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

Hace unos días el acelerador de partículas más grande del mundo, el LHC (Large Hadron Collider), volvió a entrar en funcionamiento después de un par de años parado durante los cuales aumentaron su potencia. Con las mejoras, ha pasado de ser capaz de generar haces de partículas con una energía de 4 teraelectrónvoltios (TeV) a 6.5 TeV. Eso significa que ahora un rayo de partículas del LHC tiene la misma energía que un coche de 1.800 kg desplazándose a 2.280 kilómetros por hora.

Total, que algunos lectores están especialmente preocupados por el viejo mito de la creación de un agujero negro en el interior del LHC y me han preguntado si este incremento de energía podría realmente traer el fin del mundo. Así que hoy vengo a responder a la pregunta: ¿Podría producir un agujero negro el LHC, el acelerador de partículas más grande del mundo?

Vamos a ver primero en qué condiciones se forman los agujeros negros para ver si podría aparecer uno en el interior de estos aparatos tan sofisticados.

(Fuente)

Los agujeros negros de toda la vida aparecen durante el colapso final de estrellas que tienen, al menos, 20 veces la masa de nuestro propio sol. Pero, para ver cómo una estrella puede convertirse en uno de estos monstruos que devoran hasta la luz, tenemos que saber primero qué es lo que hace brillar las estrellas.

En el centro de una estrella tiene lugar una explosión termonuclear constante. En todo momento, la presión tremenda en el interior del núcleo fuerza a parejas de átomos de hidrógeno a que se combinen entre sí para convertirse en helio, un elemento más pesado. Para entender mejor el proceso, explicaba qué es lo que determina las diferencias entre los distintos elementos químicos, en el esta otra entrada.

La fusión nuclear liberan una cantidad tremenda de energía. De hecho, en la Tierra aprovechamos este proceso en las armas de destrucción masiva más devastadoras jamás creadas: las bombas termonucleares. En el siguiente vídeo podemos ver los efectos de la operación Castle Bravo, en 1954, durante la cual se detonó una bomba termonuclear con una potencia de 15 megatones (el equivalente a la energía liberada por 15 millones de toneladas de TNT).

O sea, que en el núcleo de una estrella tiene lugar una reacción de fusión nuclear que genera una onda expansiva continua.

Espera, espera, entonces, ¿Cómo puede una estrella tener forma de esfera si su núcleo está explotando? ¿La onda expansiva no debería destruir la estrella y su masa salir despedida en todas direcciones?

Ah, voz cursiva, pero hay que tener en cuenta que el núcleo estelar está rodeado por el resto de la masa de la estrella, que no es poca. La gravedad tira de toda esta masa hacia el centro de la estrella y comprime el núcleo desde todas las direcciones. La presión mantiene la explosión termonuclear confinada y, por tanto, la estrella se puede permanecer estable.

Pero la estabilidad no dura para siempre.

La masa de la estrella es finita y, por tanto, el combustible que tiene disponible para alimentar la reacción de fusión nuclear que tiene lugar en su núcleo es limitado. A la larga, el hidrógeno del que dispone la estrella irá convirtiéndose en helio.

Eso no significa que la reacción se detenga: las condiciones tremendas de calor y presión en el núcleo obligan a los átomos de helio a fusionarse entre sí por pares y formar un elemento que tiene 4 protones en su núcleo, el berilio. A su vez, los mismos átomos de helio pueden combinarse con los de berilio para formar carbono, cuyos átomos contienen 6 protones en el núcleo.

De esta manera, el hidrógeno inicial se va convirtiendo poco a poco en elementos cada vez más pesados: carbono, oxígeno, neón, magnesio… Aquí unos cuantos elementos que se pueden formar mediante la fusión con el helio.

Y, claro, cuanto más pesado es el elemento, más energía libera y, por tanto, más calor genera. A medida que se fusionan elementos cada vez más pesados, empieza a aumentar la temperatura en el núcleo y, como una estrella es básicamente una gran bola de gas, al calentarse se empieza a expandir.

La estrella va creciendo y, mientras tanto, los elementos más pesados se van hundiendo hacia el núcleo de la estrella por efecto de la gravedad y los más ligeros quedan «flotando» más cerca de la superficie, igual que una piedra se hunde en el agua. Este proceso divide el interior de la estrella en «capas» según la densidad del material que contienen y en cada una de ellas tiene lugar la fusión de elementos distintos. A medida que los elementos más ligeros que se encuentran en la capa superficial se fusionan en cosas más pesadas, van pasando a capas más profundas hacia el interior de la estrella. En el punto más profundo posible, el núcleo, es donde van a parar los elementos más densos que puede producir la fusión en una estrella: el hierro y el níquel.

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

Pero el siguiente eslabón en la cadena de fusión después del níquel es el zinc. Y aquí llegan los problemas: la fusión del níquel para producir zinc ya no aporta más energía a la estrella, sino que la absorbe. Por tanto, cuando se acumula suficiente níquel en el núcleo, llega un punto en el que toda la energía producida por la fusión de otros elementos se utiliza para convertirlo en zinc y, por tanto, la reacción de fusión nuclear del centro de la estrella se detiene.

Sin fusión nuclear, la onda expansiva que empuja toda la masa de la estrella hacia afuera desaparece y no queda ninguna fuerza que se oponga al peso de la estrella. En un instante, toda la materia que compone la estrella se precipita hacia el centro, acelerada por su propia gravedad… Y la estrella se comprime.

Las presiones generadas por todo el volumen de la estrella durante su colapso se vuelven tan grandes que se desencadenan violentas reacciones de fusión nuclear por todo su volumen, provocando una de las explosiones más potentes del universo: una supernova, un fenómeno tan luminoso que durante un instante puede brillar más que el resto de la galaxia que la alberga.

A su vez, esta misma explosión comprime el núcleo hasta límites insospechados. Cuando esto ocurre, el núcleo de hierro y níquel que en su día pudo medir decenas de miles de kilómetros de diámetro puede quedar reducido a dos cosas: una estrella de neutrones (de las que tendré que hablar con más detalle otro día) o, si la explosión es suficientemente potente, será convertido en un agujero negro.

La diferencia entre ambos es que la estrella de neutrones puede mantener su forma porque, pese a su tremenda densidad y fuerza gravitatoria, las propias fuerzas que tienden a repeler los núcleos atómicos entre sí son capaces de mantenerla en equilibrio. En este sentido, estas fuerzas sustituyen a las explosiones termonucleares que impiden que las estrellas se colapsen debido a su propia gravedad en condiciones normales.

Pero, si la estrella es suficientemente grande, la masa del núcleo quedará tan comprimida que ni siquiera las fuerzas que aparecen entre los núcleos serán capaces de detener el colapso de la materia y, en teoría, quedará comprimido en un punto de un tamaño minúsculo y una densidad infinita. En este punto, las leyes de la física fallan y es a lo que llamamos una singularidad.

Ah, ¿Entonces todos los agujeros negros son en realidad minúsculos?

No, no.

Cuando hablamos de agujeros negros imaginamos un disco oscuro que flota ante un fondo estrellado en medio del espacio, pero ese disco no es la singularidad en sí.

El disco oscuro que rodea un agujero negro corresponde a la distancia de la singularidad a partir de la cual la atracción gravitatoria es tan grande que ni siquiera la luz puede escapar de él y, por tanto, no nos llega información a nuestros ojos sobre cualquier zona que esté más cerca del centro. Es el llamado horizonte de sucesos y es al que hacemos referencia cuando hablamos del tamaño de un agujero negro, ya que nos da información sobre su masa.

A mayor masa, mayor será la zona alrededor de la cual la luz no podrá escapar y, por tanto, más grande será el horizonte de sucesos. A eso hace referencia precisamente el concepto de radio de Schwarzchild, que es el radio que tendría cualquier cosa al ser comprimida para formar un agujero negro.

Un objeto con una masa comparable a la del sol se convertiría en un agujero negro de tan sólo 2,95 kilómetros de radio (no nos llevamos las manos a la cabeza, nuestra estrella no tiene masa suficiente como para reventar en forma de supernova). En comparación, el agujero negro más pequeño descubierto hasta la fecha tiene una masa equivalente a 3,8 veces la del sol y un diámetro de 24 kilómetros.

Pero podemos aplicar esta lógica a cualquier cosa.

Toda la masa de la Tierra tendría que comprimirse en una esfera de 8.87 centímetros de radio para convertirse en un agujero negro. Más aún, si yo mismo mientras escribo este párrafo y me convirtiera 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 (sobre su escala hablaba en esta otra entrada).

Si os parece curioso el asunto, aquí tenéis una calculadora de radios de Schwarzchild con el que podréis descubrir el tamaño de distintos miembros de vuestra familia y seres queridos en general si se convirtieran en un agujeros negros.

Y, por fin, después de todo este tostón, ya podemos hablar de la formación de agujeros negros en el interior del LHC.

Para estudiar los cimientos de la realidad, los científicos que llevan los aceleradores de partículas hacen chocar chorros de átomos a velocidades cercanas a las de la luz en direcciones opuestas. La colisión destruye los átomos por completo y los separa en las partículas más fundamentales que los componen y, de esta manera, al estudiar los «escombros» que quedan tras el impacto los científicos pueden detectar distintos tipos de partículas fundamentales*.

Durante estas colisiones entre partículas es, en teoría, cuando una cantidad de masa suficiente podría estar concentrada en un mismo punto diminuto como para formar un agujero negro. Pues resulta que…

¡Espera, espera! Ya, sé donde quieres llegar. Me vas a decir que un agujero negro con la masa de unas cuantas partículas, como las que colisionan en el LHC, es tan extremadamente baja que el tamaño del horizonte de sucesos del agujero negro que formaran sería increíblemente pequeño y que no deberíamos preocuparnos por ello. Pero su tamaño da igual, ¿no? Por muy pequeño que sea, el agujero negro empezará a absorber la materia que lo rodea e irá creciendo… ¡Hasta que se trague la Tierra entera!

Buen intento, voz cursiva, pero no.

Stephen Hawking demostró que los agujeros negros pierden masa a un ritmo muy lento. Muy, muy lento. Algo del estilo «una partícula escapa del agujero negro de vez en cuanto» en forma de radiación que recibe el nombre, por supuesto, de radiación de Hawking.

Para hacernos una idea, un agujero negro con una masa similar a la del sol tardaría 10⁶⁶años en evaporarse. Esto equivale a un 10 seguido de 66 ceros o, lo que es lo mismo, un undecillón de años. Teniendo en cuenta que el agujero negro medio 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 (se llaman agujeros negros súpermasivos y hablaba de ellos en esta otra entrada), podemos hacernos una idea de la escala de tiempo de la que hablamos.

Respondiendo finalmente la pregunta:

Lo curioso es que, cuanto más pequeño es un agujero negro, mas caliente está y mayor es el ritmo al que emite radiación.

No se espera que en el LHC aparezcan micro agujeros negros a partir de las colisiones de las partículas porque la física tal y como la entendemos hoy en día no lo permite (de hecho, harían falta energías mil billones de veces superiores a las que el LHC es capaz de desarrollar actualmente para crear agujeros negros). Pero los propios responsables del LHC admiten que podría existir algún aspecto de la realidad que se nos escapa y, en ciertas circunstancias teóricas muy concretas, podrían llegar a aparecer microagujeros negros a partir de las colisiones entre las partículas.

Pero, incluso en ese caso, estos agujeros negros tan ridículamente pequeños que se evaporarían casi inmediatamente después de formarse debido a la radiación de Hawking y dejarían de existir al momento. Y lo que no existe no puede hacernos daño.

Pero no sólo eso.

Incluso aunque fuéramos un paso más allá y alguien demostrara que la radiación de Hawking no existe y que, por tanto, los agujeros negros no se evaporan, los agujeros negros formados en un acelerador de partículas seguirían sin representar peligro alguno debido a su tamaño, muchísimo más pequeño que el de un átomo que, si habéis leído la entrada que he comentado antes, sabréis que está ocupado casi en su totalidad por espacio vacío.

Según el físico teórico Frans Pretorius de la Universidad de Princeton serían tan diminutos que en 14.000 millones de años tan sólo serían capaces de tragarse 1 miligramo de materia… Eso si, debido a las energías involucradas en su creación, no salieran despedidos hacia el espacio, atravesando la materia y perdiéndose muy lejos sin causar ningún estrago.

Así que no hay de qué preocuparse, el LHC no nos va a matar a todos.

Y, para celebrar que el LHC no va a destruir el planeta…

14 comentarios

Israel mayo 25, 2015 - 7:57 pm