¿Tienen los agujeros negros una superficie sólida?

Los agujeros negros son objetos fascinantes de los que he hablado con más detalle en otras ocasiones (como en esta entrada o esta otra). Pero, curiosamente, se trata de fenómenos extremadamente simples: no son más que cantidades de masa inmensas concentradas en un espacio muy, muy reducido. De hecho, el aspecto de «disco oscuro» que caracteriza los agujeros negros es una consecuencia de que toda su masa esté concentrada en un punto minúsculo.

Mejor me explico.

Resulta que la intensidad de la fuerza gravitatoria que un cuerpo celeste ejerce sobre nosotros incrementa de forma cuadrática a medida que nos acercamos a él. Dicho de otra manera, si reduces la distancia que te separa del objeto en cuestión a la mitad, la gravedad tirará de ti con una fuerza 4 veces mayor. A un tercio de la distancia experimentarás un tirón gravitatorio 9 veces mayor. A tres cuartos del camino, el tirón será 16 veces mayor y… Bueno, creo que os podéis hacer una idea de cómo sigue la progresión.

El caso es que la fuerza con la que la gravedad tira de nosotros no puede incrementar indefinidamente cuando nos acercamos a un planeta o una estrella porque en algún momento nos chocaremos con su superficie o el calor nos vaporizará. En cambio, la masa de un agujero negro está acumulada en una región tan pequeña que las cosas tienen vía libre para acercarse a ella tanto como quieran.

Como resultado, alrededor de la masa central de un agujero negro existe una región del espacio en la que la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de ella. Esta región se llama horizonte de sucesos y es la silueta oscura que todos asociamos a la imagen de un agujero negro.

(Fuente)

Ostras, entonces esas bolas oscuras no son el «cuerpo» de los agujeros negros.

Efectivamente, voz cursiva. El verdadero «cuerpo» del agujero negro es la masa que está escondida detrás de ese velo de oscuridad que produce la gravedad.

¿Y qué aspecto tiene esa masa escondida? ¿Es algún tipo de objeto súper denso con una superficie sólida o estaríamos hablando de algo más abstracto?

Todo apunta a lo segundo. Pongamos algo de contexto.

La materia ordinaria que nos rodea está hecha de átomos y esos átomos consisten en un núcleo con protones y neutrones, rodeado de una nube de electrones. Hasta ahí todo bien, no os estoy contando nada nuevo.

Otro dato relevante es que los electrones de diferentes átomos se repelen entre ellos e impiden que sus núcleos se acerquen tanto como les da la gana. Por tanto, se podría decir que la capa más externa de electrones es la «frontera» del átomo.

Ahora bien, en el universo existen cuerpos celestes con campos gravitatorios lo bastante intensos como para sobreponerse a esta repulsión, como por ejemplo las estrellas enanas blancas. Estos objetos rondan el tamaño de un planeta rocoso, pero poseen una fracción considerable de la masa del sol, así que su propio gravitatorio es tan fuerte que obliga a los átomos a acercarse mucho más de lo que lo harían en condiciones normales. De hecho, los átomos que componen las enanas blancas están tan apretujados que las órbitas de sus electrones se comprimen y dan lugar a tipo de materia muy denso hecho de átomos «encogidos», como los de la siguiente imagen.

Si la masa de una enana blanca aumenta lo suficiente, su gravedad será capaz de sobreponerse a la fuerza repulsiva de los electrones y los obligará a unirse al núcleo de sus átomos, donde se combinarán con los protones para producir más neutrones. El resultado será una estrella de neutrones: una bola de unos 15 kilómetros de diámetro y una masa superior a la del sol que estará hecha de un tipo de materia increíblemente denso compuesto principalmente en neutrones. Llegados a este punto, lo único que impedirá que la estrella de neutrones se comprima aún más será la fuerza repulsiva que actúa entre estas partículas.

¿Y qué pasa si sigues acumulando masa sobre la estrella de neutrones? ¿Existe algún material aún  más compacto?

Bueno, se ha teorizado que podrían existir unos objetos aún más densos llamados estrellas de quarks, pero, si te interesa el tema, hablo sobre todo esto con mucho más detalle en esta otra entrada del blog y en uno de los capítulos de mi nuevo libro (guiño, guiño).

Lo importante aquí es que cada vez que un cuerpo celeste acumula suficiente masa como para que su gravedad se sobreponga a la repulsión entre las partículas que lo componen, el objeto se colapsa y da lugar a un objeto aún más compacto y, por tanto, más denso.

O sea, que un agujero negro no debe ser más que una bola de materia que es aún más densa que una estrella de neutrones, ¿no?

Las cosas no son tan sencillas, voz cursiva.

Cuando una estrella de neutrones acumula suficiente masa, ni siquiera la fuerza que mantiene los neutrones separados será capaz de oponerse a la gravedad y su masa se compactará tanto que acabará rodeada de una región del espacio en la que la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar, por lo que, desde fuera, se verá completamente negra. Y eso es lo que llamamos un agujero negro, claro.

Ahora bien, la masa del agujero negro no acaba convertida en una bola muy pequeña y densa escondida tras un velo oscuro. Mi compañero de sección Alberto Aparici explicó cuál es la estructura interna de un agujero negro en un artículo fantástico que publicó hace poco y que os recomiendo muchísimo leer, pero, en resumidas cuentas, toda esa masa termina concentrada en la singularidad que se encuentra en el centro de esta región oscura.

No se sabe qué estado adopta la materia cuando cae en la singularidad central de un agujero negro porque las leyes de la física actuales fallan cuando intentan describirla. Aun así, como comenta Alberto, la situación podría visualizarse imaginando que toda la energía que contiene la materia que caen en la singularidad se «convierte en gravedad» (o «se invierte en distorsionar el espacio-tiempo»). O sea, que el horizonte de sucesos de un agujero negro no es una superficie sólida, sino la frontera que conduce a un tramo del espacio en el que la gravedad es tan intensa que te arrastra inevitablemente hasta la singularidad central.

No, nadie se ha metido en un agujero negro porque no sería una buena idea, como comenté en esta otra entrada. Gran parte de lo que sabemos sobre agujeros negros se lo debemos a la teoría de la relatividad, un modelo que sabemos que describe la gravedad con mucha precisión porque sus predicciones sobre el comportamiento del universo se cumplen una y otra vez. Pero, además, aunque es cierto que no podemos observar qué hay más allá del horizonte de sucesos de un agujero negro con un telescopio, la posible existencia de una superficie tras este velo oscuro es una hipótesis que se puede poner a prueba experimentalmente de manera indirecta.

Por ejemplo, los autores de un estudio de 2006 se dedicaron a observar estrellas corrientes que orbitaban demasiado cerca de varias estrellas de neutrones y agujeros negros. La particularidad de estos sistemas es que tanto las estrellas de neutrones como los agujeros negros estaban «absorbiendo» el gas a sus respectivas estrellas con su tremenda gravedad, un proceso similar al de la siguiente imagen:

En el caso de las estrellas de neutrones, el material robado se va acumulando sobre su superficie sólida hasta que la intensa gravedad provoca que estos gases experimenten una reacción de fusión nuclear. Como resultado, sobre la superficie de una estrella de neutrones que se está «alimentando» del gas de otras estrella tienen lugar explosiones termonucleares ocasionales que se pueden detectar gracias a los rayos-X que emiten. Por tanto, si el horizonte de sucesos de un agujero negro fuese una superficie sólida, el material que tragan estos objetos también se debería acumular sobre ella de manera momentánea y producir explosiones similares a las de las estrellas de neutrones.

Pues, bien, tras vigilar 13 estrellas de neutrones y 18 agujeros negros durante nueve años, los responsables del estudio detectaron 135 explosiones de rayos-X entre las estrellas de neutrones, pero no observaron ninguna entre los agujeros negros. Esto indicaba que el gas que estaban absorbiendo los agujeros negros no estaba cayendo sobre una superficie sólida, sino adentrándose en el horizonte de sucesos y desapareciendo sin dejar rastro, que es lo que sugiere la teoría de la relatividad.

Hm… Bueno, vale… Pero, ¿y si los agujeros negros tienen una superficie sólida, pero se encuentra detrás del horizonte de sucesos? Entonces tampoco se observaría nada, porque la energía liberada por la explosión no podría escapar de él.

Buena, vale, voz cursiva. Si tanto te empeñas, se ha propuesto un tipo de objetos llamados «gravastars» (o «estrellas gravitacionales de vacío») que serían una explicación alternativa a algunos agujeros negros.

Estos cuerpos celestes hipotéticos serían idénticos a un agujero negro vistos desde fuera porque también estarían rodeados de una región del espacio de la que ni siquiera la luz puede escapar. Pero, tras ese velo de oscuridad, estarían compuestos por tres capas: un volumen central repleto de energía oscura que ejerce una fuerza repulsiva, rodeado por una fina capa esférica hecha de algún tipo de «materia ultra-relativista rígida» y una capa externa de espacio vacío. O sea, que, si se demostrara que este modelo describe correctamente los agujeros negros, sí que existiría una especie de superficie sólida tras el horizonte de sucesos.

Aun así, me gustaría insistir en que las gravastars son objetos puramente hipotéticos y que todo lo que sabemos en la actualidad apunta a que los agujeros negros no tienen ninguna superficie sólida tras su velo de oscuridad. Dicho de otra manera: lo que llamamos agujeros negros son sólo regiones del espacio en las que la intensa gravedad lo arrastra todo hacia una singularidad central, donde toda la masa está acumulada en un estado que aún desconocemos.