ley de área de Hawking

Un agujero negro es un laberinto del que no se puede salir. Pero, ¿qué ocurre con la información en su interior? Para comprobarlo, los físicos no viajaron hasta el agujero más cercano, sino que construyeron una diminuta réplica en un procesador cuántico.

Un agujero negro atrapa todo lo que se acerca demasiado. Pero si en lugar de un solo objeto lanzas un par, uno de ellos puede salir disparado de vuelta, llevándose parte de la energía de rotación del agujero. Este truco, ideado por Roger Penrose en 1969, funciona solo porque el agujero negro tiene un horizonte: el límite del cual nada regresa.

Si uno mira fijamente por la ventana nocturna, tarde o temprano se topa con la negrura tras la cual no se ve nada. No es solo una valla lejana: es el borde del universo accesible, el horizonte cósmico. La luz de estrellas más distantes simplemente no ha tenido tiempo de llegarnos.

Cuando dos bolas pesadas se fusionan en una, los círculos se extienden durante mucho tiempo por la superficie del agua. Un agujero negro se comporta de manera similar: después de la fusión, sigue "tañendo" durante un tiempo, emitiendo oscilaciones gravitacionales especiales: los modos cuasinormales.

Una tetera hirviendo en la estufa se evapora por completo con el tiempo; así, según las ideas clásicas, un agujero negro debería desaparecer gradualmente entre silbidos de radiación. Pero, ¿y si le añadimos un ingrediente especial a la tetera?

Un agujero negro tiene tres leyes, como un gas ideal. La primera: la energía no desaparece. La segunda: el área del horizonte de sucesos no disminuye. Y la tercera, la más caprichosa, exige que a temperatura cero la entropía (la medida del desorden) tienda a cero o a una constante universal.

Un termómetro caprichoso muestra diferentes temperaturas según quién lo mire. Algo parecido ocurre con un agujero negro: sus propiedades térmicas —entropía y temperatura— dependen de cómo describamos la información que oculta.

En algún lugar del centro de una galaxia gira un agujero negro. No flota en el vacío: a su alrededor hay un enjambre invisible de partículas de materia oscura. Hasta ahora, ese enjambre se describía para agujeros estáticos, pero en realidad los agujeros siempre rotan.

La idea era hermosa: tomar un agujero negro BTZ (el análogo tridimensional de un agujero negro ordinario) y alisar su horizonte con una función especial. Entonces, según el plan, en el interior podría cambiar la signatura del espacio-tiempo: el tiempo se volvería espacio y el espacio, tiempo. Pero los cálculos mostraron otra cosa.

Un agujero negro en el que cae algo podría no limitarse a evaporarse durante miles de millones de años, sino reventar como una burbuja de jabón y convertirse en su opuesto: un agujero blanco. Este escenario lo sugieren experimentos numéricos con gravedad semiclásica.

Una casa vieja. La fachada recién pintada, la escalera no cruje. Bonita estampa. Pero basta con meter muebles pesados para que las tablas del suelo se hundan. La belleza de la fachada no dice nada sobre la solidez de los pisos. Algo parecido ocurre con los agujeros negros sin singularidad.

Un agujero negro se parece a una esfera perfectamente lisa. No tiene detalles: solo masa, carga y rotación. Esta regla se conoce como «no-hair». Pero a la naturaleza le gusta complicar las cosas: a veces, alrededor del agujero negro surge espontáneamente una nube de campo escalar (un campo especial que se describe con un solo número en cada punto).

Una fábrica capaz de producir un millón de piezas por hora, por alguna razón, solo hace un centenar. Más o menos así se comporta nuestro universo si lo miramos a través del prisma de la entropía, esa medida del desorden que, según las leyes de la física, solo puede aumentar. Las principales "máquinas" de esta fábrica son los agujeros negros supermasivos.

Un agujero negro no es una aspiradora perfecta. Está rodeado de un enjambre de partículas y campos, y ese enjambre altera su destino. En un nuevo trabajo, los astrofísicos examinaron cómo se comporta un campo vectorial masivo —una forma hipotética de materia oscura— cerca de un agujero negro en rotación.

Un agujero negro lo absorbe todo, incluso la luz. Pero no viola las leyes de la física: tiene entropía, una medida de la información oculta que el objeto «recuerda».

Una estrella orbita alrededor de un agujero negro en rotación, como una patinadora en el centro de una pista de hielo. Mientras está lejos y puede considerarse un punto, la danza sigue siendo predecible: la órbita obedece leyes claras, como una música con la que es fácil deslizarse. Pero en cuanto se acerca, la gravedad comienza a actuar de manera desigual.

En 1973, Jacob Bekenstein propuso que los agujeros negros poseen entropía —una medida del desorden oculto. Stephen Hawking lo confirmó después añadiendo la radiación, pero el origen microscópico de la entropía seguía oscuro.

Una olla de agua hirviendo está cubierta con dos tapas: una interior y otra exterior. El termómetro bajo cada una muestra su propia temperatura, pero su media armónica (un modo especial de promediar en el que se suman los inversos) permanece siempre invariable. El calor parece obedecer una regla invisible.

El té caliente se enfría, el péndulo se detiene: la naturaleza ama el equilibrio. Pero un agujero negro con carga puede alcanzar un estado especial, extremo: la masa se vuelve mínima y la temperatura cae a cero.

La relatividad general, que describe la estructura del universo, no prohíbe los bucles en el tiempo. Pero Stephen Hawking propuso la hipótesis de la 'protección de la cronología': los efectos cuánticos deberían destruir esos bucles, haciendo imposibles los viajes al pasado.

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 el centro de la mayoría de las galaxias se esconden agujeros negros supermasivos, los amos de la gravedad. Desde 2019, gracias a la interferometría de línea de base muy larga, vemos sus sombras: siluetas oscuras sobre un fondo de gas brillante. Pero, ¿qué es exactamente lo que dibuja esa sombra?

Durante mucho tiempo, el horizonte de sucesos se comportó como un dictador cósmico: todo lo que cruzaba su frontera desaparecía irremediablemente de nuestro Universo. Pero la mecánica cuántica, como la voz de un disidente, susurraba: la información no puede desaparecer sin dejar rastro.

Gas incandescente, girando en espiral, cae sobre un objeto superdenso invisible. Tal disco se asemeja a un vórtice gigante, pero a menudo está inclinado: su eje no coincide con el eje de rotación del cuerpo central. La gravedad del objeto masivo hace que el disco se balancee ligeramente, como una peonza que pierde el equilibrio.

El horizonte cosmológico —el borde del universo observable, que se expande aceleradamente— es como una caja fuerte con temporizador. La información sobre lo que cruza esta frontera no desaparece, sino que regresa, pero con retraso. Los físicos han averiguado cuánto dura esa pausa.

Un agujero negro no es solo una mancha oscura. Gira, arrastra el espacio a su alrededor y puede llevar impresas las huellas del mundo cuántico. Para describir un agujero así, hay que resolver las ecuaciones del campo gravitatorio.

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».

La fusión de dos agujeros negros no es solo una danza silenciosa, sino un acto grandioso tras el cual el propio espacio-tiempo vibra durante largo tiempo. Estas oscilaciones amortiguadas —los modos cuasi-normales— se asemejan al tañido de una campana colosal. Pero hay otro eco: apenas perceptible, casi fantasmal.

En el centro de muchas galaxias se esconden agujeros negros supermasivos. Uno de ellos, Sagitario A*, en el corazón de la Vía Láctea, se ha convertido en un banco de pruebas para una nueva idea. Los autores del trabajo tomaron la gravedad einsteiniana y le añadieron un campo electromagnético inusual.

Imagina una máquina de vapor donde, en lugar de un pistón de acero, está el horizonte de sucesos, y el cilindro es el propio espacio curvo. Esta metáfora se ha convertido en realidad matemática: por primera vez, los físicos han construido un conjunto completo de ciclos térmicos reversibles con un agujero negro de Schwarzschild encerrado en una cavidad esférica.

Cuando una estrella gigante agota su combustible, colapsa en un agujero negro. Ese agujero tiene un límite exterior — el horizonte de sucesos, del que ni siquiera la luz puede escapar. Pero muchos agujeros negros tienen también un límite interior: un segundo horizonte que separa las capas externas del núcleo de singularidad.

En el centro de un agujero negro, la teoría clásica dibuja un punto donde la densidad y la curvatura del espacio-tiempo se disparan al infinito, como una aguja infinitamente afilada.

Las observaciones del James Webb mostraron que ya 500 millones de años después del Big Bang (con corrimientos al rojo z~10), en el universo brillaban agujeros negros con masas de miles de millones de soles.

En el centro de muchas galaxias se esconden gigantescos agujeros negros en rotación. Los astrofísicos sospechaban desde hace tiempo que estos objetos son sorprendentemente resistentes: tras engullir una estrella o fusionarse con otro agujero, se calman rápidamente y olvidan la catástrofe.

En la búsqueda de la naturaleza de la materia oscura, una de las hipótesis más intrigantes se remonta a los primeros instantes después del Big Bang.

Un agujero negro clásico tiene temperatura y otras propiedades termodinámicas. Cuando los físicos comenzaron a tener en cuenta la variación de la constante cosmológica —la energía del espacio vacío—, en las ecuaciones apareció una extraña fusión.

Un agujero negro es como una gota giratoria de líquido viscoso. Normalmente, esa gota tiende a permanecer entera: la división reduciría su superficie, lo que contradice la ley de no disminución de la entropía (una medida del desorden, como una taza rota que no se pega sola).

¿La constante cosmológica de Einstein fue un error lamentable o una revelación que regresó como un bumerán? La aceleración del Universo tomó por sorpresa a los físicos: ΛCDM funciona, pero ¿por qué la energía del vacío es tan ridículamente pequeña?

Un agujero negro se parece a una caja fuerte que va soltando poco a poco su contenido —energía e información— a través de un débil resplandor llamado radiación de Hawking. Pero si la caja fuerte se abre demasiado rápido, en su borde puede encenderse una «pared de fuego», una región donde las leyes habituales de la física dejan de funcionar.

Un agujero negro se parece a una aspiradora perfecta: todo lo que cruza su horizonte desaparece sin dejar rastro. Pero esta aspiradora tiene una característica extraña: su 'bolsa para el polvo' crece, y por el tamaño de la bolsa se puede saber cuánto ha caído en su interior.