¿Qué veríamos al darnos de bruces con un agujero negro?

Tengo una opinión sesgada, lo admito, pero una de las imágenes de película y una de las observaciones astronómicas más icónicas de la historia es la de un agujero negro “visto de cerca”. En concreto, me refiero a las imágenes de ficción de Gargantúa y las reales del agujero negro supermasivo de M87, una galaxia gigantesca que tenemos ahí al lado, a solo 53 millones de años luz. M87 alberga un monstruo que concentra la masa de unos siete mil millones de soles. Pero es que lo hace en un volumen de tamaño similar a la distancia a la que está ahora mismo la nave Voyager 1 de nosotros, unas 140 veces el tamaño de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, o menos de media diezmilésima de la distancia que nos separa de la estrella más cercana. Es decir, el mismo volumen que alberga un par de estrellas aquí (el Sol y Próxima Centauri), el agujero negro supermasivo de M87 concentra el equivalente a varios miles de millones de estrellas. Y no es el agujero negro más grande conocido.

¿Y cómo sabemos que ahí hay un agujero negro? ¿Qué pinta tienen esos monstruos? En concreto, ¿cómo se ven en las distancias cortas, si nos encontráramos delante de él de bruces? Para entenderlo, vamos a presentar el problema con varios supuestos.

En primer lugar, veamos qué pasaría si el agujero negro estuviera completamente solo en el universo. Debemos contar con que la definición más popular de un agujero negro es que ni la luz puede escapar de su atracción gravitatoria, es decir, la luz no tiene velocidad suficiente para escapar. En el caso de una masa como la Tierra, nada puede salir de ella si no va a más de 11 kilómetros por segundo (unos 40.000 kilómetros por hora, que es una unidad que entendemos mejor). A la luz, con su velocidad de 30.0000 kilómetros por segundo, no le da para evadirse del efecto gravitatorio de un agujero negro solitario. Así que no deberíamos ver nada, no emitiría luz, sería literalmente invisible.

Pero quizás esto no es cierto. Digo quizás porque no está comprobado, pero la llamada radiación de Hawking sería una forma en la que un agujero negro sí emitiría luz. Esa radiación sería el resultado de fluctuaciones cuánticas justo en el horizonte de sucesos, que sería la superficie donde justo la velocidad de escape es igual a la de la luz. En una fluctuación cuántica durante un instante se puede crear una partícula y una antipartícula. Y resulta que la antipartícula de un fotón es otro fotón. Si se crean dos fotones por una fluctuación cuántica, en condiciones normales se aniquilarían y ni nos enteraríamos. Pero si al crearse el par de fotones, uno queda ligeramente dentro del horizonte de sucesos y otro fuera, el primero no podrá escapar y el segundo sí. ¡Así que los agujeros negros sí emitirían luz! A expensas de su masa. No serían tan invisibles, aunque los cálculos de Hawking determinan que la probabilidad de ese fenómeno es tan pequeña que emitirían una luz extremadamente débil, demasiado para poder detectarla con nuestros instrumentos actuales. Aun así, es tan importante que andamos buscándola.

Sigamos añadiendo supuestos, que en física rápidamente añaden complejidad al problema. En realidad, en nuestro artículo de hoy estamos discutiendo qué veríamos de un agujero negro, así que ya estamos asumiendo que no está solo en el universo, al menos nos tendría a nosotros delante. Y de nosotros sale luz (asumiendo que no estamos a cero grados Kelvin, estamos vivos). La definición más robusta de un agujero negro es que curva el espacio-tiempo de manera que nada puede acelerar para tener una trayectoria abierta (o de escape), todo lo que se acerque demasiado caerá en el agujero negro. Pero si nos ponemos a una distancia adecuada, algunos de los fotones que salen de nosotros pueden viajar por el espacio curvado por el agujero negro y, de nuevo, si estamos en el sitio correcto, podrían dar la vuelta alrededor del agujero negro (siempre más allá del horizonte de sucesos, sobrepasarlo es la “muerte” del fotón) y volver hacia nosotros. ¡Así que nos podríamos ver a nosotros mismos, como en un espejo! Nuestra imagen estaría bastante distorsionadilla, pero sabríamos que ahí hay un agujero negro. De hecho, ese espejo sería especial, porque si nos colocamos en el lugar adecuado y sin ni siquiera mirar directamente al agujero negro, fotones que salen de nuestra nuca podrían ver tan curvada su trayectoria que nos podrían llegar a los ojos tras dar una vuelta alrededor del agujero negro. Sería un espejo que nos permitiría vernos la nuca, ahí es nada.

Un agujero negro es, entonces, como un espejo, pero también como una lupa. Porque si hay cosas (planetas, estrellas, galaxias) detrás del agujero negro, cercanas o lejanas, el agujero negro nos permite verlas con mayor detalle y/o distorsionadas, dependiendo de su distancia y posición relativa con respecto al agujero negro. Es exactamente igual que una lupa, que puede enfocar la luz de sol en un punto o crear una imagen rara (una cáustica, se llama, una palabra no muy conocida).

Sigamos complicando el problema. El nuevo caso que proponemos es en realidad la forma más común de detectar agujeros negros. Si el agujero negro tiene material alrededor, este se distribuye en un disco, que es una estructura circular, con el agujero negro en medio, y muy plana, de ahí su nombre. En ese disco, el material se calienta a grandes temperaturas. En el caso de los agujeros negros supermasivos, y como si fuera una gran bombilla incandescente, puede brillar como toda una galaxia. Estamos hablando de gas dentro de una zona de unas pocas decenas de días luz, es decir, mucho menor que el tamaño del sistema solar hasta sus confines, en lo que se conoce como la nube de Oort, que está a varios centenares de días luz (la Voyager 1 que mencionamos está a casi un día luz). El material del disco, al emitir luz, pierde energía, así que al final el agujero negro se lo puede tragar, de ahí que la estructura se conozca como disco de acreción, usando otra palabra no muy conocida en español, pero que la RAE define como “crecimiento por adición de materia”.

Pero volvamos a nuestra pregunta de qué veríamos de un agujero negro. En esta última casuística, cuando hay material alrededor, deberíamos ver un disco emitiendo luz. Pero eso solo es verdad si observamos el agujero negro desde arriba, desde el mismo eje alrededor del cual rota el disco. Si observamos el disco desde un lado, con un cierto ángulo, no lo vemos cómo uno cabría esperar. Hagan la prueba de mirar un CD, o mejor un vinilo, que tiene su agujerito negro en medio como los discos de acreción astronómicos. Si lo observan en perpendicular, lo ven circular, si lo observan desde un determinado ángulo ven una elipse, y si lo observan desde el plano del disco, verán un segmento muy fino. Pero la analogía no nos vale para los monstruos cósmicos. Porque la curvatura espaciotemporal que producen implica que la trayectoria de la luz de la parte del disco que está más allá del agujero negro, y que en principio viajaba en perpendicular al disco, se distorsiona y gira en torno al agujero negro finalmente viajando hacia nosotros. Esa luz nos parece que proviene de la zona por encima del agujero negro, pero viene de la parte trasera del disco. Como el disco es circular, al final forma como una peineta por encima del agujero negro. Y lo mismo pasa por debajo: los rayos de luz de la parte inferior de la zona del disco que está detrás del agujero negreo, rayos que en principio viajaba hacia abajo, se curvan y llegan hasta nosotros como si viniera de la zona inferior del agujero negro.

La imagen de Gargantúa en Interstellar lo muestra a la perfección, está basada en nuestros mejores modelos de la emisión de un disco de acreción alrededor de un agujero negro. Quiero recalcar que estoy usando presente en este párrafo, no subjuntivo, y ¡es que este efecto lo hemos visto! Tanto para el agujero negro supermasivo de la galaxia M87 como para el de la Vía Láctea.

La visión de un agujero negro desde cerca tiene más peculiaridades tremendamente curiosas, pero me quedo sin espacio. Solo nombro finalmente el anillo de luz que se forma alrededor, muy cerca del horizonte de sucesos y en una zona más interna que los límites del disco de acreción, donde los fotones pueden adquirir órbitas circulares casi estables alrededor del monstruo, como si fueran un planeta, en lo que se conoce como la esfera de fotones. Algunos de esos fotones al final escapan y nos dejan la visión de un anillo. Busquen la imagen de Gargantúa, ese anillo se ve en la película. Si estuviéramos en ese anillo, es justo donde podríamos vernos la nuca, y habiendo cerrado un círculo argumentativo en este artículo, como la curvatura infinita del agujero negro en su centro, lo dejo.