Los agujeros negros crecen conforme se expande el universo

Por Julio García G. / Periodista de Ciencia

Una de las predicciones más relevantes de la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein es la existencia de ondas de gravedad, de las que se tuvo evidencia empírica el 11 de febrero de 2016 gracias al Observatorio de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés), el cual está situado en dos áreas geográficas de Estados Unidos: en los estados de Luisiana y Washington.

Las ondas de gravedad u ondas gravitacionales se producen, entre otras razones, cuando dos o más cuerpos de gran masa, como por ejemplo un par de agujeros negros, colisionan y generan fuertes ondulaciones en la estructura del espacio-tiempo. Algo parecido a cuando tiramos una piedra a un lago y el choque entre la piedra y el agua genera una serie de ondas que van alejándose de su fuente para posteriormente dispersarse hasta que son detectadas.

En el caso de las ondas que se producen en el lago, su detección se realiza a través de los fotones de luz que viajan del objeto a nuestra retina, mientras que las ondas de gravedad son detectadas a través de sofisticados instrumentos como aquellos que se encuentran en el Observatorio LIGO, los cuales son capaces de medir las pequeñas fluctuaciones que se producen en el tejido espacio-temporal.

Esto lo traigo a colación porque, el pasado tres de noviembre, en la revista The Astrophysical Journal Letters, apareció publicado un artículo en el que sus autores proponen que la expansión del universo impacta directamente en el incremento de su tamaño.

El trabajo está firmado por cinco investigadores pertenecientes a importantes instituciones estadounidenses como la Universidad de Hawái en Manoa, la Universidad de Chicago y la Universidad de Michigan.

No hace mucho tiempo, los físicos pensaban que los agujeros negros no podían tener masas mayores a cuarenta veces la masa del Sol, debido a que los agujeros negros que se fusionan surgen de estrellas masivas que no pueden mantenerse juntas si crecen demasiado. Sin embargo, el observatorio LIGO demostró que, en realidad, existe un gran número de éstos con masas superiores a cincuenta veces la masa del Sol e inclusive los hay tan masivos que pueden llegar a tener masas superiores a cien soles.

Hasta el día de hoy, los científicos han propuesto un sinnúmero de escenarios de formación para producir agujeros negros de gran tamaño, de masas superiores a cien soles, sin embargo, ningún escenario de los propuestos hasta ahora ha sido capaz de explicar la diversidad de fusiones que se pueden producir. Por tal motivo no existe un acuerdo respecto a qué combinación de escenarios de formación es más viable.

¿Pero cómo se forman este tipo de agujeros negros?

Los agujeros negros de masa estelar se forman cuando una estrella con una masa de treinta a setenta veces la masa del sol se convierte en supernova y entonces implosiona.

Ello significa que toda la materia de la que un astro estaba formado se concentra en un espacio muy pequeño, por lo tanto, el tejido del espacio-tiempo tiende a deformarse tan pronunciadamente, que impide que ni siquiera la luz, que viaja a 300,000 kilómetros por segundo, pueda escapar.

Y si ni siquiera la luz puede escapar de un agujero negro, ¿cómo hacen los científicos para saber que existen?

Gracias a las ondas de luz, los investigadores pueden determinar que el universo está plagado de miles de millones de estrellas porque estas ondas (las cuales son producidas por el núcleo incandescente de los astros) viajan de un punto a otro del cosmos y son fácilmente detectables mediante telescopios y radiotelescopios que se encuentran en la superficie de la Tierra; o en otros sitios tales como la órbita de nuestro planeta.

Observatorio de Ondas Gravitacionales (LIGO) en Livingston, Lusiana, Estados Unidos. Imagen: Caltech

Por su parte, los agujeros negros, como no emiten ningún tipo de luz ni de radiación, solamente pueden ser detectados a través de las ondas de gravedad que generan. Cuando dos agujeros negros se fusionan emiten tanta energía en forma de ondas gravitatorias, que es relativamente fácil observar dichas ondas a través de instrumentos como los que posee el Observatorio LIGO.

Lo que plantea la investigación de The Astrophyisical Journal Letters

Debido a que los científicos no podían explicar con absoluta certeza cómo es que los agujeros negros que se fusionan pueden incrementar su tamaño, resolvieron que lo mejor era crear modelos por computadora para llegar a una respuesta. Y a partir de dichos modelos han resuelto que el incremento inexplicable de masa en los agujeros negros es producto de cómo el universo se expande.

Y resolvieron la interrogante a partir del llamado acoplamiento cosmológico. Este acoplamiento hace referencia al hecho de que la luz, conforme el universo se expande, pierde energía. De ahí que las galaxias que se encuentran más alejadas de nosotros tengan un corrimiento hacia el rojo porque la luz que nos llega de ellas va perdiendo energía conforme se alejan.

Por el contrario, los agujeros negros ganarían energía conforme el universo se expande. Y, si ganan energía, entonces pueden incrementar también su tamaño.

Además, el nuevo modelo –aunque no es definitivo­– sí es de gran relevancia porque no requiere de ningún cambio sobre nuestra comprensión actual con respecto a la formación, evolución y muerte estelar.

Agujero Negro Supermasivo en la galaxia M87. Imagen: Chandra X-Ray Observatory/Harvard

También, podría ayudar a resolver asuntos clave relacionados con la formación de agujeros negros supermasivos (con masas de millones de veces la masa del Sol), los cuales se encuentran en el centro de muchas galaxias.

Respecto a por qué el acoplamiento cosmológico funciona de diferente manera cuando se trata del comportamiento de la luz a cuando se aplica al comportamiento de los agujeros negros, es un misterio.

Y es un misterio porque, de acuerdo con el segundo principio de la termodinámica, todos los fenómenos físicos tienden no solamente a ser irreversibles, sino que también hay una tendencia a que los sistemas se desordenen y –si se encuentran calientes– a que se enfríen conforme pasa el tiempo. A ello se le llama entropía.

La luz, por ejemplo, evidentemente no tiende a enfriarse, pero sí pierde energía conforme el universo se expande. En el caso de los agujeros negros, éstos parecen ganar masa y por tanto energía en la medida en que el cosmos se hace más grande. Por lo tanto, este hecho resulta un tanto contradictorio y paradójico porque violaría los preceptos del segundo principio de la termodinámica. Si éstos pueden ser violados, ¿estaríamos ante un descubrimiento mayor respecto a cómo funciona el universo y, particularmente, los agujeros negros?

La investigación publicada en The Astrophysical Journal Letters puede consultarse completa en el siguiente enlace: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac2fad