho menor que la del aire.

Vale, todo esto es muy interesante. ¿Pero tiene algo que ver con la pregunta de Francesc?

Pues sí, voz cursiva, a eso iba precisamente: aplicando esta fórmula, sabiendo que la masa de toda la materia visible en el universo observable es de unos 1053 kg y que esa cifra representa un 4% de la masa total del universo (contando la materia y la energía oscuras), obtenemos que el universo observable formaría un agujero negro con un horizonte de sucesos de un radio aproximado de unos 392.000 millones de años luz o, lo que es lo mismo, unas 10 veces mayor que radio actual del universo observable. Pero este agujero negro descomunal tendría una densidad media muy baja, de sólo 1,19·10-29 kg/m3, lo que equivale aproximadamente a la masa de un protón en cada 100 metros cúbicos.

Estas cifras no te sugieren nada, ¿voz cursiva?

Hmmm… El horizonte de sucesos de un agujero negro con la masa de todo el universo sería más extenso que el propio “horizonte de sucesos” del universo, la distancia a partir del a cual no podemos recibir información sobre lo que hay más allá y que comentabas en esta entrada.

Vale, ¿algo más?

Pues que la densidad de nuestro universo también es muy baja, del orden de unos pocos protones por metro cúb… ¡ESPERA! ¿¡NO ME DIGAS QUE VIVIMOS DENTRO DE UN AGUJERO NEGRO!?

Correc… Bueno, no, la idea no tiene por qué ser correcta, pero eso es precisamente lo que sostiene alguna gente. Incluso hay quién ha ido un poco más allá y ha propuesto que nuestro universo podría encontrarse en el interior de un agujero negro que, a su vez, podría estar contenido en otro universo.

Pero, antes de dejarnos llevar por la emoción de un concepto interesante, veamos si existe alguna evidencia que apoye estas ideas.

Es verdad que, a primera vista, los modelos actuales del universo observable y de los agujeros negros parecen tener elementos en común, como la existencia de una singularidad, un horizonte que limita la información que podemos recibir del otro lado y una baja densidad. Pero, aunque estas características nos puedan inducir a pensar que los dos conceptos podrían estar relacionados, los parecidos entre el universo observable y los agujeros negros sólo son superficiales y se desmoronan en cuanto se analizan con más de detalle.

Por ejemplo, el consenso actual es que el universo nació a partir de la singularidad previa al Big Bang y que los agujeros negros tienen una singularidad en su centro, pero eso no significa que esos las singularidades de los dos objetos sean iguales.

En realidad, una singularidad no es más que una región del espacio en la que no sabemos qué pasa porque las leyes conocidas de la física fallan cuando se aplican a ella. Por tanto, lo único que tienen en común la singularidad que precedió al Big Bang y las que se encuentran en el interior de los agujeros negros es que desconocemos lo que hay en ellas, lo que no es un indicio de que en las dos ocurran procesos comparables.

Otra señal de lo distintas que son las dos singularidades es que la que dio lugar al universo (y al espacio y el tiempo) hace 13.800 millones de años se encuentra en el pasado, mientras que la singularidad de un agujero negro es futura, en el sentido de que la materia tienda a ella, en vez de surgir de ella. Además, las singularidades de los agujeros negros toman forma en un espacio y un tiempo ya existentes, mientras que la que produjo el Big Bang precede al propio espacio y el tiempo.

Pero, además de estas diferencias, la idea de que todo el universo que conocemos está metido en un agujero negro tiene el problema de que no encaja con las fenómenos que observamos a nuestro alrededor.

Por ejemplo, se ha observado que el universo está en constante expansión y que, además, esa expansión se está acelerando. Es difícil imaginar cómo se podría producir este fenómeno en el interior de un agujero negro, donde todo tiende a ser arrastrado hacia la singularidad central. Siguiendo la misma línea, el universo observable está descrito por la llamada métrica FRLW, pero los agujeros negros están mejor caracterizados por la métrica de Schwarzschild, lo que significa que el comportamiento del espacio y el tiempo es muy distinto distinto en cada caso, de modo que no se puede considerar que el universo observable y un agujero negro sean objetos análogos.

Aun así, existen modelos alternativos intentan esquivar estas limitaciones. Por ejemplo, Niayesh Ashfordi y su equipo propusieron que el Big Bang fue el resultado del colapso de una estrella tetradimensional y que todo nuestro universo tridimensional existiría “dentro” del agujero negro creado por este evento. Pero, cuando se comparan las predicciones de este modelo con las observaciones, como la radiación de fondo de microondas, esta idea no se ajusta tan bien a la vida real como el modelo del Big Bang y la inflación.

En la misma línea, existe otro modelo propuesto por Nikodem Poplanski como alternativa a la hipótesis de la inflación tras el Big Bang y que está basado en un modelo modificado de la teoría de la relatividad general de Einstein que incluye el fenómeno cuántico de la “torsión”, la deformación del espacio-tiempo que producen las partículas que tienen masa.

La idea de Poplanski es que, en condiciones extremas como las del centro de un agujero negro, la torsión que producen las partículas fundamentales sobre el espacio-tiempo es tan intensa que actúa como una fuerza repulsiva. En este escenario, la materia que se colapsa para formar un agujero negro “rebotaría” antes de comprimirse en una singularidad, expandiéndose tras el horizonte de sucesos sin llegar a salir nunca de él, produciendo un nuevo “Big Bang” y dando lugar a un universo escondido en el interior del agujero negro que no somos capaces de detectar.

Este modelo no sólo sugeriría que podríamos estar viviendo en el interior de un agujero negro nacido en otro universo sino que, además, cada agujero negro que hay en nuestro universo contendría otra realidad completamente distinta en su interior.

¡Una cadena infinita de universos y agujeros negros! ¡Ese es el tipo de concepto que me hace ilusión creer!

Pues no te lo creas tan rápido, voz cursiva, porque esta idea también tiene problemas.

Por ejemplo, si nuestro universo se hubiera formado en el interior de un agujero negro, cabría esperar que hubiera heredado parte de su momento angular, así que deberíamos observar fenómenos como, por ejemplo, que las galaxias tienen prioridad a girar en una dirección determinada. Pero, como comentaba en esta entrada, parece que las galaxias no tienen una dirección de giro preferente, así que el universo seguramente no ha heredado ningún momento angular del evento que lo formó.

Por otro lado, el autor de este modelo sugiere que, si su modelo fuera correcto, la geometría del espacio debería ser cerrada pero, como expliqué en esta otra entrada, las mediciones actuales de la curvatura del espacio sugieren que vivimos en un espacio-tiempo plano… Así que, de nuevo, por emocionante que sea este modelo, no parece adaptarse a las observaciones.

En definitiva,  aunque la idea de una cadena potencialmente infinita de universos que producen realidades nuevas en el interior de sus agujeros negros es muy interesante, de momento no hay ninguna evidencia que respalde que nuestro universo está dentro de un agujero negro.

Pues vaya bajón…

Es lo que tiene la ciencia, voz cursiva, que no evalúa la validez de las hipótesis en función de lo impactantes o revolucionarias que suenan. De hecho, los modelos actuales del universo ya son lo bastante interesantes por sí mismos y, si quieres leer sobre ellos, tal vez te interese esta breve publicidad navideña.

¿Se acerca la navidad y no sabéis qué regalar a ese ser querido aficionado a la física y/o la astronomía? ¡Uno de los libros de Ciencia de Sofá podría ser la solución!

En “Las 4 fuerzas que rigen el universo” hablo sobre las cuatro fuerzas fundamentales que dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas, mientras que “El universo en una taza de café” es un libro de historia de la astronomía en el que explico cómo hemos pasado de ver un montón de puntos brillantes en el cielo a saber todo lo que conocemos hoy en día sobre el universo. Si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen excesivamente navideña:

 

 

18 pensamientos en “Respuestas (LXXXV): ¿Es posible que nuestro universo esté dentro de un agujero negro?”

  1. Dices que el universo se está expandiendo, pero que en el caso de un agujero negro todo es arrastrado hacia la singularidad, pues bien, si lo piensas, ambas fuerzas llegan a la velocidad de la luz, y en un universo con forma toroidal el espacio tiempo saldría de una singularidad, se expandirá y luego se contraeria sobre esa misma singularidad que bien podría ser un horizonte de sucesos.

  2. Yo no explico cómo saben tanto algunos tontos del culooo hablando claro 🤐 😶 impresionante… 😂 🤣 🤣 🤣 🤣 saben tanto qué no saben ni los nombres de sus tatarabuelos y eso que está a unos pocos años luz 💡 de que existieran… 😂 🤣 🤣 PAYASOS 🤡 Y charlatánes

    1. Madre mía. Hay tantas cosas mal en tu comentario que no sabría por dónde empezar a corregirte… pero sí te puedo decir que si no te gusta leer artículos científicos como este (a pesar del trabajo que tiene detrás) simplemente no los leas.
      Un saludo y felices fiestas a todos.

  3. Una pregunta. Se supone gue el tiempo corre al revés adentro de un agujero negro. ¿no sería esa una objeción a aquello de que el universo se expande en lugar de contraerse?

    1. Tras el radio de Schwartzschild se intercambian el papel de r y t si mantienes el sistema de coordenadas… r pasa a ser coordenada temporal y t espacial. La singularidad del radio del agujero es meramente un subproducto de la elección de coordenadas. Nada puede permanecer estático en el radio de Schartzschild,

  4. Si existieran los agujeros negros de antimateria, me pregunto qué sucedería si uno de ellos se fusionara con otro de materia ordinaria. ¿Se aniquilarían mutuamente? Y en ese caso, toda la energía resultante en forma de fotones, ¿cómo escaparía de la gravedad sumada de ambos agujeros negros? Huummmmmm…..

  5. Complementando el artículo que enlaza Xavier Olivera, en relación con agujeros negros supermasivos en el universo temprano, os recomiendo que leáis esta otra noticia referente a uno recientemente descubierto y que data de cuando el universo apenas tenía 690 millones de años.

    https://www.elindependiente.com/futuro/2017/12/06/el-agujero-negro-que-se-adelanto-a-su-tiempo/

    ¿Podría ser una prueba, indicio o consecuencia de un universo anterior al nuestro (teoría del multiverso, más concretamente lo relacionado con las ideas de Aleksandr Vilenkin)?

    En cualquier caso… Espero que no haya ningún “asesino” acechando maliciosamente en el interior de estos monstruos 😉

  6. El universo surgió de una singularidad y eso es precisamente lo que hay dentro de un agujero negro. No es que dentro de un agujero negro exista otro universo, lo que sucede mas bien es que la inimaginable densidad del agujero negro termina rompiendo el tejido espacio tiempo, y vomitando toda la materia en otra dimensión, eso señores es precisamente el bing bang. El espacio vació y las dimensiones espaciales son infinitas así que todos los universos surgen de singularidades de agujeros negros, de ahí la máxima de la ciencia y la relatividad. ” la materia no se crea ni se destruye solo se transforma”

  7. ¿Estrella tetradimensional?
    ¿De cuatro dimensiones espaciales?
    ¿Cómo sería algo así como un objeto o espacio tetradimensional (contando el tiempo como una quinta dimensión a parte)?

  8. ¿Seria posible que el Big Ben haya sido un super supermasivo agujero negro que saturado por la gran presion interna libero gran parte de su energia y se fracturo en incontables unidades mas pequeñas.

  9. Un agujero negro supermasivo, con una densidad tan baja, y un horizonte de sucesos con un radio tan grande. ?LA luz no Seria capaz de escaparse? Realmente seria otra cosa, no? No lo pillo.

Deja un comentario