Imaginemos que tiro una pelota al aire.
Al cabo de unos segundos va a caer
porque la fuerza de atracción de la gravedad va a hacer que caiga.
Si le imprimo mayor velocidad va a tardar más tiempo en caer
porque tiene más energía
y puede compensar mejor esa atracción de la gravedad.
Si yo le imprimo una velocidad de once kilómetros por segundo,
la pelota va a escapar al campo gravitatorio de la Tierra
y se va a perder en el espacio.
Es decir, hay una velocidad mínima tal
que la pelota tiene la suficiente energía
como para escapar del campo de la gravedad de la tierra.
Esta velocidad se llama velocidad de escape
y en la tierra es como unos once kilómetros por segundo.
En la Luna, por ejemplo, que el campo gravitatorio es menos intenso,
la velocidad de escape es menor, son como dos kilómetros por segundo.
La particularidad de un agujero negro
es que esa velocidad de escape son 300 mil kilómetros por segundo,
es decir, la velocidad de la luz.
Por tanto, puesto que nada en la naturaleza
puede superar la velocidad de la luz,
significa que nada va a poder escapar
el campo gravitatorio de un agujero negro, ni siquiera la luz.
Se produce un agujero negro cuando en una región del espacio,
la masa circundante por efecto de su atracción gravitatoria,
se concentra y se compacta de forma muy intensa.
Esa compactación de la masa, su resultado físico,
es la creación de un campo gravitatorio que es tan intenso
que nada puede escapar de él,
incluso la luz que viaja a la mayor velocidad posible.
Hay dos conceptos importantes
que tenemos que entender en relación a los agujeros negros.
En primer lugar, la gravedad que genera un agujero negro es enorme,
pero no lo devora todo.
Hay que acercarse a una distancia suficiente
que está determinada por el horizonte de sucesos.
Una vez que cruzamos esa distancia
va a ser imposible que nada escape del interior de un agujero negro,
ni siquiera la luz, pero no lo devora absolutamente todo;
material que esté más lejos: gases, estrellas...
pueden estar moviéndose tranquilamente
a una distancia segura,
en la que no necesariamente van a ser devorados por el agujero negro.
Es un devorador gigantesco, pero no lo devora todo.
Hay que acercarse lo suficiente.
El segundo concepto,
es que un agujero negro es un enorme generador de potencia.
A medida que va cayendo material que se va aproximando
al agujero negro,
va a ser calentado a temperaturas enormes de millones de grados,
lo que significa que va a emitir enormes cantidades de luz,
de manera que un agujero negro que tengamos en el centro de una galaxia,
el material que hay a su alrededor,
va a ser capaz de generar una luz equivalente a decenas,
incluso, cientos de galaxias.
Por tanto, es un enorme generador de potencia.
Tenemos que pensar
que la materia que hay en el interior de un agujero negro
ya no es una materia ordinaria
como puede ser la que está dentro de una estrella,
sino que está asociada a esa intensidad tan grande
del campo gravitatorio, en lo que se denomina una singularidad.
De forma sencilla, una singularidad,
es un punto en el espacio donde las leyes que supuestamente gobiernan
desde el punto de vista de la física, dejan de ser aplicables.
En el caso del agujero negro la física deja de ser aplicable
porque en el interior, justo en el centro del agujero negro,
las ecuaciones de campo, lo que define el campo, se hace infinito.
Un agujero negro se forma
como resultado de la muerte de una estrella de gran masa.
Las estrellas como, por ejemplo, nuestro Sol,
durante toda su vida están librando una batalla permanente
entre la fuerza de la gravedad,
que trata de hacerlas colapsar bajo su propio peso,
y mecanismos que las estrellas puedan activar
para compensar esa fuerza de la gravedad,
generar una fuerza que se oponga al colapso.
A lo largo de la vida activan distintas formas de generar energía
para poder mantener ese equilibrio.
Dependiendo de la masa de la estrella
los mecanismos que pueden activar son diferentes.
En el caso de las estrellas de mayor masa,
puesto que la gravedad es mas intensa,
necesitan generar mayor energía para evitar colapsar.
Esto significa que las reacciones
que tienen lugar en el interior de las estrellas,
que son reacciones nucleares, que liberan mucha energía,
van a consumir combustible a un ritmo muy rápido.
En los casos más extremos, de las estrellas enormes,
va a llegar un momento en que la estrella, en su interior,
se quede sin combustible.
Por tanto, no tiene una forma de combatir la atracción gravitatoria.
Va a llegar un momento, al final de la vida de esta estrella,
donde no va a haber ninguna fuerza
que sea capaz de compensar la gravedad
y se va a producir el colapso con el final de un agujero negro.
Lógicamente, los agujeros negros,
para muchos científicos son los objetos más fascinantes del Universo.
El primer científico que usó la palabra agujero negro
fue John Wheeler en 1967,
pero el hecho de que un objeto tan denso y masivo
sea capaz de impedir que nada escape de él
ya se conocía desde los inicios de la física newtoniana.
Pero es la relatividad general la que realmente predice
la existencia de los agujeros negros.
De tal forma que una estrella masiva cuando muere
porque su combustible se quema y se consume,
la materia se colapsa y crea un campo tan intenso
que nada puede escapar de él.
Ahí se está produciendo ya el agujero negro.
Hay agujeros negros que tienen una masa que llamamos estelares,
porque son el final de la vida de una estrella,
y hay otro tipo de agujeros negros que llamamos supermasivos
y que tienen masas gigantescas,
que pueden variar entre varios millones de veces la masa del Sol
y hasta 20 mil millones de veces la masa del Sol,
o sea, son agujeros negros gigantescos
que se encuentran en el centro de las galaxias.
Hoy sabemos que existe un agujero negro de masa enorme
en el centro de nuestra galaxia.
¿Cómo lo sabemos si un agujero negro no podemos verlo?
Lo que podemos hacer es observar
cómo se mueven las estrellas cerca del centro de la galaxia
y tratar de entender qué es lo que las hace moverse.
Por ejemplo, a medida que vayamos
acercándonos al centro de nuestra galaxia,
veremos que hay más y más estrellas.
Es una zona superpoblada.
Lo que podemos hacer y que se ha hecho es medir cómo las estrellas
más cercanas al centro verdadero de la galaxia se están moviendo,
tienen velocidades enormes, de millones de kilómetros por hora.
Nosotros sabemos que estas estrellas están describiendo unos caminos
que están definidos por la fuerza de la gravedad,
ejercida por esa masa que tenemos en el centro de la galaxia.
Vamos a tratar de inferir que cantidad de masa necesitamos
para explicar esas órbitas.
Cuando hacemos esto, llegamos a la conclusión
de que necesitamos una cantidad de masa equivalente
a cuatro millones de soles.
Podemos medir también el volumen donde está contenido,
y veremos que es un tamaño que es una pequeña fracción
del tamaño del sistema solar.
Por tanto, si en el sistema solar tenemos un sol,
en un volumen mucho menor,
tenemos que meter una masa equivalente
a cuatro millones de soles.
Esto significa que tenemos un agujero negro.
No conocemos nada, sólo los agujeros negros,
que tengan una concentración de masa tan enorme en un volumen tan pequeño.
Sabemos, por tanto, que nuestra galaxia, la Vía Láctea,
contiene un agujero negro, supermasivo, en su centro.
Sabemos también que, al igual que la Vía Láctea,
galaxias grandes, de una masa similar o mayor,
contienen agujeros negros en sus centros.
En la mayoría de estas galaxias
el agujero negro, digamos que está en estado latente.
Sabemos que está ahí, de forma indirecta,
pero no vemos signos de actividad relevante asociado con su presencia.
Pero existe una fracción de galaxias,
como un 10%, aproximadamente,
donde el agujero negro presenta una actividad frenética,
está siendo alimentado, está recibiendo combustible:
gas, estrellas... que lo están alimentando,
y asociado con este proceso de alimentación,
que llamamos "acreción del agujero negro"
se producen fenómenos extremos.
El material que se va aproximando,
que va a ir alimentando al agujero negro, antes de caer,
va a emitir enormes cantidades de luz,
de manera que el centro de una galaxia activa,
puede emitir, en un volumen muy pequeño,
tanta luz como decenas, incluso cientos de galaxias enteras.
Son las galaxias activas más extremas que llamamos cuásares.
Por tanto, en estas galaxias activas,
existen mecanismos de física extrema
que pueden inyectar enormes cantidades de energía
en el entorno que lo rodea.
Son las galaxias activas.
Aunque sean sólo un 10%, si todas las galaxias de gran masa
contienen agujeros negros en sus centros,
aunque estén en estado latente,
es posible que en algún momento de su existencia,
si reciben el alimento que necesitan,
ese agujero negro se active.
Por tanto, es posible, no lo sabemos,
pero una posibilidad es que esa actividad extrema
en el núcleo de las galaxias,
sea una fase quizá incluso inevitable
en la vida y evolución de las galaxias.
Hay dos ramas de la física
que se interesan especialmente en los agujeros negros.
Está la Física Teórica y la Astrofísica.
Para la Física Teórica,
como habíamos dicho que había una singularidad
en el interior del agujero negro,
el agujero negro es esencial en el sentido de que es un objeto
que permite la conjunción de la relatividad general
que gobierna a grandes distancias para cuerpos muy masivos,
con la Mecánica Cuántica
que gobierna la física de los tamaños más pequeños.
Entonces, la Física Teórica espera...
que un agujero negro de respuestas
a esa conjunción de la relatividad general
con la Mecánica Cuántica,
en lo que se denomina Gravedad Cuántica.
Por otro lado,
la Astrofísica se interesa en el estudio de los agujeros negros
desde el punto de vista de su evolución.
Estudia tanto los agujeros negros
que están producidos por el colapso de estrellas masivas
como los agujeros negros supermasivos
que se encuentran en el centro de las galaxias más masivas.
Estos agujeros supermasivos
se piensa que son responsables de la evolución inicial de la galaxia.
La masa del agujero negro de la Vía Láctea
tiene, aproximadamente, una milésima
de la masa que tendrían todas las estrellas de la galaxia,
si pudiéramos juntarlas.
Si hacemos esta medida en otras galaxias
veremos una relación parecida.
Es decir, la masa del agujero negro en el centro de las galaxias
está relacionada con la masa de la galaxia entera.
La masa del agujero negro está relacionada con otras propiedades,
a gran escala, de las galaxias.
Hay que explicar por qué.
Si pensamos en el radio de acción de la gravedad de un agujero negro,
es diminuto, comparado con el tamaño entero de la galaxia.
Es como si comparáramos el tamaño de una moneda de euro
con el tamaño de una gran ciudad.
Como decíamos, si comparamos también la masa
del agujero negro, es diminuta, comparada con la masa de la galaxia.
Por tanto, hay que explicar
por qué están relacionadas la masa del agujero negro
y las propiedades, a gran escala, de la galaxia.
Una idea importante que nos da este resultado
es que, de hecho, estos dos ingredientes se forman a la vez,
tanto el agujero negro como la galaxia,
se forman y evolucionan de una manera paralela.
Uno sabe del otro y viceversa.
Pero hay que explicar
cuál es el mecanismo que relaciona estos procesos.
Una posibilidad es...
que el agujero negro en esa galaxia en formación, que es rica en gas,
en material que está formando estrellas,
está dentro de un entorno
muy rico en combustible que lo va a alimentar.
Va a llegar un momento en que el agujero negro se active,
provoque estos mecanismos extremos
que van a inyectar grandes cantidades de energía en su entorno.
Por este mecanismo es posible que barra completamente el gas,
ese gas que lo está rodeando, que lo está alimentando,
que incluso se está utilizando por la galaxia para formar estrellas.
Esta energía lo puede barrer fuera de la galaxia,
de forma que si antes teníamos un entorno que era favorable
para mantener la actividad del agujero negro,
hacer que su masa crezca,
tenemos un entorno favorable para formar estrellas,
ahora se queda como un escenario yermo, inhóspito,
donde ya ni se forman estrellas ni puede crecer el agujero negro.
Si esto es así, significa que el propio agujero negro,
aunque sea diminuto,
es capaz de activar un mecanismo lo suficientemente energético
para regular su propio crecimiento
y el crecimiento de la galaxia entera,
y si esto es así, significa que el Universo tal y como lo conocemos,
es como es por la existencia de los agujeros negros.
Las galaxias de gran masa son como nosotros las observamos
por los mecanismos que han activado los agujeros negros
en alguna fase de su existencia.
Curiosamente Einstein, el propio Einstein,
digamos que desconfió de que su ecuación de campo,
de que su teoría diera lugar a una singularidad tan grande
como es un agujero negro.
Él suponía que era un objeto matemático, propio de la teoría,
pero pensó que no se podía producir en la Naturaleza.
Desde ese momento,
desde los inicios de la relatividad general hasta ahora,
se ha avanzado mucho,
es un camino muy fructífero en este sentido, en esta investigación,
y ha dado lugar a descubrimientos tan relevantes
como la detección de ondas gravitacionales recientes,
por la colisión de dos agujeros negros.
En septiembre de 2015 tuvo lugar un hito en la historia de la física,
fue la detección directa, por primera vez en la historia,
de las ondas gravitacionales.
Para entender qué es esto y las implicaciones,
tenemos que ponernos en la mente de Einstein.
Einstein nos hizo pensar de una manera diferente.
Nos dijo, nos enseñó con sus ecuaciones,
que el espacio y el tiempo no son algo rígido,
sino que es algo que se puede doblar,
que es modificado por la acción de la gravedad.
Imaginemos que tenemos una membrana elástica,
y en el centro ponemos un objeto pesado.
Este objeto va a deformar la forma del espacio,
de manera que si lanzamos una canica o cualquier otra cosa,
va a tener que seguir esta deformación que...
ha sido impresa por esta masa pesada.
Es la acción de la gravedad,
la gravedad modifica el tiempo y modifica el espacio,
y cualquier cosa, incluida la luz,
tiene que adaptarse a esa deformación.
Otra de las predicciones
de la teoría de la relatividad general de Einstein,
fue que una masa acelerada
va a imprimir unas deformaciones en el espacio
que se van a propagar, en forma de ondas gravitacionales,
a la velocidad de la luz.
Es como si lanzáramos una piedra a un estanque,
y esas ondas se propagan por la superficie del agua.
Es un ejemplo que nos puede ayudar a entenderlo.
Estas ondas gravitacionales habían sido predichas,
había habido una detección inferida de manera indirecta hace ya años,
pero la detección directa todavía no había tenido lugar,
y esto tuvo lugar en septiembre del 2015.
Se realizó por el experimento LIGO,
y, como digo, es un hito revolucionario porque...
además, las propiedades de estas ondas han permitido inferir
que fueron generadas por dos agujeros negros en colisión,
dos campos gravitatorios extremos, en colisión,
que han provocado esta deformación del espacio
que hemos sido capaces de detectar en forma de ondas gravitacionales.
Por tanto es... otra evidencia directa
de la existencia de los agujeros negros en el Cosmos.
Con esta detección del experimento LIGO se abre
toda una nueva aventura de investigación en la Física,
porque se han invertido muchísimas décadas,
mucho esfuerzo en desarrollar la tecnología necesaria
para poder detectar estas ondas gravitacionales, se ha conseguido,
de hecho, en junio del 2016, ha habido una segunda detección
y ahora queda... mejorar esa tecnología,
hemos aprendido como detectarlas,
ahora nos queda mejorar esa tecnología,
las herramientas de análisis de datos
para poder identificar nuevas señales
que vengan de diferentes lugares del Cosmos
y seguir avanzando en nuestra comprensión
de los agujeros negros y del Cosmos en general.