anomalías de la radiación de Hawking

Una red de radiotelescopios repartidos por todo el planeta capta el susurro de un agujero negro lejano. Cada antena registra la señal, pero ¿cómo combinar esas grabaciones si los relojes de las estaciones avanzan a ritmos distintos y la atmósfera distorsiona las ondas que llegan?

Imagina una lotería donde en lugar de dinero se sortean agujeros negros. Cada boleto es un punto aleatorio en el cielo, y el premio es una onda gravitacional de la fusión de dos gigantes. La probabilidad de ganar el premio mayor es ínfima, pero si tienes suerte, la onda se escuchará en todo el Universo.

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 no es una aspiradora eterna. Pierde masa lentamente, emitiendo partículas como una piedra caliente que se enfría y cede calor. Este proceso, descubierto por Stephen Hawking, es apenas perceptible en agujeros grandes, pero en los diminutos — de masa comparable a una montaña — se convierte en una evaporación violenta.

Los cosmólogos se enfrentan a una situación curiosa: dos herramientas fiables dibujan mapas ligeramente diferentes del mismo universo. Una herramienta es el mapa de la luz antigua (la radiación cósmica de fondo), y la otra, el mapa de la distribución de galaxias. En líneas generales coinciden, pero en los detalles discrepan.

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.

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».

Un agujero negro es un lugar del que nada puede escapar. Pero algunas teorías sugieren que, en su interior, a nivel cuántico, podría rebotar y convertirse en su opuesto: un agujero blanco, que solo expulsa materia y luz. Un grupo de físicos construyó un modelo computacional de esa transformación.

El agua se convierte en hielo a cero grados: de golpe, sin estados intermedios. Algo parecido ocurre con la complejidad cuando tomamos un estado cuántico aleatorio de un sistema completo y miramos solo una parte. Mientras esa parte ocupa menos de la mitad del sistema, su complejidad crece suavemente. Pero en cuanto la proporción supera el 50%, se produce un salto.

El 23 de noviembre de 2023, los detectores de LIGO captaron algo extraño. La señal de ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros, denominada GW231123, apuntaba a masas récord — 137 y 101 masas solares — y una rotación anómalamente rápida. Sería la pareja más masiva y de rotación más rápida jamás registrada.

Un agujero negro no es eterno. Incluso en el vacío total, pierde energía lentamente: este proceso se conoce como radiación de Hawking. Los efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos crean pares de partículas, una de las cuales escapa, llevándose masa del agujero.

En 2019, el mundo vio la primera imagen de la sombra de un agujero negro: un donut naranja sobre fondo negro que se convirtió en símbolo del progreso científico. Pero esa imagen no fue captada por una cámara: nació de la alquimia matemática, donde los datos de ocho radiotelescopios, que apenas recogieron migajas de señal, se fusionaron en una imagen única.

La materia oscura no se ve con telescopios, pero su gravedad fue revelada hace medio siglo por Vera Rubin.

En el centro de muchas galaxias giran peonzas cósmicas de increíble poder: los agujeros negros supermasivos. Su naturaleza fue descrita por primera vez por Schwarzschild justo después de que Einstein regalara al mundo la teoría de la relatividad general.

Un agujero negro no es solo una silueta oscura contra el fondo de estrellas. Su sombra está rodeada por un delgado anillo luminoso de fotones que dan vueltas alrededor del horizonte de sucesos antes de escapar hacia el observador.

Un agujero negro ordinario esconde en su centro una singularidad — un punto donde la densidad y la curvatura se vuelven infinitas y las leyes de la física dejan de funcionar.

La fusión de agujeros negros no es un golpe silencioso. El agujero recién nacido vibra y se amortigua, emitiendo ondas gravitacionales, ondas en el propio espacio. Esta señal se llama «tañido» (ringdown) y se parece al sonido de una campana que se apaga: tiene un tono fundamental y varios armónicos.

Durante décadas, los astrofísicos construyeron una imagen ordenada: la galaxia, como un gigantesco carrusel, gira a un ritmo uniforme, y el agujero negro supermasivo situado en su centro hereda esa danza.

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.

Un agujero negro con campo magnético se asemeja a un remolino en un río donde el agua no se precipita hacia el embudo, sino que gira en el sitio. Normalmente, la rotación del agujero captura las ondas y las amplifica, lo que se conoce como superradiancia. Pero si se añade un campo magnético, todo cambia.

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.

Un zumbido recorre todo el universo. No es un sonido, sino un temblor del propio espacio: el fondo de ondas gravitacionales. Lo generan pares de agujeros negros supermasivos que giran uno alrededor del otro en los centros de galaxias lejanas. Cada pareja es como un instrumento grave en una orquesta inmensa.

Un agujero negro suena como una campana cuando algo masivo cae en él. Ese sonido son las ondas gravitacionales, y sus armónicos revelan la forma del horizonte.

En el centro de la Vía Láctea, como una muñeca rusa dentro de otra, se esconde un agujero negro supermasivo, y a su alrededor hay un enjambre de estrellas y una capa invisible de materia oscura. Esta capa, o "pico", en teoría debería ser muy densa justo en el horizonte.

Una peonza que gira tan rápido que hace que la luz a su alrededor se enrolle en espirales: una imagen acertada de lo que ocurre cerca del horizonte de un agujero negro. El plasma incandescente cae en él y emite ondas de radio. Su polarización (el plano en el que oscila la onda) se convierte en una flecha que señala la dirección del flujo de energía.

La luz que pasa cerca de un agujero negro se arremolina como el agua alrededor del desagüe de una bañera. Lo más fascinante es el anillo delgado donde los rayos pueden girar eternamente, sin caer hacia adentro ni escapar. Esta es la esfera de fotones, una frontera invisible que dibuja la sombra del agujero en el cielo.

Un agujero negro se parece a un remolino en el océano: todo lo que cae dentro desaparece para siempre. Pero si el remolino gira y está ligeramente electrificado, y a su alrededor pululan partículas invisibles llamadas axiones (candidatas a materia oscura), su superficie deja de ser lisa.

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.

Alrededor de una hoguera invisible gira un gas brillante. La hoguera en sí está oculta, pero su silueta se adivina por el baile de las llamas. Así es como los astrónomos "ven" los agujeros negros: no el objeto en sí, sino la materia incandescente que, antes de caer al abismo, se acelera hasta velocidades enormes y emite luz.

Un agujero negro es como un carbón que se creía que ardía lentamente para siempre, pero que al final debería apagarse y evaporarse sin dejar rastro. Así lo predijo Stephen Hawking: los procesos cuánticos en el horizonte de sucesos (la frontera de la que ni siquiera la luz puede escapar) generan un débil resplandor, y el agujero pierde masa lentamente.

La sombra de un agujero negro no es solo una silueta. Es el borde del abismo, donde el espacio y el tiempo están tan retorcidos que incluso la luz se ve obligada a girar, como una astilla en un remolino. Este «remolino cósmico» surge de una masa monstruosa que curva el espacio-tiempo.

En el universo temprano, surgieron agujeros negros primordiales, objetos no más grandes que un átomo pero con la masa de una montaña. Se evaporan gradualmente y, antes de desaparecer, deberían generar ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo.

Un agujero negro diminuto, no más grande que un núcleo atómico, flota en una nube de hidrógeno. No engulle todo lo que lo rodea, sino que se desangra lentamente en radiación, adelgazando a cada instante. Así, una olla en el fuego no hierve de inmediato: primero corren burbujas por el fondo, luego el agua burbujea cada vez más fuerte.

El Universo suena como una orquesta: sus notas son las ondas gravitacionales, ondulaciones del espacio-tiempo predichas por Albert Einstein. Los observatorios LIGO intentan captarlas, con la sensibilidad que les proporcionó Rainer Weiss.

Cuando dos agujeros negros se fusionan, sacuden el propio tejido del espacio-tiempo. El nuevo gigante no se calma al instante: resuena como una campana cósmica, emitiendo el patrón característico de ondas gravitacionales amortiguadas, el llamado ringdown.

Coloca dos despertadores idénticos sobre una mesa y ponlos en marcha a la vez. Si uno de ellos se encuentra sobre una superficie resbaladiza y empieza a deslizarse lentamente, su marcha se alterará y, al cabo de un minuto, sonarán desincronizados. Más o menos así funciona el nuevo método propuesto por astrofísicos para los agujeros negros supermasivos.

Una tetera común: la calientas, sube la temperatura y con ella el desorden molecular, sale vapor. Pero en el laboratorio crearon una «tetera» inusual: un agujero negro analógico hecho de circuitos superconductores enfriados al límite.

Si se reduce un agujero negro ordinario al tamaño de un grano de arena, brillará como una pequeña estrella y desaparecerá rápidamente en un destello. Esta es la predicción de Stephen Hawking: el horizonte de sucesos funciona como una superficie caliente que emite partículas.

La sombra del agujero negro — icono de la astrofísica —, pero mire más de cerca: su borde aterciopelado se estremece al ritmo de la polarización de la luz.

Un agujero negro es como una caja fuerte perfecta: todo lo que cae dentro desaparece sin dejar rastro. Pero en la década de 1970, Jacob Bekenstein y Stephen Hawking descubrieron que el horizonte tiene una "etiqueta" indestructible: la entropía (una medida de la información oculta sobre la materia…