Escrito tomado de una entrevista al cosmólogo Pau Figueras donde se le preguntó todo lo que quieres saber acerca de los Agujeros Negros. Explica qué son los agujeros negros, físicamente, y cómo esperamos observarlos.
Puedes leer la primera parte de la entrevista, donde explica qué son los agujeros negros físicamente, y cómo esperamos observarlos. En esta segunda parte de la entrevista, explica cómo la teoría de Einstein predice su existencia, y cómo describirlos matemáticamente.
¿Cómo fueron predichos los primeros agujeros negros?
Einstein publicó su teoría general de la relatividad a finales de 1915, y sólo unos meses después, a principios de 1916, Karl Schwarzschild encontró la primera solución de las ecuaciones de Einstein. Esta solución describe el campo gravitatorio de un cuerpo esféricamente simétrico: un agujero negro. [Por solución se entienden algunos valores para las variables que describen la curvatura del espacio-tiempo y la distribución de la materia que satisfacen las ecuaciones de Einstein].
En esa época no se entendía que esa solución correspondía a un agujero negro. De hecho, incluso en los años treinta, las mentes más grandes de la época, incluyendo al propio Einstein, despreciaban la idea de un agujero negro porque contenía una singularidad, es decir, un lugar donde la curvatura es tan grande, que incluso la relatividad general se 'rompe'. Le tomó casi 50 años entender realmente lo que es un agujero negro, y esto se logró hasta los años sesenta.
La relatividad general afirma que los objetos masivos curvan el espacio-tiempo. ¿Cómo afectan los agujeros negros la curvatura del espacio-tiempo?
La fuerza del campo gravitatorio se mide en términos de la curvatura. Y debido a que los agujeros negros son muy masivos y muy pequeños, su gravedad es muy fuerte, lo que crea una curvatura muy grande del espacio-tiempo.
Una forma de caracterizar la curvatura es algo llamado el radio de Schwarzschild:
![\[ R_ s = \frac{2 G_ N M}{c^2} \]](https://plus.maths.org/MI/380b25d1a42724ce7aa72dbf8d1146ea/images/img-0001.png) |
es la constante de gravitación de Newton, 
es la masa del objeto y 
es la velocidad de la luz.
El radio de Schwarzschild es, más o menos, el tamaño que un objeto dado, con una masa dada, debe tener para que sea un agujero negro. Por ejemplo, si conseguimos concentrar toda la masa de la Tierra en una esfera de un radio de unos pocos centímetros, entonces ese objeto sería un agujero negro.
Por supuesto sabemos que esto no puede suceder porque hay otras fuerzas en la naturaleza que lo previenen, pero en otras circunstancias puede suceder. Por ejemplo, cuando las estrellas masivas se quedan sin combustible nuclear, se enfrían y colapsan, y en algún momento se hacen lo suficientemente pequeñas para que la masa entera quepa dentro del radio de Schwarzschild - por lo tanto, forman un agujero negro.
Por ejemplo, el radio Schwarzschild del Sol es del orden de unos pocos kilómetros. Así que si conseguimos concentrar toda la masa del Sol en una esfera de pocos kilómetros, entonces sería un agujero negro.
¿Puede usted determinar un agujero negro, con apenas algunas características, tales como masa y tamaño?
Una de las razones por las que los agujeros negros son tan importantes en nuestra comprensión de la relatividad general es debido a su simplicidad - porque están hechos de los bloques fundamentales de la teoría, es decir, el espacio y el tiempo. Son muy simples y por lo tanto podemos entenderlos.
Esto contrasta con otros objetos gravitacionales, tales como estrellas. Con el fin de comprender una estrella, además de tener en cuenta la relatividad general, también es necesario comprender la física nuclear para dar cuenta de las reacciones nucleares y la física del plasma para entender el transporte de calor dentro de la estrella. Esto se vuelve muy complicado y, con frecuencia, nos llevan a estudiar estos objetos dentro de ciertas aproximaciones.
Vista simulada de un agujero negro.
Imagen: Alain Riazuelo.
No tenemos que hacer esto con los agujeros negros ya que sólo están hechos de espacio y tiempo, por lo que tenemos una comprensión completa de ellos usando nuestra teoría, no necesitamos más física. Esta simplicidad se traduce en el hecho de que sólo se describen en términos de muy pocos parámetros.
En el caso de vacío [?], Si el agujero negro es estático, entonces debe ser esférico y sólo hay un parámetro que caracteriza el agujero negro, es decir, su masa. Sin embargo, los objetos en la naturaleza, tal como las estrellas, giran, por lo que los agujeros negros que ocurren en la naturaleza deben tener cierta rotación.
La solución de Schwarzschild se encontró unos meses después de que Einstein publicara su teoría, pero tardó otros 50 años en encontrar la solución general que considera la rotación y es relevante para describir los agujeros negros que podríamos encontrar en la naturaleza. Esta solución de Kerr está descrita por sólo dos parámetros: la masa y el giro del agujero negro. Con estos dos parámetros se pueden caracterizar completamente todos los agujeros negros en la naturaleza y no necesitamos hacer ninguna aproximación para entender esos objetos. Es por eso que son tan importantes.
En cierto sentido, los agujeros negros no son diferentes de las partículas elementales, descritas en la física de partículas, donde sólo necesitamos especificar algunos parámetros para describirlos. Lo mismo ocurre con los agujeros negros - ellos son las partículas elementales de la relatividad general.
¿Son los agujeros negros el mayor misterio abierto de la relatividad general?
Sí. Los agujeros negros son una predicción de la relatividad general y sabemos de varios casos en la naturaleza donde pensamos que deberían existir, pero aún no los hemos detectado. Así que sigue siendo una pregunta abierta el hecho de si existen o no, o si tienen las propiedades que la relatividad general predice. [Hay que considerar que después de esta entrevista se ha descubierto evidencia de agujeros negros. Mira aquí.]
Esto es importante porque la mayoría de las pruebas de relatividad general implican situaciones en las que la gravedad es débil o relativamente débil. Por ejemplo, hemos probado la flexión de la luz, la precesión del perihelio de Mercurio.
La detección de agujeros negros sería importante porque las señales que obtendríamos, es decir, las ondas gravitatorias, serían generadas en regiones donde la gravedad es muy fuerte. Esto, nos permitiría probar el régimen de campo fuerte de la relatividad general, algo que no hemos podido hacer hasta ahora. Esto pondría pruebas muy fuertes sobre la relatividad general, por lo que es muy importante que observemos agujeros negros ya que las observaciones nos abrirían una ventana completamente nueva a la relatividad general.
