agujero negro de Schwarzschild

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 agujero negro suena como una campana tras el golpe. Ese tañido son las ondas gravitacionales que captan los detectores. Pero, ¿qué cambia si el espacio alrededor del agujero está curvado no solo por su masa, sino también por una corrección cuántica adicional?

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.

Una piedra cae en un lago tranquilo y ondas concéntricas se extienden por el agua. El espacio alrededor de un cuerpo masivo se comporta de manera similar: si el cuerpo es perfectamente redondo, las perturbaciones que produce son simétricas. Un agujero negro en la relatividad general se asemeja a un espejo de agua perfectamente liso.

La sombra de un agujero negro no es simplemente un círculo negro. Normalmente vemos un vacío oscuro rodeado por un anillo brillante de gas caliente. Pero si un agujero negro no nació de una estrella moribunda, sino que ha existido siempre, en su sombra podría esconderse una sorpresa.

Un agujero negro no es una aspiradora. Por sí mismo, no atrae todo con más fuerza que una estrella ordinaria de la misma masa. Pero si cerca de él hay un campo magnético y alrededor vuelan partículas cargadas, comienza un juego interesante.

Dos casas con fachadas idénticas. Ventanas, puertas, color de las paredes: todo coincide. Pero por dentro, una está vacía y la otra rebosa vida. ¿Cómo saberlo sin entrar? En el espacio hay un problema similar: un agujero negro y un gravastar se ven igual por fuera, pero están construidos de manera diferente.

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».

En el centro de una galaxia se encuentra un agujero negro supermasivo, y a su alrededor se extiende una enorme nube difusa de materia oscura. No brilla, no calienta, pero con su gravedad curva el espacio y cambia las reglas del juego para todo lo que gira cerca.

En el centro de casi todas las galaxias se esconde un agujero negro supermasivo. Su gravedad es tan intensa que modifica el propio espacio. Pero pocos se preguntan: ¿qué hace con el tejido mismo de la realidad, con los campos que impregnan el cosmos? Uno de esos campos es el campo de Higgs.

Un tímpano al borde mismo de una cascada. El sonido aquí se comporta de manera extraña: el eco no se multiplica, sino que se apaga. Así son las ondas gravitacionales en el horizonte de un agujero negro — el límite tras el cual desaparece incluso la luz.

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 enjambre de partículas diminutas e invisibles —como una nube de polen— se desplaza por el espacio. En su camino aparece un agujero negro. Algunas partículas caen en él y desaparecen para siempre; otras rodean la trampa y continúan su viaje. Los físicos han trazado un mapa que muestra cuánta materia será engullida y cuánta sobrevivirá.

Un par de agujeros negros gira en un baile, acercándose gradualmente. Pierden energía y rotación, un proceso que se conoce como emisión de momento angular. En la teoría ordinaria de Einstein, solo las ondas gravitacionales se llevan el momento.

La gravedad es el pegamento invisible que mantiene unidas a las estrellas y los planetas. Pero, ¿y si este pegamento tuviera una masa diminuta? En la teoría de la gravedad masiva, las partículas portadoras (llamadas gravitones) pesan muy poco, pero no cero. Esto cambia las reglas del juego cerca de los agujeros negros.

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.

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.

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.

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.

El vacío cuántico no es un vacío absoluto. Es más bien una membrana tensa que oscila constantemente debido a partículas invisibles que nacen y desaparecen. Incluso en la oscuridad total, esa membrana tiembla. Los físicos decidieron observar cómo se comporta alrededor de una cáscara esférica delgada, dentro de la cual hay un espacio plano ordinario, como el de nuestra habitación.

En la teoría clásica, un agujero negro es un lugar donde la materia se comprime en un punto de densidad infinita. Esa "singularidad" parece un error en las ecuaciones: es poco probable que la naturaleza tolere infinitos.

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.

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.

Un agujero negro es un lugar donde las reglas habituales se rompen. En el centro, según la física clásica, se esconde la singularidad: un punto de densidad infinita hacia el que se precipita todo lo que cae dentro. La teoría cuántica debería suavizar esta imagen.

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.

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.

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.

Un agujero negro ordinario está rodeado por una delgada esfera de fotones: el lugar donde la luz puede dar vueltas antes de caer hacia adentro o escapar. En el nuevo trabajo, esta región se ha hinchado hasta convertirse en una capa entera, repleta de partículas sin masa que se mueven casi a la velocidad de la luz y no presionan contra las paredes.

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.

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.

La luz de una estrella lejana se intensifica por un instante cuando un objeto masivo e invisible pasa entre ella y el telescopio. Este fenómeno, el microlente gravitacional, actúa como un telescopio natural.

El agujero negro de Schwarzschild es el modelo más simple en la relatividad general. Pero al pasar a la gravedad teleparalela (TEGR), donde en lugar de curvatura actúa la torsión, el horizonte presenta un problema. Algunas magnitudes construidas a partir de la torsión tienden a infinito.

Golpeas un diapasón con un martillito y vibra, mientras el sonido se va apagando poco a poco. Algo parecido le ocurre a un agujero negro cuando se le perturba: emite ondas gravitacionales, ondas en el propio espacio, y luego se calma.

Un agujero negro no es una pared sorda. Si le das un golpecito, responde. Los físicos llaman a esto 'deformabilidad de marea': la capacidad de un objeto de cambiar de forma bajo la acción de una fuerza externa. Para un agujero negro en reposo, esta capacidad es cero: un campo estático no lo deforma. Pero en cuanto el campo depende del tiempo, el agujero empieza a 'sonar'.

En el interior de una estrella comprimida al límite, las partículas se comportan como las cuerdas de un instrumento musical inusual. Sus oscilaciones obedecen a una ecuación compleja que durante casi un siglo nadie pudo resolver con exactitud.

El océano se eleva un metro entero bajo la Luna: eso es la marea. Si un cuerpo masivo se acerca a un agujero negro, el agujero también siente el efecto de marea. En la gravedad einsteiniana ordinaria, no responde a esa marea estática: sus "números de marea" (indicadores de deformabilidad) son cero.

Un rayo de linterna se aleja en la oscuridad en línea recta: así solemos pensar en la luz. Pero cerca de un cuerpo masivo, una estrella o un agujero negro, el espacio está curvado, y el rayo se dobla suavemente, como si lo guiara una mano invisible.

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.

En 2019, la imagen de la sombra de M87* fue una sensación: por primera vez la humanidad veía los contornos de un agujero negro, predicho por Schwarzschild y rodeado de mitos. Pero, ¿y si esa media luna brillante no es el autorretrato de un abismo absoluto, sino de un portal cósmico?

Cada sistema cuántico —ya sea un átomo, un cristal o todo el universo— tiene su propio conjunto de energías permitidas, como los peldaños de una escalera. Cuanto más caliente está el sistema, más dispuestas están las partículas a subir a los peldaños superiores.