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"atomo"
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Hace un par de años publiqué una entrada en la que explicaba que nuestro peso varía ligeramente cuando viajamos de un lugar a otro porque el ritmo al que la gravedad nos acelera hacia el suelo no es uniforme por toda la superficie de la Tierra. En este mapa podéis ver dónde la gravedad es más intensa (en rojo) y dónde lo es menos (azul):
Hablé con más detalle de las causas de estas anomalías gravitatorias en el artículo en cuestión, pero, en resumidas cuentas, existe una diferencia del 0,7% entre los puntos de la superficie terrestre donde la gravedad es más y menos intensa. Dicho de otra manera: si tu báscula marcase que pesas 100 kilos allí donde la gravedad es más intensa, mediría «sólo» 99,3 kilos si viajaras al punto donde la gravedad es menor.
Se me acaba de ocurrir una idea para una dieta milagro que estimulará mucho el turismo en el lugar con la gravedad más débil del mundo.
Bueno, a ver, voz cursiva, que la báscula marque un número distinto en dos lugares diferentes no significa que tu masa haya cambiado de verdad al moverte de un sitio a otro. Lo único que varía es la fuerza que ejerce tu cuerpo sobre el suelo en función de si la aceleración provocada por la gravedad aumenta o disminuye, pero tu masa sigue siendo la misma. O sea, que no vas a adelgazar por el hecho de mudarte a un lugar donde la gravedad es menor.
Vaya… Adiós a mi best-seller. Pero, oye, una diferencia del 0,7% tampoco me parece una cifra especialmente espectacular. ¿No hay ningún lugar del planeta donde la gravedad sea muchísimo más intensa?
Me alegra que lo preguntes, voz cursiva. La buena noticia es que ese lugar existe… Pero la mala es que no puedes llegar en coche, barco o avión, porque sólo se puede acceder a él excavando un agujero muy profundo.
Me explico.
Lo primero que debemos tener en cuenta para entender la cuestión que nos ocupa hoy es que el interior de la Tierra está dividido en dos «partes»: un núcleo metálico muy denso y un manto y una corteza rocosos más ligeros (como expliqué con más detalle en esta otra entrada).
Sabiendo esto, imaginemos que empezamos a excavar un túnel desde la superficie hacia el centro del planeta. ¿Cómo crees que variará la fuerza con la que la gravedad tira de nosotros «hacia abajo» a medida que nos adentramos en las entrañas de la Tierra, voz cursiva? ¿Aumentará o disminuirá?
Tenía entendido que el punto de un planeta donde la gravedad es máxima es su superficie, así que imagino que irá disminuyendo mientras nos acercamos al centro del planeta, ¿no?
Buen intento, pero no es el caso. Es cierto que la intensidad de la gravedad iría disminuyendo con la profundidad… Pero eso sólo ocurriría si todo el volumen interior de la Tierra tuviera la misma densidad.
Me vuelvo a explicar.
Estamos acostumbrados a pensar en la gravedad como una fuerza que «tira de las cosas hacia abajo y de manera perpendicular al suelo». Pero, en realidad, no es que la gravedad tenga especial predilección por el eje vertical. La gravedad tiende a acelerar nuestros cuerpos hacia el suelo simplemente porque, como vivimos sobre la superficie terrestre, toda la masa de la Tierra permanece siempre bajo nuestros pies y cada uno de los átomos que componen la fracción sólida de nuestro planeta tira de nosotros en la misma dirección. Todos esos tirones combinados resultan en la aceleración de 9,8 metros por segundo cada segundo (m/s2) que experimentamos sobre la superficie terrestre y que nos mantiene pegados al suelo.
Ahora bien, olvidémonos por un momento del núcleo denso y metálico de la Tierra. En su lugar, imaginemos todo el volumen del planeta tuviera la misma densidad y que empezamos a excavar nuestro agujero imaginario desde la superficie hacia el centro de la Tierra. A medida que la construcción del túnel avance, la masa de nuestro planeta dejará de encontrarse exclusivamente bajo nuestros pies. De hecho, la cantidad de material que tendremos por encima de nuestras cabezas irá incrementando a medida que la profundidad del agujero aumente. Como resultado, la gravedad generada por toda esa masa que tendremos encima de nosotros irá tirando de nuestros cuerpos hacia arriba con una fuerza cada vez mayor a medida que nos acerquemos el centro del planeta.
Por tanto, cuanto más cerca estemos del centro del planeta, más débil nos parecerá la fuerza que tira de nosotros «hacia abajo» porque la cantidad de masa que tendremos «encima» será cada vez mayor y su tirón gravitatorio «contrarrestará» cada vez más el de la masa que tenemos bajo nuestros pies. Es más, en cuanto alcancemos el centro del planeta ocurrirá algo muy curioso: como estaremos rodeados de la misma cantidad de masa en todas las direcciones, la gravedad que ejerce sobre nuestro cuerpo cada punto del planeta «anulará» la ejercida por el punto contrario… Y experimentaremos una sensación de ingravidez.
Vale, captado. ¿Y me quieres decir que esto no es lo que ocurriría en la vida real?
No exactamente, voz cursiva. Como he comentado, la densidad de la Tierra no es uniforme por todo su volumen porque nuestro planeta contiene un núcleo metálico que es muchísimo más denso que el manto y la corteza rocosos. Y eso nos descalabra por completo el modelo porque la magnitud de la gravedad que ejerce un objeto sobre nosotros no depende sólo de su masa, sino también de la distancia a la que se encuentra.
Por tanto, si cavamos un agujero en dirección al centro de nuestro planeta en la vida real, la gravedad generada por el material que tenemos sobre nuestras cabezas no bastará para «contrarrestar» el tirón gravitatorio cada vez más intenso que ejercerá sobre nosotros el núcleo metálico y denso de la Tierra a medida que nos acerquemos a él. O sea, que, en la vida real, la fuerza que tirará de nosotros en dirección al centro del planeta se mantendrá más o menos constante e incluso aumentará un poco a medida atravesamos el manto rocoso terrestre (en lugar de disminuir, como ocurría en el escenario del planeta con una densidad uniforme).
¡Ostras! ¿Y cuánto llega a aumentar la gravedad cerca del núcleo de la Tierra? ¿Cien veces más que en la superficie? ¿Un millón de veces más?
Tampoco nos flipemos, voz cursiva. El lugar del planeta donde la gravedad es más intensa es la frontera entre el manto rocoso y el núcleo metálico, a unos 3.000 kilómetros de profundidad. Una vez allí, tu cuerpo se vería acelerado hacia el centro del planeta («hacia abajo») a un ritmo de 10,7 m/s2, en lugar de los 9,8 m/s2 que experimentamos en la superficie. Eso significa que la cifra que marcaría tu báscula sería alrededor de un 9% mayor.
Bueno, reconozco que esperaba una cifra mucho más impactante, pero es una mejora respecto a la diferencia máxima del 0,7% que podemos notar en la superficie. Una última cosa, ¿en la vida real también notarías condiciones de ingravidez en el centro de la Tierra?
Ah, sí, no te preocupes. Eso no cambiaría. Aunque el interior de la Tierra no es homogéneo, en el centro del planeta seguirías teniendo más o menos la misma cantidad de masa tirando de ti en todas las direcciones y sentirías esa sensación de ingravidez. Si tienes curiosidad, en el siguiente gráfico aparece representada la intensidad de la gravedad que experimentarías a lo largo del interior de la Tierra:
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.
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.
Ya, claro, ¿y cómo podemos estar tan seguros de que no existe una superficie sólida sobre el horizonte de sucesos? ¿Es que alguien intentado entrar en un agujero negro para averiguarlo?
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.