átomo gravitacional

Un armazón invisible mantiene unidas las galaxias, impidiendo que se dispersen. Es la materia oscura, una sustancia que no brilla y casi no interactúa con la materia ordinaria. Los astrofísicos llevan tiempo debatiendo de qué está hecha.

En el lejano cosmos existe un objeto hipotético: un agujero negro ultrafrío. Está cargado y se encuentra en un universo en expansión (espacio de Sitter). Su temperatura está cerca del cero absoluto, aproximadamente una billonésima de grado por encima de él.

El mundo que nos rodea es tridimensional, pero quizá sea solo una apariencia. Algunas teorías admiten que el espacio contiene dimensiones adicionales, plegadas o estiradas de manera especial. Uno de esos modelos dibuja un universo de cinco dimensiones con una dimensión "diluida" (llamada dilatón lineal).

En el centro de un agujero negro ordinario, según las ideas clásicas, se esconde una singularidad: un punto de densidad infinita donde las leyes de la física dejan de funcionar. Pero algunas teorías inspiradas en la dualidad de la teoría de cuerdas proponen sustituir ese punto por una diminuta región «difuminada».

El interior de un agujero negro está formado por capas, como una cebolla. En el nuevo modelo, en lugar de un punto infinito en el centro, hay tres regiones: un núcleo denso, una capa de transición y una corteza justo bajo el horizonte. Todas surgen de un único campo que interactúa consigo mismo.

Un agujero negro se parece a una habitación perfectamente oscura: desde fuera no se ve lo que hay dentro, y quien cruza el umbral parece desaparecer para el mundo exterior. Pero, ¿qué siente el propio observador en caída? En la física clásica, nada especial: el horizonte de sucesos no está marcado con ningún cartel.

En el centro de la Vía Láctea, donde reina sin rival el agujero negro supermasivo Sagitario A* (cuya métrica fue obtenida por primera vez por Karl Schwarzschild), la estrella S4714 emprende un viaje vertiginoso.

En 1933, Fritz Zwicky habló por primera vez de una masa invisible que mantenía unidos los cúmulos de galaxias. Décadas después, Vera Rubin trazó el mapa de la rotación galáctica, revelando la presencia fantasmal de la materia oscura.

El foco está en un agujero negro, pero no uno cualquiera. Lleva un monopolo magnético y está rodeado por un dilatón: un campo que desdibuja los límites habituales del espacio. Los autores comprobaron cuán estable es este sistema frente a sacudidas térmicas.

La paradoja de los agujeros negros ha atormentado a los físicos durante décadas. Si el agujero desaparece, ¿a dónde va su contenido? Los descubrimientos de Stephen Hawking y Jacob Bekenstein demostraron que para salvar las leyes de la naturaleza se requiere un movimiento no convencional.

Dos agujeros negros giran en una danza lenta, acercándose gradualmente. Su movimiento perturba el propio espacio-tiempo, como si dos bolas pesadas rodaran sobre una sábana tensa, haciéndola vibrar. A estas vibraciones las llamamos ondas gravitacionales.

Un agujero negro no es solo una mancha oscura en el cielo. Su sombra se proyecta sobre el fondo luminoso de la materia que cae y guarda la huella de la propia geometría del espacio. Si la gravedad está organizada de manera un poco diferente a lo que estamos acostumbrados a pensar, la sombra lo delatará.

En el centro de muchas galaxias se esconde un halo invisible de materia oscura que mantiene a las estrellas en los bordes, impidiendo que se dispersen. Durante mucho tiempo se describió como un gas tenue de partículas, pero un nuevo trabajo propone una visión diferente: la materia oscura podría reunirse en una gota cuántica.

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.

El universo está lleno de invisible materia oscura. Así como una gota de agua al evaporarse deja un cristalito de sal, un agujero negro puede evaporarse y dejar tras de sí un diminuto residuo estable. Esta idea fue desarrollada por Stephen Hawking y Jacob Bekenstein.

En el mundo cuántico, las partículas de materia oscura pueden fusionarse en una sola gota superfluida: un estado donde la sustancia fluye sin fricción, como un líquido ideal. Al encontrarse cerca de un agujero negro, esa gota no desaparece en él, sino que se enrolla en vórtices estables, como el agua que rodea una piedra en un río.

Durante casi un siglo, los astrónomos han observado cómo las galaxias giran como si las sujetara una masa invisible. El primero en notarlo fue Fritz Zwicky, y Vera Rubin midió con precisión la velocidad de las estrellas en las afueras.

En la imagen habitual, los agujeros negros son los campeones absolutos en densidad: toda su materia está concentrada en un punto. Es como si toda la masa del Monte Everest cupiera en un grano de sal. Pero los físicos han encontrado un truco teórico.

El Universo está lleno de materia invisible que gobierna el movimiento de las galaxias. En los años 1970, la astrónoma Vera Rubin demostró que sin la materia oscura, las estrellas de las afueras se habrían dispersado hace tiempo. Pero de qué está hecha sigue siendo un misterio.

Una estrella moribunda no es simplemente un desvanecimiento. En sus últimos instantes, el núcleo, sin combustible, se comprime sobre sí mismo a una velocidad colosal. La gravedad clásica no deja opción: si la masa es suficiente, nace un agujero negro — una región de la que ni siquiera la luz puede escapar.

En 1965, Penrose sacudió la física con un trueno matemático: cualquier estrella lo suficientemente masiva, al comprimirse bajo su propio peso, inevitablemente cae en una singularidad, una región donde la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita y las leyes de la física dejan de funcionar.

El agua hierve en la olla y del fondo suben burbujas. Crecen, ascienden y revientan, y el agua sigue siendo agua. Algo parecido, según han descubierto los físicos, puede ocurrir con el propio espacio — si en él hay energía oscura (la misteriosa fuerza que acelera la expansión del universo).

El núcleo atómico no es una esfera monolítica, sino un enjambre denso de partículas diminutas, los quarks, pegados con un pegamento especial (la interacción fuerte).

Después del Big Bang, el universo se asemejaba a un globo fuertemente inflado: la presión impedía que la materia se comprimiera en grumos. Pero las hipotéticas partículas superpesadas — una especie de «pesos pesados» del micromundo — volvían el globo menos elástico por un instante.

Una olla hirviendo en la que de vez en cuando revientan burbujas de vapor: así se parecía el universo temprano. Todo el espacio estaba lleno de un campo en estado de falso vacío, como agua sobrecalentada por encima del punto de ebullición.

La nube de Oort es un enjambre esférico de billones de cuerpos helados en el borde mismo del sistema solar, a aproximadamente un año luz del Sol. Estos objetos están casi inmóviles entre sí hasta que alguna perturbación gravitatoria altera su reposo.

En la cocina hay un cubo con agua y otro igual con arena. Vertemos la arena en el agua y obtenemos una mezcla donde hay exactamente cinco veces más arena que agua. Así está organizado nuestro universo: hay una parte de materia ordinaria, de la que están hechas las estrellas, los planetas y nosotros mismos, y cinco partes de la esquiva materia oscura.

La luz reflejada por el disco ardiente alrededor de un agujero negro puede revelar más sobre él de lo que creíamos. Cuando el disco emite calor, parte de esa luz se refleja de vuelta al disco y se dispersa, adquiriendo una distribución de energía inusual: como si al resplandor normal se le añadiera un nuevo componente similar a una ley de potencias.

Cuando las estrellas en los bordes de las galaxias giran más rápido de lo calculado, normalmente se supone la existencia de materia oscura oculta. Un nuevo trabajo prescinde de partículas invisibles.

Cuando dos agujeros negros chocan, emiten ondas gravitacionales y suenan como una campana gigante. El sonido que se desvanece, o ringdown, lleva la impronta del agujero negro final.

Un átomo excitado por la luz devuelve la energía en un instante: emite un fotón. Este proceso se parece a un corredor cansado que se deshace de una carga. Pero si el corredor está en la ladera de una montaña, le cuesta más acelerar. La gravedad actúa sobre el átomo de manera similar: cerca de un cuerpo masivo, el tiempo fluye más lento y el átomo emite de forma distinta.

Los agujeros negros rara vez están en completo aislamiento. A menudo están envueltos en nubes invisibles de partículas hipotéticas de materia oscura, tan ligeras que solo sienten la interacción gravitatoria, casi sin chocar entre sí ni con la materia ordinaria.

Cuando se hace girar un líquido en una taza, se forma un remolino con un centro vacío. En ese centro hueco, las ondas encuentran una trampa: al reflejarse en las paredes, le roban energía al vórtice y crecen como el fuego a lo largo de una mecha: cada ola es más fuerte que la anterior, hasta que estalla un pico.

Normalmente, un agujero negro es una región de la que nada regresa. Pero la solución exacta de las ecuaciones de Einstein, que combina un agujero solitario de Schwarzschild y la expansión del Universo de Lemaître, presenta un panorama diferente.