agujero negro de Kerr

Golpea una campana y sonará en su nota. Un agujero negro, tras una perturbación, también suena, solo que en lugar de sonido, es un temblor del propio espacio. Las frecuencias de este tañido pueden revelar mucho sobre el agujero: qué tan rápido rota y cuál es su masa.

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.

El cuello de un reloj de arena es el punto más estrecho, donde los granos cambian de lado. En la gravedad cuántica existe un objeto similar: el instantón (una solución instantánea que conecta dos estados del espacio). Funciona como un túnel a través del cual la geometría del universo fluye de una forma a otra.

Un agujero negro en rotación no es un remolino tranquilo. El espacio a su alrededor tiembla y vibra ante la menor perturbación, como la cuerda de una guitarra después de un pellizco. Estas oscilaciones se describen mediante la ecuación de Teukolsky, una construcción matemática compleja que los físicos estudian desde hace medio siglo.

Cuando dos agujeros negros se fusionan, el objeto recién nacido vibra como una campana. Ese tañido son ondas gravitacionales de un tipo especial que los astrónomos llaman modos cuasinormales (oscilaciones amortiguadas particulares). Se apagan rápido, pero alcanzan a contar la masa y el giro del agujero.

Un agujero negro no solo gira: está rodeado de cerdas hechas de un campo adicional (el campo de Kalb-Ramond). En el artículo se investiga cómo se comporta un campo masivo (ondas con masa) cerca de un agujero negro de este tipo cuando este ha alcanzado casi el límite de velocidad de rotación.

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.

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.

Un agujero negro, tras ser golpeado, suena como una campana. Pero en lugar de sonido, emite ondas gravitacionales cuya frecuencia decae rápidamente: esto se llama modos cuasinormales. Por ese 'tañido' se puede conocer la masa del agujero, su rotación y otras propiedades.

El horizonte de un agujero negro no es una pared, sino más bien una membrana de un solo sentido. Todo lo que lo cruza desaparece para siempre. Stephen Hawking demostró que este límite debería brillar débilmente, emitiendo partículas. Pero captar ese resplandor de un agujero real es imposible: está demasiado lejos y es demasiado tenue.

Un agujero negro en rotación se parece a un remolino en un río: el espacio-tiempo se arremolina a su alrededor, arrastrando todo lo que se acerque. En algunas teorías de la gravedad, a este remolino se le añade otro campo: el vectorial. En cada punto tiene una dirección y una longitud, como la aguja de una brújula.

La lona tensa de una cama elástica se hunde bajo una bola pesada. Si la bola gira rápidamente, la lona comienza a retorcerse a su alrededor. De manera similar se comporta el espacio-tiempo cerca de un agujero negro en rotación: no solo está curvado, sino que también es arrastrado por la rotación, como el agua alrededor de un remolino.

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?

El centro de atención es un agujero negro de forma inusual. Su geometría recuerda a un huso: a la rotación habitual se le añade una ligera elongación. El parámetro B mide esta deformación. La deformación de huso no es solo un juguete matemático.

Un agujero negro normalmente oculta su singularidad bajo un horizonte de sucesos, una frontera invisible de la que ni siquiera la luz puede escapar. Pero a veces esa "capa" falta, y la singularidad, el punto donde la física conocida deja de funcionar, queda expuesta a un observador externo.

Una piedra cae en un estanque y las ondas se expanden hasta apagarse. Golpeas una campana y esta resuena en su nota. Un agujero negro perturbado también 'canta', emitiendo ondas gravitacionales con un tono que se amortigua.

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.

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 críquet existe un lanzamiento especial: el googly. La pelota vuela de tal manera que su giro engaña al bateador. En física también había su propio googly: durante casi medio siglo, los matemáticos no lograban que la teoría de twistores funcionara con la gravedad real. Describía muy bien los campos «cómodos», donde todo está enrollado en una sola dirección.

Un agujero negro en un libro de texto se asemeja a una esfera perfectamente lisa: todo lo que está afuera puede escapar tranquilamente al infinito. Sin embargo, la teoría cuántica de la gravedad pinta un cuadro diferente.

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 el centro de muchas galaxias se esconden agujeros negros, regiones con una gravedad tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. A su alrededor suelen orbitar estrellas, y a veces una de ellas es un púlsar, un faro cósmico que emite pulsos de radio estrictamente periódicos.

Cuando los cuerpos masivos se mueven con aceleración —por ejemplo, dos estrellas que giran una alrededor de la otra—, el espacio que los rodea no permanece en calma. Tiembla, como la superficie de un estanque cuando se lanza una piedra. Estas vibraciones se denominan ondas gravitacionales. Transportan energía hacia afuera y la fuente pierde masa gradualmente.

Un agujero negro que gira rápidamente agujero negro, donde el espacio-tiempo está curvado al límite, se asemeja a una campana que puede zumbar durante siglos. Sus oscilaciones especiales casi no se amortiguan, perdiendo energía de manera increíblemente lenta.

Un funambulista gira sobre el abismo en espiral, acercándose al centro con cada vuelta. Su trayectoria no es un deslizamiento suave, sino una serie de tirones bruscos y pausas. Así se comporta un agujero negro diminuto cuando es arrastrado hacia un vecino supermasivo.

Un agujero negro supermasivo flota en una nube de materia oscura. En la imagen habitual, esta sustancia invisible simplemente añade masa y apenas interactúa con la materia ordinaria. Pero las partículas de materia oscura podrían tener rotación propia: espín.

Un agujero negro no es solo una mancha oscura en el espacio. Es una región donde la gravedad comprime la materia tan fuertemente que ni siquiera la luz puede escapar. Entre todos los agujeros negros posibles destaca uno: el agujero negro rotatorio de Kerr.

Un agujero negro es como una peonza: cuanto más rápido gira, más notable es su comportamiento. Tiene dos fronteras: el horizonte externo y el interno, límites de los que ni siquiera la luz puede escapar. En el nuevo trabajo, los físicos se asomaron al interior de un agujero negro giratorio con carga y multiplicaron las áreas de esas dos superficies.

Por lo general, un agujero de gusano se imagina como un túnel en el espacio cuyas paredes sostiene algo inusual: materia con energía negativa. Como los puntales en una mina que evitan que los techos se derrumben. Pero en este trabajo los físicos prescindieron de los puntales.

Un agujero negro no es una esfera perfectamente lisa. La teoría de Einstein permite que a su alrededor pululen «pelos» invisibles: acumulaciones de campo escalar que curvan el espacio-tiempo.

Muchos agujeros negros están rodeados de campos magnéticos. Al girar, el agujero arrastra consigo el espacio-tiempo curvado, como un volante de inercia de una máquina, y pone en marcha una fábrica cósmica.

Estiran un colchón inflable y sobre él gira un remolino de agua. Al estirarse, el remolino se contrae: su tamaño con respecto a toda la superficie disminuye.

Tira una piedra a un estanque y verás ondas en el agua. Golpea una campana y resonará a su frecuencia. Un agujero negro tras colisionar con otro también "suena", solo que en lugar de sonido, lo que vibra es el propio espacio. Estas oscilaciones amortiguadas se denominan modos cuasinormales (como un tañido que se va apagando poco a poco).

Un agujero de gusano es un túnel a través del tejido del espacio-tiempo, idea desarrollada por John Wheeler y Kip Thorne. Así como un túnel en una montaña tiende a derrumbarse, la garganta del agujero de gusano tiende a colapsar.

Normalmente, un agujero negro es un abismo con un colapso puntual en el centro, donde la densidad es infinita y todo se rompe. Einstein y Schwarzschild describieron tal escenario. Pero el infinito es señal de que la teoría ha tropezado.

Los físicos han dominado un elegante truco matemático que permite traducir las ecuaciones de la gravedad al lenguaje de la electricidad. Este método —la doble copia— funciona como una especie de diccionario: sustituye la compleja geometría de la curvatura del espacio-tiempo, descrita por campos tensoriales de alta…

Un remolino en un río arrastra todo lo que encuentra a su alrededor. Si añades al agua una gelatina invisible que se espesa junto al embudo y desaparece de repente en su borde, tendrás una idea aproximada de cómo es un agujero negro en el nuevo modelo matemático.

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.

La astrofísica del siglo XXI aturde con triunfos: captamos el temblor del espacio-tiempo por la fusión de gigantes invisibles; vislumbramos la «sombra» de un monstruo supermasivo en una galaxia lejana; trazamos las órbitas de estrellas que danzan alrededor de algo compacto en el corazón de la Vía Láctea.

Un imán acercado a un puñado de limaduras de hierro las alinea a lo largo de líneas invisibles: así el campo rodea el imán de polo a polo. De manera similar se puede visualizar la gravedad alrededor de cuerpos masivos: solo que en lugar de limaduras está el propio espacio, y en lugar de un imán, una estrella o un agujero negro.