Agujeros negros y viajes intergalácticos

Si te digo que pienses en cuales son los objetos o conceptos, más empleados en las películas y libros de ciencia ficción, ¿Cuáles se te ocurren? Seguro que entre ellos aparecen los viajes en el tiempo o los universos paralelos, con la idea de multiverso tan reiterada últimamente en el cine. Pero si te pregunto sobre objetos reales y no sobre hipótesis aún sin demostrar, seguro que la primera idea que te viene a la mente es la de agujero negro. Si atendemos a aquello que dicen los escritores y guionistas de ciencia ficción, sobre los agujeros negros, suelen repetir la idea de una pequeño orificio en el continuo espacio-tiempo, que muestra una salida en otra región del universo. Sin embargo, no está muy claro el medio con el que se elige el destino, si es que esto está permitido, por lo que su empleo como método para el viaje espacial no resulta muy eficiente. Lamentándolo mucho por los aficionados al turismo galáctico, los agujeros negros no funcionan así. Pero, ¿Cómo funcionan?

Aunque el concepto de agujero negro tenga más de dos siglos de antigüedad, el nombre proviene de 1967 por la mano del físico John Wheeler, pero la idea es mucho más antigua. En 1783 John Michell, planteó el siguiente experimento mental: Si lanzamos una bala de cañón verticalmente, ésta irá reduciendo su velocidad por la acción de la gravedad, hasta detenerse y volver a caer. Sin embargo, si esta velocidad es lo suficientemente elevada, la bala conseguirá superar la atracción gravitatoria y continuará alejándose de la Tierra. En el caso de nuestro planeta, esta velocidad (conocida como velocidad de escape) es de 11,2 km/s y en el caso del sol 160 km/s, velocidades nadas desdeñables, pero que distan mucho de la velocidad de la luz (300.000 km/s). Es decir, la gravedad no afecta en gran medida a la luz, y es por ello por lo que la luz escapa del sol (y de otras estrellas) y es posible observarla a grandes distancias. En base a esta idea, Michell especuló sobre la existencia de una estrella, con una masa suficientemente grande y un tamaño suficientemente pequeño (una muy elevada densidad), como para que su velocidad de escape fuese superior a la de la luz. Lógicamente, no podremos detectar esta estrella, ya que su luz quedaría retenida, y no nos llegaría; no obstante, podríamos detectar su presencia en base al efecto generado por su campo gravitatorio en la materia presente alrededor. Al principio se pensó que si la luz viaja a una velocidad constante, ¿Cómo es que la gravedad puede alterar su velocidad? Einstein ya explicó (con la relatividad) como la luz se vería afectada en estos casos. En la teoría general de la relatividad (1915) Einstein propuso que el espacio y el tiempo forman un espacio cuatridimensional denominado espacio-tiempo. Este espacio, se encuentra curvado y distorsionado por la presencia de masa y energía, que se puede verificar al analizar cómo la luz, proveniente de otras estrellas, sufre una curvatura cuando pasa por las inmediaciones del sol. Como el sol muestra un tamaño relativamente grande, los haces de luz únicamente desvían ligeramente su trayectoria, pero sí la enorme masa del sol, estuviese concentrada en una esfera de unos pocos kilómetros de radio, la curvatura de la luz, sería tan grande que no podría escapar. Como nada puede viajar más rápido que la luz, nada podría escapar de esta región de enorme densidad a la que se denominó agujero negro. De esta forma, existiría una región exterior del agujero, en la que se encontrase la luz que no consigue escapar y se situase en el borde, a esta región se la conoce como horizonte de sucesos. Aun así, siguen quedando muchas dudas sobre estos masivos objetos, por ejemplo, ¿Cómo es posible que un cuerpo tan masivo se contraiga para alcanzar una densidad tan elevada?

Como me imagino que sabrá la mayoría, el sol está continuamente fusionando átomos de hidrógeno y convirtiéndolos en helio, reacción que libera enormes cantidades de energía y que es la responsable de la temperatura y luminosidad del sol. Además, este calor (o energía) genera una presión hacia fuera que contrarresta los efectos de la atracción gravitatoria (hacia dentro), pero a medida que el sol agote su combustible, empezará a perder calor, y la fuerza gravitatoria superará la acción de la energía producida, comenzando un proceso de contracción, hasta alcanzar un nuevo estado estable. Entre estos posibles estados estables, encontramos el llamado enana blanca, con un radio de unos miles de km y una densidad de unos centenares de toneladas por centímetro cúbico; o la estrella de neutrones, con un radio de unos 15 km y una densidad de millones de toneladas por centímetro cúbico. Las estrellas de neutrones, fueron nombradas en base a unos objetos denominados púlsares, que emitían vibraciones regulares de ondas de radio. Al principio se creía que eran civilizaciones extraterrestres enviando señales, pero luego se concluyó que se trataban de estrellas de neutrones en rotación. Si una estrella puede contraerse hasta unos 15-20 km de diámetro, ¿por qué no iba a contraerse más hasta formar un agujero negro?

Las estrellas con una masa dos veces superior a la del sol, no pueden acabar formando una enana blanca o una estrella de neutrones, algunas estallarán (supernova) y emitirán materia haciendo que tengan una masa inferior al límite; pero otras, podrán seguir contrayéndose, hasta que ni la luz pueda escapar de su atracción gravitatoria. Estas estrellas son las que se convertirán en agujeros negros. Como las leyes de la física son simétricas en el tiempo, si existen objetos donde las cosas caen pero no pueden salir (agujeros negros), también deberían existir objetos donde las cosas salen pero no pueden caer (agujeros blancos). Estos objetos representan las salidas que los escritores de ciencia ficción imaginaron, y lo cierto es que en las ecuaciones de Einstein existen soluciones en las que al caer por un aguero negro se sale por un agujero blanco. Pero investigaciones posteriores, demostraron que son soluciones muy inestables, y que una mínima perturbación (la presencia de una nave espacial) podría desbaratar el “túnel” por mucho que les pese a los viajeros interestelares. Otro punto de controversia entorno a los agujeros negros, radica en como Stephen Hawking (autor del libro en el que se basa el artículo) determinó que estos objetos emitian radiaciones y partículas aun ritmo constante; ¿cómo es esto posible si nada escapa a la gravedad de un agujero negro?

Para poder responder a esta pregunta, se debe recordar que uno de los retos más complejos al que se enfrenta la física moderna, es establecer una relación entre la mecánica cuántica (de lo pequeño) con la relatividad general (de lo grande). Por ello, en base al principio de indeterminación de Heisenberg, las partículas en distancias cortas, pueden adquirir una velocidad superior a la de la luz, permitiendo que partículas y radiaciones escapen al horizonte de sucesos. A medida que el agujero realiza estas emisiones, irá perdiendo masa. Esto hará que se empequeñezca y lance partículas con mayor rapidez, hasta que su masa se convierta en cero. ¿Qué ocurrirá con los objetos que cayeron en un inicio en el agujero negro? Pues la teoría de Hawking, se basa en que estos objetos irán a parar a un universo propio. Un universo diminuto encerrado en sí mismo y separado de nuestra región del universo. Este universo, tendrá la capacidad de unirse de nuevo a nuestra región, presentándose como un nuevo agujero negro. De esta forma, las partículas que cayesen en un agujero negro, serían emitidas por otro y vice versa. Lo cual vuelve a generar la idea de viajes intergalácticos.

Este sistema de transporte intergaláctico, muestra una serie de inconvenientes: los pequeños universos a donde van a parar las partículas que entran en el agujero negro, corresponden a lo que se llama tiempo imaginario. Por ello, un astronauta que entrase en el agujero, además de quedar literalmente desgarrado por la diferencia de gravedad entre sus piernas y su cabeza, su historia, en tiempo real, concluiría en la singularidad; pero sus partículas continuarían la historia en un tiempo imaginado. Luego estas partículas tras su paso por el pequeño universo, emergería como partículas en otro agujero negro, pero tendrían poco que ver con el astronauta que un día representaron. Por lo tanto, se puede concluir que los agujero negros ofrecen una serie de ventajas a la hora de plantearse los viajes interestelares, pero jamás se convertirán en una solución para estos problemas.

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