Todo lo que siempre quiso saber sobre agujeros negros (y no se atrevía a preguntar)

Si la radiación del fondo cósmico de microondas es toda la luz que hay en el universo desde el Big Bang, ¿qué ocurre con ella cuando se crea un agujero negro? Si en ese área se pierde una determinada cantidad de luz, ¿cómo se regenera?

La respuesta es sencilla: el número de fotones no se conserva; efectivamente, muchos de ellos caen, atraviesan el horizonte de sucesos del agujero negro y quedan atrapados. Ahora bien, ¿cómo es posible que el fondo cósmico de microondas (CMB a partir de ahora, por sus siglas en inglés) siga siendo homogéneo en todo el espacio cuando hay fotones que se pierden? La solución a este problema es que el CMB solo es homogéneo aproximadamente: presenta inhomogeneidades locales, que son debidas a la absorción y emisión de microondas por parte de objetos astrofísicos (no solo agujeros negros, sino también estrellas, planetas, nebulosas...).

Así que las propiedades de las microondas que uno puede medir depende críticamente del lugar desde el que observa: el mejor lugar para hacer esta observación sería el espacio intergaláctico, lejos de las fuentes de ruido astrofísico. Este ruido puede, por fortuna, ser caracterizado y eliminado a posteriori, lo cual nos permite observar el genuino fondo de microondas.

Hay que tener en cuenta que el CMB lleva 13.400 millones de años viajando por el cosmos, y evidentemente a lo largo de ese viaje le pueden haber pasado muchas cosas, tanto cerca como lejos de nuestro planeta. La formación de un agujero negro sería una eventualidad más, pero, por otro lado, el CMB es tan "grande" como el cosmos mismo, y en comparación cualquier agujero negro es extremadamente pequeño...

Sobre la homogeneidad del CMB, además de las inhomogeneidades locales hay otras que no tienen que ver con los objetos astrofísicos con los que el CMB se ha encontrado a lo largo de su viaje: otras inhomogeneidades son primordiales, forman parte del CMB desde sus orígenes. Dicho de otra forma: el CMB no es homogéneo, tiene regiones que están ligeramente más calientes y otras que están ligeramente más frías, señalando que en el cosmos primigenio, de sólo 400.000 años de edad, ya había zonas ligeramente más densas y ligeramente menos densas. Esas zonas son el germen de los modernos supercúmulos de galaxias, y su existencia es una de las razones por las que nos interesa tanto el CMB: porque en él podemos leer la geografía del universo primigenio.

La segunda parte de la pregunta tiene que ver con la emisión de los agujeros negros. Los agujeros negros pueden emitir chorros de materia a altas velocidades, pero hay una precisión importante: cuando se habla de "chorros emitidos por un agujero negro" en ningún caso se trata de chorros que vienen de su interior. Hay mecanismos por los cuales la materia atraída por un agujero negro puede arremolinarse a su alrededor y salir despedida en la forma de grandes chorros, pero estos no salen del agujero negro, sino de sus cercanías.

Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo cerradas sobre sí mismas, y en consecuencia nada puede salir de ellas. Un célebre cálculo teórico de Stephen Hawking deduce que los agujeros negros sí emiten pequeñas cantidades de radiación, la llamada radiación Hawking, pero esta radiación es extraordinariamente tenue, y en agujeros negros de interés astrofísico tarda muchos miles de millones de años en ser emitida, así que, de confirmarse su existencia, se trataría de un fenómeno totalmente distinto. Podemos concluir simplemente que la luz que entra dentro de un agujero negro está, efectivamente, perdida, y no sale de él más que, tal vez, al cabo de mucho tiempo, y transformada en algo completamente diferente.

¿Qué ocurriría si dos agujeros negros colisionaran? Si hubiese un tercer agujero negro, ¿podrían estar los tres en una única órbita los unos alrededor de los otros?

Una colisión entre dos agujeros negros lleva a la formación de un agujero negro más grande, con más masa. En principio uno pensaría que el agujero negro "hijo" habrá de tener tanta masa como la suma de las masas de los padres, pero el estudio detallado de las ecuaciones de Einstein para este proceso nos muestra que la fusión de dos agujeros negros es un fenómeno tan violento y traumático que un porcentaje apreciable de su masa, hasta un 4%, escapa en forma de ondas gravitatorias, vibraciones del propio tejido del espacio-tiempo.

En la actualidad unas cuantas colaboraciones experimentales (LIGO, VIRGO y AURIGA, por ejemplo) están buscando estas ondulaciones del espacio-tiempo. Por ahora no ha habido suerte, pero hay esperanzas bien fundadas de que la próxima generación de experimentos consiga un resultado positivo, y las fusiones de agujeros negros son uno de los candidatos principales a producir estas señales.

Por último, cuando dos (o más) agujeros negros orbitan unos en torno a otro, son simplemente objetos con una cierta masa y pueden describir órbitas cerradas, como cualquier otro. Sin embargo, cuando se observa este sistema en detalle se observa que el movimiento periódico de un objeto tan masivo, con una gravedad tan intensa, deja una impronta en el espacio-tiempo. El efecto es similar a hacer girar una cuchara en un barreño lleno de agua: la cuchara forma una onda con forma espiral que escapa hacia las paredes del recipiente.

Esto es exactamente lo que hace un agujero negro al girar: "peina" el espacio-tiempo y produce ondulaciones espirales que abandonan la órbita. Pero la energía se conserva: si una parte está escapándose al exterior en forma de ondas gravitatorias quiere decir que el interior ha perdido energía: efectivamente, a medida que gira el agujero negro pierde energía (pierde velocidad) y, por tanto, se acerca a su compañero.

Eventualmente, al cabo de un número suficiente de miles o millones de años, ambos colisionan y se fusionan. Así que podemos concluir que las órbitas entre agujeros negros no son estables, y al cabo de un tiempo el sistema se derrumba. Digamos que esto sucedería con cualquier órbita, pero con objetos menos masivos el proceso es inimaginablemente lento, mucho más largo que la vida de cualquier estrella. Los agujeros negros sólo lo hacen un poco más "rápido" en términos astronómicos, lo suficiente como para que podamos aspirar a verlo con nuestros instrumentos.