agujero negro en rotación

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.

Un rayo láser se asemeja a un vorágine veloz que atrapa por un instante al electrón que pasa. Mientras la partícula atraviesa el pulso, su espín (una rotación intrínseca, como la de una diminuta peonza) sufre un leve empujón. Al salir del haz, la peonza ya no apunta en la misma dirección: se ha girado un poquito.

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.

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.

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.

En un universo bidimensional, un agujero negro se asemeja a un embudo en el espacio-tiempo. Pero los autores del nuevo trabajo han ido más lejos: han supuesto que el propio espacio donde "viven" los momentos de las partículas también está curvado, como una silla de montar.

La espiral por la que el agua se va por el desagüe gira cada vez más rápido cerca del centro. En un agujero negro ordinario, ese embudo termina en un punto infinitamente agudo — la singularidad, donde las leyes de la física se rompen.

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.

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.

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.

Un rayo cósmico se acerca a un agujero negro casi en tangente. No cae de inmediato, sino que se detiene en una órbita inestable, como un acróbata que se balancea sobre una cuerda sobre el abismo. Tras dar varias vueltas, la luz finalmente escapa hacia un observador lejano. Estos rayos producen múltiples imágenes de una misma fuente, conocidas como imágenes de orden superior.

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 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.

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 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.

Las ondas gravitacionales de un cuerpo diminuto que cae hacia un agujero negro funcionan como una radiografía. Pero no atraviesan un hueso, sino el propio espacio-tiempo curvado.

La orquesta toca desafinada y el sonido parece un caos. Pero si se anotan todas las notas y se analizan matemáticamente, se puede reconstruir la forma de la sala de conciertos: dónde están las paredes, qué altura tiene el techo. Así, más o menos, es como los físicos proponen derivar la gravedad a partir de la teoría cuántica.

Un agujero de gusano es un túnel hipotético en la curvatura del espacio-tiempo que conecta dos regiones distantes del universo y potencialmente acorta el camino entre ellas.

Un rayo de luz se acerca a un agujero negro no de frente, sino en trayectoria tangencial. Si el ángulo es perfecto, la luz no cae hacia adentro ni escapa: empieza a enrollarse en círculos, como un patinador que gira en el borde de un embudo. Esta estrecha pista es el anillo de fotones.

El espacio-tiempo fluye como un río, y un agujero negro es un remolino. Las partículas en esta corriente son como ondas con su propio ritmo: una alternancia de crestas y valles. Resulta que el remolino desplaza el ritmo de la onda a distancia, sin siquiera arrastrarla.

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.

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.

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.

En un remolino de agua que gira hacia el desagüe, la velocidad del flujo cerca del centro puede superar la velocidad del sonido. El sonido queda atrapado: las ondas no pueden escapar, formando una región sin sonido — una sombra sonora.

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.

El sonido viaja a través de un medio a una velocidad determinada. Si el medio se mueve más rápido, el sonido es arrastrado por el flujo, como una astilla atrapada en un remolino. En el helio superfluido —un líquido sin fricción— la rotación rápida genera vórtices-remolinos.

En 2019, el Telescopio del Horizonte de Sucesos regaló a la humanidad la primera imagen de la sombra de un agujero negro: un anillo de fuego alrededor del abismo en el centro de la galaxia M87.

Tira una piedrita al agua tranquila: las ondas se extienden de inmediato. Ahora golpea una gran campana de iglesia: primero se oye un golpe seco, y solo después crece un zumbido grave. Un agujero negro tras una colisión se comporta más como una campana que como un estanque.

Un agujero negro se parece a un remolino en un río: todo lo que cae dentro ya no puede escapar. Pero también tiene una zona exterior —la ergosfera— donde el propio espacio se mueve más rápido que la luz y arrastra cualquier objeto. Normalmente, el tamaño de esta zona está rígidamente ligado a la masa y a la velocidad de rotación del agujero.

Una peonza girada al límite cambia el movimiento del aire a su alrededor: este se arremolina de forma distinta que en una que apenas gira. Con los agujeros negros en algunas teorías extendidas de la gravedad ocurre algo parecido.

En el centro de un enorme embudo que lo succiona todo, una pequeña esfera cae en espiral. Mientras gira, se genera un zumbido grave: es el propio espacio el que tiembla, y a ese temblor lo llamamos ondas gravitacionales. Su frecuencia aumenta y el tono se eleva, igual que el sonido de una sirena al pasar.

Un enorme remolino gira a gran velocidad. Si lanzas una cuerda dentro, fijando un extremo en el borde y dejando el otro fuera, el remolino comenzará a enrollar la cuerda sobre sí mismo, haciéndola girar. Algo así se comporta una cuerda cósmica cerca de un agujero negro en rotación.

Cuando dos agujeros negros se fusionan, sus horizontes de sucesos — superficies de «no retorno» — se unen como dos trozos de cinta adhesiva. El área total nunca disminuye. Esta es la ley descubierta por Stephen Hawking en los años 70.

Cuando dos agujeros negros giran uno alrededor del otro y se fusionan, envían ondas por el universo: las ondas gravitacionales. Estas ondas llevan la huella de cómo se movieron exactamente los objetos antes de la colisión. Por la forma de esa 'danza' se puede saber hasta qué punto los objetos se parecen a agujeros negros perfectos.

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.

Einstein describió la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo, como si una pesa deformara una tela tensa. Los agujeros negros son las hendiduras más profundas, y cuando algo cae en ellos, por la tela viajan ondas gravitacionales — ondulaciones que podemos detectar.

Las estrellas en las afueras de las galaxias giran inesperadamente rápido. Según Newton, cuanto más lejos del centro, más lento debería ser el movimiento, como en un baile circular donde los que están en el borde van más despacio.