superradiancia de agujeros negros

Un espejo que vuela a casi cuarenta mil kilómetros por segundo. La luz que incide sobre él rebota, pero ya no es la misma: como una pelota que es devuelta por una raqueta en movimiento. Ese espejo es lo que los científicos han construido dentro de una finísima hebra de vidrio rellena de hidrógeno.

Una peonza gira tan rápido que el aire a su alrededor comienza a moverse al unísono. Algo similar hace un agujero negro: si rota, puede transferir su energía a las partículas que se encuentren cerca. Este proceso se llama superradiancia — se parece a un eco en las montañas, pero en lugar de sonido, se crean nuevas partículas.

Un agujero negro no es solo una aspiradora cósmica. Si rota, puede amplificar las ondas a su alrededor, como un eco de montaña que repite el sonido. Para la materia oscura ultraligera (partículas miles de millones de veces más ligeras que el electrón), este efecto, llamado superradiancia, podría crear una nube enorme.

Un agujero negro no es una bolsa completamente negra. En 1974, Stephen Hawking demostró que brilla: débilmente, pero de forma continua. Esta radiación no nace en el interior, sino en el exterior, justo en el borde del que ni siquiera la luz escapa. El nuevo trabajo afina la imagen.

Una piedra cae en aguas tranquilas y se extienden círculos por la superficie. Algo parecido le ocurre a un agujero negro cuando algo cae en él o cuando se fusiona con otro. El agujero comienza a oscilar y esas oscilaciones se escapan al espacio en forma de ondas gravitacionales. Los astrofísicos llaman a este proceso el «tañido» del agujero negro.

Cuando dos agujeros negros se fusionan en la lejanía, nos llega un temblor del espacio: las ondas gravitacionales. Normalmente se describen con las ecuaciones de Einstein, pero ¿y si en las distancias más diminutas la gravedad funcionara de otra manera?

La agonía de un agujero negro solitario dura una eternidad. Pero en los últimos instantes, cuando la masa se evapora según la ley descubierta por Stephen Hawking, alcanza a enviar una señal de despedida en forma de ondas de radio. No un susurro cuántico, sino un zumbido clásico, siempre que haya un campo magnético cerca.

En los centros de galaxias lejanas a veces se encienden "faros" de rayos X. No parpadean de forma caótica, sino con estricta regularidad: una vez cada varias horas o días. Estos estallidos se denominan erupciones cuasiperiódicas (repeticiones casi a intervalos regulares).

En los primeros instantes tras el Big Bang, había casi la misma cantidad de materia y antimateria. Pero algo rompió el equilibrio; de lo contrario, todo se habría aniquilado en radiación y el mundo habría quedado vacío. Uno de los candidatos a 'rompedor' son los neutrinos diestros superpesados.

En el universo temprano pudieron nacer diminutos agujeros negros: con masa de una montaña, pero del tamaño de un núcleo atómico. Hoy podrían servir como fábricas de materia oscura. Hay dos mecanismos: la evaporación habitual (radiación de Hawking) y la menos conocida superradiancia.

El foco está en un agujero negro con dos fronteras de no retorno: los horizontes externo e interno. Más allá del horizonte externo, el espacio y el tiempo intercambian sus roles, pero el camino aún no ha terminado. Más adentro, en el horizonte interno, la gravedad prepara una nueva sorpresa.

La luz atraviesa una película arrugada y sale ligeramente diferente. De manera similar, las ondas gravitacionales nacidas en el universo temprano sienten la distribución grumosa de galaxias y materia oscura.

Cuando un piano cae a un abismo, pensamos en el abismo. En que el piano lleva funda, no. De manera parecida, durante décadas los astrofísicos han observado los acercamientos extremos de cuerpos pequeños a agujeros negros grandes. Les interesaba el propio agujero negro y lo que gira a su alrededor.

En el centro de casi todas las galaxias grandes habita un agujero negro supermasivo: un gigante silencioso alrededor del cual orbitan estrellas, gas y otros agujeros negros más pequeños. De vez en cuando, uno de estos objetos se desvía de su órbita y comienza a caer hacia el monstruo central en una espiral cada vez más cerrada.

Si un agujero negro gira rápidamente, puede retener a su alrededor una nube de partículas ultraligeras, tan ligeras que su masa casi desaparece. Juntas se organizan en capas, como los electrones en un átomo, pero en lugar de fuerzas eléctricas, actúa la gravedad. Esta estructura acumula energía como un resorte tensado.

Las ondas gravitacionales son vibraciones del propio tejido del espacio-tiempo, similares a las oscilaciones de una gigantesca cuerda cósmica.

Los fuelles de herrero avivan el fuego expulsando aire bruscamente. En el espacio, ese papel lo desempeña la onda de choque de una supernova — concepto introducido por Fritz Zwicky: alcanza la gigantesca burbuja de partículas cargadas y campos magnéticos formada alrededor de una estrella…

Las ondas gravitacionales — el temblor del cosmos provocado por cataclismos lejanos — son tan débiles que captarlas es como escuchar un susurro en medio de un huracán. Pero un agujero negro puede amplificarlo muchas veces.

En la imagen tradicional, un agujero negro es un abismo sin rostro en el espacio-tiempo. Pero si a su alrededor vibra una envoltura de materia, el hueco entre el borde del abismo y esa envoltura se convierte en una cavidad resonante.

Una peonza gigantesca gira tan rápido que el propio espacio a su alrededor se enrolla en espiral. Eso es un agujero negro: en lugar de madera y metal, está hecho de pura gravedad. Añadámosle un campo electromagnético inusual que altera ligeramente las reglas del juego.

Un columpio se balancea cada vez más fuerte si lo empujas al ritmo adecuado. Un mecanismo similar se activa cuando una estrella muerta orbita un agujero negro masivo envuelto en una nube de partículas ultraligeras. Estas partículas son candidatas a materia oscura (la sustancia invisible que mantiene a las galaxias unidas).

Una pareja de patinadores gira tomados de la mano. Si la trayectoria es un círculo perfecto, cada empujón del compañero es predecible. Pero si se alarga hasta convertirla en un óvalo, los esfuerzos se vuelven desiguales: al acercarse, un tirón; al alejarse, una pausa. Más o menos así se comportan dos agujeros negros en los últimos minutos antes de fusionarse.

El agua que fluye por una tubería puede convertirse en una trampa para el sonido. Si la velocidad de la corriente supera la velocidad del sonido en el agua, las ondas sonoras que intentan ir contra la corriente ya no pueden escapar: son arrastradas, como la luz tras el horizonte de un agujero negro.

Un diapasón, al comenzar a sonar, hace vibrar las cuerdas vecinas. De manera similar se comporta una nube de partículas ultraligeras (también llamadas axiones) alrededor de un agujero negro en rápida rotación.

Un estallido de rayos gamma es un destello de luz breve pero extremadamente potente, que se produce cuando se fusionan estrellas de neutrones o cuando colapsa una estrella masiva. Dentro de ese destello, chorros de plasma se mueven a velocidades enormes y chocan entre sí.

Los diminutos agujeros negros que surgieron justo después del nacimiento del universo deberían evaporarse, desprendiendo masa en forma de partículas invisibles. Esto fue predicho por Stephen Hawking, y esta «evaporación de Hawking» contribuyó a la expansión del joven cosmos.

Los agujeros negros no son abismos silenciosos, sino diapasones naturales. Su rápida rotación, predicha por Roger Penrose, hace cantar al propio espacio-tiempo, generando una corriente de las partículas más ligeras: los axiones.

El Big Bang fue como un trueno cósmico que hizo vibrar el tejido del espacio. Estas vibraciones — ondas gravitacionales — aún resuenan por el Universo, como un eco de aquel lejano evento. Cuanto más fuerte fue la 'explosión' original, más agujeros negros primordiales deberían haberse formado.

Muchos átomos pueden actuar como una orquesta coordinada: si cada uno emite luz al unísono con los demás, el destello resulta muchas veces más brillante. Esto es la superradiancia, un fenómeno bien estudiado en laboratorios, pero casi no se había buscado en el espacio.

La luz de una lámpara común es un caos: los fotones salen disparados en todas direcciones, sin orden alguno. Pero si se consigue que muchos átomos emitan luz simultáneamente y al unísono, se obtiene un destello corto y potente, como los aplausos que de palmadas individuales se convierten en una salva única. Esta emisión coordinada se llama superradiancia.

El agujero negro del sistema binario V4641 Sagitario se comporta como una batidora gigante. Atrae materia de la estrella vecina y la expulsa de vuelta al espacio en dos chorros estrechos. Estos chorros golpean el gas circundante como un chorro de agua contra la arena y, poco a poco, excavan una cavidad enorme alrededor del agujero.

La Luna no es simplemente una bola de roca, sino una campana gigante. Al atravesarla, las ondas gravitacionales la hacen vibrar casi imperceptiblemente. Este temblor fue predicho por Einstein, y Weber fue el primero en intentar escucharlo con detectores terrestres.