La paradoja del muro de fuego

Las últimas declaraciones de Stephen Hawking han creado un tumulto en los medios de comunicación.  Cabeceras como El País, El Mundo, ABC o Antena 3 se han hecho eco de la noticia escribiendo titulares en los que se podía leer que según Hawking los agujeros negros no existen.

La noticia que aparece en los medios no es del todo correcta, sin embargo, es muy llamativa si se la titula así. Bien, lo que Hawking ha querido decir no es exactamente eso, si no que la idea que existe hoy en día sobre los agujeros negros tiene que ser renovada debido a una cuestión de paradojas con los modelos físicos actuales.

El tema principal de su nueva postura se basa en la paradoja de los muros de fuego que circundan los agujeros negros. Uno de los principales atributos de estos astros, aparte de su gravedad es su horizonte de sucesos, una región que marca el punto de no retorno, la región donde la gravedad es tan fuerte que sus efectos hacen imposible que nada pueda volver a salir una vez se cruza.

La naturaleza singular de los agujeros negros suponían hasta hace unos años un problema ya que violaba las leyes de la termodinámica, cuya segunda ley establece que todos los sistemas tienen una entropía, o nivel de desorden de energía, siempre creciente, es decir, todo tiende a desgastarse y desaparecer con el tiempo con lo que su energía se dispersa. Esto implica que todas las cosas desprenden algún tipo de calor. Este contexto en principio no casa con los agujeros negros ya que no pueden desprender nada como hemos dicho antes, sin embargo, en 1974 Stephen Hawking propuso una solución a este problema mediante la radiación de Hawking. Esta radiación se produce cuando en el vacío, entendido por un espacio con una densidad muy baja de partículas o energía, se crean pares de partículas súbitamente de la nada para encontrarse y aniquilarse casi al momento preservando la ley de equivalencia de energía. Este fenómeno se denomina energía del vacío. Cuando estos pares se crean cerca del horizonte de sucesos una de las compañeras podía cruzarlo dejando a su otro par fuera del agujero mientras que ella se perdía más allá del horizonte. Este proceso roba una pequeña porción de energía del agujero negro, reduciendo así su energía y contribuyendo a la pérdida de su masa.

Así se resolvía el problema de la entropía pero suponía a su vez otro rompecabezas, el de la paradoja del muro de fuego.  Cuando las partículas aparecen por pares estas tienen un entrelazamiento cuántico, es decir, para conocer la información total de una partícula hay que medir el estado de las dos. Si esta relación se rompe la partícula que queda sola se mantiene en un estado incompleto o térmico, también llamado no puro, desprendiendo calor. Este fenómeno propagado a lo largo de la frontera del agujero negro  generaría un muro de fuego. Técnicamente esto es imposible ya que la naturaleza del astro obliga a que cuando un objeto se aproxima al horizonte no debería notar ninguna transición, simplemente pasaría el punto de no retorno, pero todo a su alrededor seguiría igual, a excepción de que no podría volver atrás, pero no habría muro de fuego alguno. Para solucionar este nuevo problema Hawking ha propuesto la existencia de un nuevo tipo de límite para los agujeros negros, los horizontes aparentes. Un tipo de región similar en propiedades a los horizontes de sucesos pero que permite la existencia de la radiación de Hawking sin que haya un muro de fuego que contraríe las propiedades del agujero negro.

Big Bang dummy

A lo largo de la historia de la humanidad y debido a la naturaleza curiosa del hombre, se ha intentado dar una explicación al origen del Cosmos desde diferentes prismas. Algunas de estas respuestas estaban basadas en la fe y otras sostenidas por datos empíricos. A día de hoy no existe una teoría que consiga explicar con perfecta exactitud el nacimiento del Universo, ni funcionamiento ni su propósito, de hecho todas las teorías son aceptables, pero necesitan demostrar todo lo que proponen. Según Stephen Hawking, cualquier cuerpo teórico es perfectamente viable siempre que consiga explicar la realidad del analizador. Este concepto se denomina `Realidaddependiente del modelo`. Sin embargo, hay teorías más apropiadas que otras dependiendo del grado con el que puedan explicar el entorno sobre el que trabajan basándose en datos obtenidos a través de la experimentación. De esta manera, la Física y su Modelo Estándar de Partículas (que se ocupa de analizar las fuerzas fundamentales de la naturaleza y su relación con las partículas presentes en ella) son las mejores herramientas disponibles en la actualidad para cumplir con este propósito.

Para comprender el fenómeno que dio origen al Universo es necesario entender antes una serie de conceptos que juntos forman los pilares básicos del Cosmos.

Todo lo que alguna vez ha existido, lo que existe en el presente y lo que está por existir forma parte de una gran entidad global llamada Universo. El Universo es el escenario en el que se desarrollan todos los eventos naturales de la existencia. Por evento se entiende la interacción de un cuerpo u objeto cualquiera, conocido en Física como sistema, con su entorno u otro sistema en un momento determinado. Este hecho coloca a todos los eventos en un lugar y momento concreto de la existencia, es decir, se sostienen sobre las tres dimensiones espaciales (altura, anchura y longitud) y sobre una temporal. Estas cuatro dimensiones que componen el tapiz del Cosmos, son el esqueleto de la realidad y juntas forman el espacio-tiempo.

Por otro lado hay que tener en cuenta las fuerzas elementales de las que se ocupa el Modelo Estándar de Partículas, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y la gravedad. Estas fuerzas son las responsables de absolutamente todo lo que sucede en el universo e interactúan entre sí y con todas las partículas que se conocen hasta ahora. La fuerza nuclear fuerte es la más potente de las cuatro, sin embargo, su rango de acción se limita al núcleo del átomo 10.000 veces más pequeño que el átomo en sí y es la responsable de mantener las partículas de los átomos unidas. Esta fuerza es tan intensa que resulta casi imposible vencerla, hacerlo conlleva la liberación de enormes cantidades de energía al romper o fusionar un átomo y es la base sobre la que funcionan las bombas atómicas. La fuerza electromagnética es la segunda en la escala de intensidad y  se manifiesta gracias a las cargas negativa y positiva de la materia y es la que domina las reacciones químicas en las que los átomos comparten electrones para formar unidades más grandes llamadas moléculas. En tercer lugar está la fuerza nuclear débil y es la responsable de la radioactividad. Finalmente, la gravedad es la fuerza más débil de todas, no obstante, la que mayor alcance tiene ya que puede actuar a grandes distancias y la que ha jugado un papel fundamental en el desarrollo del Universo. La gravedad ejerce su influencia sobre la materia atrayendo los objetos entre sí. Cuanto más masivo sea un objeto más gravedad generará.

Es importante destacar el papel de las partículas elementales ya que son las mediadoras de las fuerzas de la naturaleza y las que le dan forma. Existen dos grandes familias, los fermiones y los bosones. Los fermiones son los que al agruparse forman los átomos y la materia. Los fermiones existen en diferentes formas y tipos como los quarks que al unirse forman los protones y neutrones del núcleo atómico. También pueden ser electrones y neutrinos. En llano, los fermiones son las partículas palpables del universo y tienen masa. Por otro lado están los bosones, responsables de transmitir las cuatro fuerzas y no todas tienen masa, de hecho exceptuando el bosón de higgs que aporta la masa a las demás partículas, el resto de bosones no tienen masa, son partículas `fantasma´. Estas partículas atraviesan los átomos pasando de unos a otros como si fuesen una ola y de esta manera afectan de distinta forma a la materia. El fotón transmite la fuerza electromagnética en forma de luz visible, rayos X, microondas, rayos gamma y rayos infrarrojos. Las partículas W y Z son las responsables de generar la radioactividad. Los gluones son los bosones que generan la fuerza nuclear fuerte, estos unen los quarks entre sí formando protones y neutrones y manteniendo el núcleo del átomo unido. Por último, el gravitón es el bosón que transmite la gravedad, aunque aún no se ha demostrado su existencia.

El Modelo Estándar y la Física en general tienen la unificación de las cuatro fuerzas como una de sus metas más ambiciosas. Hasta ahora la gravedad ha sido la única que no se ha podido integrar mediante una teoría sólida con las otras tres, ya que a nivel atómico, ámbito en el que el resto de fuerzas funcionan, la gravedad es casi nula. Sin embargo, al existir partículas con masa se entiende que juega un papel importante. Al mismo tiempo existe un fenómeno natural que tiene la respuesta a este problema, las singularidades. Una singularidad es la condición excepcional a la que llega la materia cuando esta está bajo el efecto de un campo gravitatorio muy intenso. Las singularidades son los astros que dan vida a los agujeros negros. La gravedad se intensifica cuanto más masivo es un objeto y cuanto más denso es. De ser suficientemente intensa, esta relación entre gravedad y materia puede convertirse en un círculo vicioso. En ocasiones un objeto suficientemente masivo como algunas estrellas se caen sobre sí mismas debido a su intensa gravedad, volviéndose más densas, pero manteniendo su gran masa intacta. Esto al mismo tiempo genera más gravedad que vuelve a contraer la estrella generando más gravedad al mismo tiempo y repitiendo el proceso una y otra vez. El resultado es un punto subatómico que encierra en su nulo volumen cuerpos con masas de varias estrellas, convirtiéndose así en la respuesta a la unificación de las fuerzas, la gravedad en su estado más salvaje actuando a través de un objeto más pequeño que un átomo. El problema es que llegados a este punto las leyes físicas que explican el funcionamiento del Universo dejan de funcionar dentro de las singularidades y resulta imposible estudiarlas debido a los efectos que tienen sobre el espacio-tiempo, de ahí su nombre. Entender el funcionamiento de las singularidades y unificar las fuerzas de la naturaleza es vital para comprender el Big Bang.

En 1929 Edwin Hubble descubrió que la mayoría de las galaxias se alejaban de la tierra, llegando a la conclusión de que el Universo se expandía. Este descubrimiento puso fin a la idea de que el Cosmos era estático postulando que se hacía más grande exponencialmente, lo que se conoce como Expansión Acelerada. Según el descubrimiento de Hubble las galaxias no se alejaban de La Tierra sin control, se alejaban porque el espacio-tiempo, el Universo mismo al hacerse más grande, agrandaba las distancias entre todos los cuerpos en el, como si las motas sobre la superficie de un globo se alejasen las unas de las otras a medida que se infla el globo.

Una de las pruebas irrefutables de la teoría del Big Bang es la Radiación de Fondo de Microondas. En 1964 Arno Penzias y Robert Wilson, un par de astrónomos aficionados, trasteaban con una antena de radio cuando descubrieron que esta detectaba un ruido de fondo que no conseguían identificar. Más tarde se dieron cuenta de que ese ´ruido´ estaba presente en todas direcciones y llegaron a la conclusión de que era un tipo especial de radiación que venía desde todas las partes del cielo. Con el tiempo se comprobó que esa radiación era el `eco` del Big Bang. Se trata de la luz emitida cuando el Universo empezó a crecer. Con el paso del tiempo esa luz ha ido bajando su intensidad y alargando su longitud de onda bajando hasta la frecuencia más débil para convertirse en microondas e impregnar todo el Universo homogéneamente.

Sabiendo que el Cosmos crece a medida que el tiempo pasa, tiene sentido pensar que cuanto más atrás se mira en el tiempo el Universo era progresivamente más pequeño y más denso. Siguiendo esta lógica y conociendo el comportamiento de las singularidades y la relación entre gravedad y materia, al viajar hasta el punto en el que el tiempo empezó, el Universo debía de ser un lugar muy pequeño. Si la masa de una estrella grande es suficiente para crear una singularidad, con razón es más seguro que toda la materia de la creación hubiese partido de una singularidad primordial. Es imposible hablar del Big Bang en sí, ya que la física no puede analizar los momentos previos al evento. En las singularidades las dimensiones y el espacio-tiempo no existen, el tiempo va unido a un espacio sobre el que este permite a los eventos evolucionar, si no hay un lugar donde estos se desarrollen no es posible hablar de tiempo y por tanto analizar ese momento. No se conoce como esa singularidad pudo romperse y dar lugar al nacimiento de todo. Los agujeros negros sin embargo, pueden desaparecer con el tiempo mediante un proceso de desgaste llamado Radiación de Hawking, pero para eso es necesario tener un espacio donde residir. La singularidad primordial no estaba contenida en nada, es más preciso decir que el Universo nació espontáneamente de la nada. A diferencia de lo que se cree el Big Bang no fue una explosión propiamente dicha, ya que para que algo explote necesita propagarse a través de un espacio. El Big Bang fue un evento silencioso que generó el espacio y con él, el tiempo. Para poder oír algo es necesario que el sonido se propague a través de un medio y en el espacio no hay tal cosa, sólo vacío, por eso los sonidos se ahogan con más razón todavía sería difícil oír algo si no hubiese siquiera vacío. No es planteable pensar en un cuándo ya que el tiempo no era una variable que existiese en ese entorno. En los segundos que siguieron a este acontecimiento el espacio que se generó pasó de ser nulo a tener varias veces el tamaño de la Vía Láctea. En otras palabras, todo lo que nació se movió más rápido que la luz, y está fuera de lo analizable por la Física contemporánea debido a las contradicciones que conlleva tener elementos viajando a velocidadessuperlumínicas. En esta etapa temprana de expansión, el Cosmos experimentó su crecimiento más energético, la denominada etapa de inflación, que no se ha vuelto a repetir jamás. El ritmo de expansión se frenó progresivamente debido a la gravedad que generaba toda la materia del Universo. Ésta ejercía una fuerza opuesta a la de la explosión, como la que existe en el caso de un globo que se quiere contraer debido a la tensión de la goma pero que se expande mientras lo inflamos. Se sabe que el Universo primordial era muy caliente. La materia no formaba átomos porque contenía mucha energía, tal como pasa en las estrellas. Las partículas se movían demasiado rápido como para estar lo suficientemente quietas y dejar que las cuatro fuerzas las atrapasen para formar los primeros átomos. El Universo era una amalgama caliente de plasma. Sólo cuando se hubo expandido lo suficiente como para enfriarse a unos cuantos millones de grados,  las partículas no tuvieron fuerza suficiente para ignorar las fuerzas y se pudieron formar los primeros átomos de hidrogeno y con ellos las primeras estrellas.

Las condiciones previas al Big Bang no son planteables para la Física ya que las variables de ese entorno no forman parte de lo que la ciencia puede medir y por tanto no es posible estudiarlo. Sin embargo, se pueden analizar los momentos posteriores al nacimiento del Universo para comprender el comportamiento del Cosmos de hoy en día y cómo evolucionará.

Viajes en el tiempo

Los viajes en el tiempo siempre han sido uno de los temas recurrentes dentro de la fantasía del hombre, al igual que lo son el volar o descubrir  lugares ignotos. Sin embargo, por muy difícil que parezca, moverse a través tiempo tiene una base teórica.

Es necesario puntualizar que todos viajamos hacia el futuro de manera constante, a  un ritmo de 1s/s. Por viajar en el tiempo se entiende el poder moverse a través de él de manera libre a un ritmo diferente del natural hacia el pasado o el futuro. Viajar hacia adelante en el tiempo obviando el ritmo normal al que este transcurre es algo muy común en la naturaleza. De hecho los satélites GPS tienen en cuenta los pequeños desfases temporales que hay entre ellos y las personas que los utilizan abajo en la tierra para poder hacer sus mediciones con total precisión. A este fenómeno se lo conoce como dilatación temporal. Ahora bien, el problema radica en realizar los saltos hacia atrás, hacia eventos que ya han sucedido. No obstante para comprender el funcionamiento de este mecanismo es necesario aclarar algunos conceptos sobre la Física.

Para viajar hacia el pasado es necesario poder moverse a una velocidad superior a la de la luz. Por eso mismo el año pasado cuando por error se anuncio que en el LHC se habían detectado neutrinos superlumínicos los físicos allí presentes explicaron que sería posible enviar información al pasado. Más tarde corrigieron su error, ya que los neutrinos tienen masa y las partículas con masa no pueden alcanzar jamás esa velocidad. Esta limitación está explicada por la fórmula de la equivalencia entre masa y energía de Einstein, E= m.c²   . La fórmula básicamente explica que toda partícula tiene energía y que esta equivale a su masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Partiendo de este principio, cuanta más masa tenga una partícula mayor será su energía y cuanto mayor sea su velocidad mayor será su energía también. Así pues, cuanto más rápido se mueva una partícula más energía tendrá y por tanto necesitará aún más para seguir acelerando. Para llegar a la velocidad de la luz una partícula con masa necesitaría una cantidad de energía infinita. El principio de conservación de la energía mantiene que en el universo existe siempre la misma cantidad de energía, la materia ni se crea ni se destruye, simplemente cambia. Teniendo en cuenta esta ley es imposible que nada que tenga masa pueda superar a la luz ya que necesitaría más energía de la que existe.

Larelatividad especial se basa en que el tiempo no es un valor absoluto, sino que se trata de una dimensión que es diferente para cada observador dependiendo de la velocidad a la que se mueva, en otras palabras, el tiempo es relativo. Esta teoría trabaja en universos planos, sin curvaturas generadas por la gravedad. En este universo se obvian muchos detalles de la relatividad general, que se creó posteriormente añadiendo la gravitación y los efectos que esta tiene en el espacio-tiempo con el objeto de completar la primera teoría. La relatividad especial permite la existencia de taquiones, partículas más rápidas que los fotones. Estas viajarían a velocidades mayores que la de la luz, sin embargo, al aplicar la gravitación a la relatividad, como los taquiones violaban varias de las leyes de la teoría simplemente se tacharon.

En Física muchas magnitudes son relativas dependiendo de con que se las compare, como es el caso de la aceleración. Siempre hay que compararla con otro objeto para determinar su valor en un momento dado. Como la luz es siempre constante y se mueve a la misma velocidad en cualquier momento y también sin tener en cuenta a los observadores, se utiliza como referencia para efectuar mediciones. A modo de curiosidad, en las ecuaciones de la relatividad los taquiones invierten el orden en el que ocurren los eventos. Todo lo que se mueve por debajo de la velocidad de la luz lo hace respetando el orden en el que ocurren los sucesos del universo, primero sucede  A y luego B, respetando la flecha del tiempo que está regida a su vez por la entropía. Sin embargo, los taquiones lo hacen del revés.

Dentro del marco de la relatividad general es posible en teoría mover partículas a velocidades superiores a la de la luz. Este fenómeno sucede cerca de algunos agujeros negros. Todas las estrellas giran sobre sí mismas, tienen un giro llamado momento angular. Tras explotar y dejar el núcleo como remanente, este conserva el momento angular de la estrella y dota al agujero negro de algunas características especiales. Se dice entonces que tenemos un agujero negro en rotación. Estos astros tienen una zona alrededor de su horizonte de sucesos llamada ergosfera. En la ergosfera el espacio-tiempo que el agujero negro arrastra hacía sí mismo gira alrededor de él gracias a su momento angular. Cuanto más nos aproximamos al horizonte de sucesos del astro, un objeto cualquiera que flote en ese espacio-tiempo en giro se moverá a una velocidad superior a la de la luz sin tener que contar con una cantidad de energía infinita. Al no haber pasado el horizonte de los sucesos, el objeto podría escapar a tiempo de la gravedad del cuerpo celeste aprovechando la energía cinética del astro para aparecer en un tiempo anterior, robando así energía al agujero negro y disminuyendo su momento angular. Un observador alejado del agujero negro vería como el objeto desaparece al romper la barrera de la luz para aparecer en un momento anterior al del observador. Sin embargo el salto del objeto no podría ir jamás a una etapa anterior a la de la formación del propio agujero negro.

A modo de reflexión hay que destacar que estos viajes son imposibles para las personas. Las mareas gravitatorias que se experimentan cerca de un agujero negro son tan intensas que un ser humano acabaría despedazado mucho antes de llegar a la ergosfera y por tanto sólo es posible mandar partículas subatómicas a tiempos pretéritos.

El cuásar más brillante

Recientemente se ha descubierto el cuásar más brillante encontrado hasta la fecha. El equipo responsable del hallazgo es un grupo de astrónomos del  Observatorio Sur Europeo en Chile. Gracias al Very Large Telescope (VLT) han podido encontrar a SDSSJ1106+1939, que supera en cinco veces el brillo los cuásares más brillantes conocidos hasta el día de hoy.

Los cuásares son los objetos más brillantes del universo observable. Técnicamente hablando son procesos altamente energéticos que liberan grandes cantidades de radiación en forma de luz visible, rayos gamma, rayos ultravioleta y rayos X. Estos fenómenos se producen en el centro de las galaxias más antiguas y distantes del cosmos.

Sin embargo, para entender el comportamiento de estos fenómenos es necesario aclarar algunos conceptos relativos al funcionamiento de los agujeros negros. Los cuásares se encuentran en el centro de las galaxias porque son las zonas más densas del grupo de estrellas al que pertenecen y por extensión donde más energía se acumula. Para que las galaxias mantengan su forma y consigan mantener todas sus estrellas unidas, necesitan un motor que las aglutine a lo largo de los varios años luz que ocupan. Esta función la cumplen los agujeros negros supermasivos, resultado del colapso de cuerpos muy pesados y que con el tiempo acabaron fusionándose creando dicho cuerpo celeste. El agujero negro tiende a atraer toda la galaxia hacía su interior, por eso las galaxias tienen esa forma tan característica en espiral. El centro es la parte donde la mayoría de las estrellas se agrupan camino a encontrarse con el agujero negro. A medida que la materia se acerca al punto de no retorno que rodea el astro esta se despedaza a causa de las mareas de gravedad que provienen de él y se convierten en una masa de escombros, polvo y gas. El grupo de residuos gana más velocidad a medida que se acerca al agujero negro, y empieza a girar alrededor de él formando un disco muy caliente, donde las altas temperaturas a las que se somete la materia la vuelven radiactiva y la hacen emitir ondas de diferentes frecuencias como las mencionadas anteriormente. Este fenómeno cerca del horizonte de sucesos del agujero negro se llama disco de acreción, y como su nombre indica sirve para añadir materia al cuerpo celeste. El problema viene cuando una cantidad importante de materia, en los casos más leves se trata de 10 masas solares al año, intenta entrar de golpe en el agujero negro. En el caso de SDSS J1106+1939, el ritmo de absorción es mucho mayor que el de los cuásares más brillantes, que necesitan 1.000 masas solares por año.  La materia supercalentada del disco de acreción no puede entrar en un sitio tan pequeño en un espacio de tiempo tan corto, de modo que sale disparada por los polos del astro en forma de chorros de energía. Sería como intentar hacer que mucha gente entrase a la vez por una única puerta. Los jets de energía que emanan del núcleo de la galaxia son la principal característica del cuásar. Al ser materia con tanta energía los cuásares pueden ser visibles desde distancias muy lejanas si las eyecciones de materia apuntan directamente a la Tierra.

La razón por la que estos fenómenos se dan en galaxias tan distantes radica en que se crearon en etapas muy tempranas del universo. Cuanto más atrás se viaja en el tiempo en otras palabras, cuanto más lejos se mira, el cosmos es más pequeño y más denso haciendo más propicio el contexto que necesitan los cuásares para existir. El cuásar más lejano que se conoce está a 13.000 millones de años luz de nuestro planeta. Casi al principio del tiempo. Este hecho significa que los cuásares que se ven desde la Tierra probablemente no existan en la actualidad, y que sean sólo un reflejo de la luz que emitieron hace eones y que ha llegado hace no mucho.

El agujero negro

Los agujeros negros son objetos muy simples, sin embargo, su existencia genera multitud de efectos que la Física difícilmente puede analizar. Para comprender como se forman estos cuerpos celestes conviene entender primero qué es la gravedad, su atributo principal.

Cualquier tipo de energía o masa, por pequeña que sea produce una 'abolladura' en el espacio en el que se encuentra. Esta distorsión no es un efecto perceptible por el ojo humano, ya que deformar el espacio que algo ocupa no es algo palpable. Esta perturbación es la gravedad. Cuanta más masa tenga un objeto cualquiera más distorsionará el espacio a su alrededor. Los objetos se mueven en línea recta por el vacío donde no hay gravedad alguna que perturbe su trayectoria. Sin embargo, al pasar cerca de un cuerpo suficientemente masivo, el camino recto por el que se mueve el objeto encontrará un “socavón” y su trayectoria se curvará y quedará encerrado en esa distorsión dando vueltas alrededor del cuerpo masivo que la ha generado. Así pues, las personas que estamos en la tierra estamos atadas a ella porque el espacio que el planeta distorsiona al estar donde está no nos permite salir de él. La única manera de superar la fuerza gravitatoria de la tierra es moverse a una velocidad que permita vencer la atracción de ese espacio curvado, a este concepto se lo conoce como velocidad de escape.

Las estrellas al igual que la tierra son cuerpos celestes creados por la aglomeración de materiales atraídos entre sí por la gravedad. Una estrella es una masa enorme de hidrógeno que genera helio en su núcleo mediante reacciones termonucleares. Los átomos de hidrógeno se mueven tan rápidamente que al chocar se fusionan creando helio y grandes cantidades de calor y radiación. Este proceso obliga a la estrella a expulsar toda esa energía hacia el exterior, y de hecho explotaría si no tuviese un contrapeso que equilibrase toda esa fuerza, la gravedad. La propia estrella al ser tan masiva tiende a contraerse a sí misma, intenta caerse sobre su propio cuerpo. Gracias a este sistema la estrella se mantiene en equilibrio y puede existir. Cuando el combustible de una estrella se acaba no queda ninguna fuerza que pueda frenar la gravedad del astro y este comienza un colapso gravitatorio sin control. Si las estrellas que llegan a este punto son como nuestro sol o menos masivas, el principio de exclusión de los átomos obligará a estos a hacer tope a la gravedad dejando un cuerpo muy pequeño y denso conocido como enana blanca. Se dice entonces que esa estrella no ha pasado su Límite de Chandrashekhar. Este límite establece que una estrella con una masa 1,5 veces mayor que la del sol será demasiado masiva como parar que nada pueda para su colapso gravitatorio. En tal caso la estrella continúa contrayéndose en un proceso sin control hasta alcanzar un tamaño subatómico, creando una singularidad.

La singularidad es un cuerpo de densidad infinita que encierra en un punto de volumen cero cuerpos mayores que el sol. Esta condición curva el espacio alrededor de la singularidad de tal manera que la gravedad resultante adquiere también un valor infinito. La abolladura en ese rincón del espacio sería más similar a un pozo que a un leve socavón. Esto significa que incluso un rayo de luz que pase cerca de un agujero negro pesará tanto que literalmente caerá dentro de él, hacia la singularidad microscópica. La singularidad de un agujero negro es siempre del mismo tamaño, lo que varía es el campo de acción del astro. Este campo marca el lugar a partir del cual nada que lo cruce podrá escapar de la gravedad del cuerpo celeste ya que la velocidad de escape necesaria para vencerlo supera la velocidad de la luz (300.000 km/s). Este radio se llama horizonte de los sucesos porque ningún evento que tenga lugar dentro de ese radio podrá afectar jamás a lo que se encuentre fuera de él ya que nunca podrá escapar del agujero. El hecho de que la luz no pueda ser reflejada en estos cuerpos significa que son invisibles, sin embargo, es posible detectarlos por los efectos gravitatorios que ejercen alrededor de los astros que tienen cerca. En términos generales son enormes sumideros de lo que nada puede salir.

Lo curioso viene cuando se analizan los efectos que estos cuerpos provocan en el espacio que los rodea. El tiempo junto con el espacio forman parte de la misma estructura, el espacio-tiempo. Esta simbiosis implica que el tiempo se ve afectado por la misma gravedad que afecta al espacio, pero de manera distinta. La dimensión temporal fluye mas lentamente cuanta más gravedad hay. Se trata de una extensión del efecto de la gravedad, al igual que la deformación espacial se traduce en atracción entre cuerpos, en la dimensión temporal se traduce en una ralentización de los sucesos. Así pues un gemelo que quedase atrapado dentro de un agujero negro viviría sus 80 años de media, mientras que su gemelo de fuera lo vería envejecer a un ritmo muy lento. El reloj interno de cada uno seguiría intacto, pero el tiempo de referencia para cada uno dejaría de ser el mismo.

En la singularidad todas las dimensiones se reducen a la nada, las tres espaciales y la temporal, dando como resultado el final del tiempo mismo. Este punto toma su nombre de la imposibilidad de la Física por comprender lo que pasa en él. Todas las leyes de la ciencia dejan de funcionar en este espacio aislado del resto del universo y por eso se lo llama singularidad.

La flecha del tiempo

Hace no mucho leí en un artículo que si de alguna manera se pudiese sobrevivir a una caída en un agujero negro, el privilegiado que se hallase en su interior sería capaz de ver el pasado del universo en un sólo instante. La idea se me antojaba surrealista, ya que implicaba invertir la dirección del tiempo, es decir, poner el pasado en el futuro, en algún momento el accidentado viajero contemplaría el Big Bang.

En realidad no le di mucha importancia ya que nadie puede realmente decir que ocurre dentro de un astro de esta naturaleza ya que en su corazón, en la singularidad, las leyes de la física dejan de ser aplicables. Sin embargo, por pura fortuna he dado con un capítulo del libro “Historia del tiempo” de Stephen Hawking en el que se habla de la entropía y de la relación de esta con el tiempo. Después de pensarlo un rato he comprendido el planteamiento de la idea que leí en el artículo sobre los agujeros negros, aunque sigo manteniéndome escéptico al respecto. La entropía es una magnitud que sirve para medir el grado de desorden en cualquier cosa que alguien se pueda imaginar. Por desorden se entiende la destrucción o grado de no estabilidad de ese elemento. La termodinámica establece que la entropía es siempre creciente, es decir, todo lo que existe va a acabar destruyendose, pereciendo. Las cosas se rompen con el paso del tiempo y los seres vivos morimos. La entropía nunca disminuye, ya que cuando algo se crea o se repara, el esfuerzo o energía necesarios para ello crean entropía a modo de desgaste de los materiales que hemos usado para esa reparación. En conclusión, no se puede escapar de la entropía. Ahora bien, el ser humano es capaz de percibir el paso del tiempo gracias a los efectos que la entropía tiene en su entorno. Este concepto se llama flecha del tiempo e indica la dirección que este sigue. El ver las cosas seguir un orden natural de evolución es lo que indica a las personas que el tiempo fluye hacia adelante, hacia el futuro. Si se hacen fotos del proceso entero que sigue a un vaso desde su posición quieta en una mesa a su último suspiro hecho añicos en el suelo, cualquiera podría ordenar las fotos cronológicamente basándose en el principio de la entropía. Primero el vaso estaba unido y después roto.

Con la idea anterior en mente queda claro que el tiempo fluye hacia delante, hacia el futuro por la entropía. Teniendo en cuenta que el universo se expande constantemente en todas direcciones, el tiempo dentro de él siempre fluye hacia adelante junto con la entropía que lo acompaña. Sin embargo, si el universo entero colapsase hasta ser la diminuta singularidad de la que partió el big bang, se podría esperar que la entropía se invirtiese y por tanto el tiempo también, es decir, este fluiría desde el futuro hacía el pasado. La gente recordaría el futuro y el pasado estaría por venir. El universo distendido y menos denso que conocemos ahora tendería a contraerse y a hacerse más denso. Las cosas empezarían a ordenarse y a recomponerse como una vez fueron, hasta que todo volviese a ser una pequeña región que contuviese toda la creación. Esta súbita contracción del universo es el proceso que siguen todas las estrellas que se convierten en agujeros negros. Esto me lleva a la idea principal, si el espacio se contrae hasta el infinito en un agujero negro, el tiempo también lo hace y por consiguiente la entropía se invierte junto con el, haciendo posible ver el comienzo del cosmos.

Con este post no quiero decir que esté de acuerdo con la idea planteada, ya que especular con lo que ocurre en la singularidad de un agujero negro es imposible. Pero siguiendo la lógica de la entropía tiene bastante sentido.

Estrellas negras

La existencia de las estrellas negras es un supuesto teórico que se lleva barajando no hace mucho tiempo en el campo de la astrofísica. Hasta hace poco se pensaba que el estadio anterior por el que una estrella podía pasar antes de convertirse en un agujero negro era el de una estrella de neutrones. En este estado, la fuerza de repulsión de los neutrones para el colapso gravitatorio de la estrella e impide la formación del agujero negro.

Si el colapso de la estrella es lento y va camino a convertirse en un agujero negro, se da un curioso proceso en el que la energía del vació frena de manera natural la formación de la singularidad. En el vació, hay partículas que existen por un breve periodo de tiempo antes de aniquilarse entre ellas al anularse sus cargas mutuamente. En ocasiones ocurre que una partícula de una carga determinada mientras repele a las de su misma carga para atraer a la contraria, forma una nube de partículas del mismo signo. Este fenómeno se conoce como polarización del vacío, y puede desarrollarse en el campo de la gravedad. Cuando la estrella que se colapsa va curvando el espacio-tiempo a su alrededor si lo hace de manera lenta puede polarizar el campo gravitatorio y crear una fuerza gravitatoria que contrarreste el colapso de la estrella y evite la formación de una singularidad y por ende la del agujero negro. Al final del proceso tendríamos un astro con una fuerza de gravedad similar a la de un agujero negro, pero sin singularidad y sin horizonte de los sucesos. Un cuerpo opaco incapaz de reflejar luz.

Cómo cruzar grandes distancias

Entre los desvaríos teóricos de la astrofísica encontramos ejemplos tan curiosos como los de los agujeros de gusano. Estos agujeros vendrían a resolver el problema de tener que cruzar grandes distancias y, ademas, no tardaríamos más que un instante en hacerlo.

Este fenómeno se explica mediante la existencia de los agujeros negros. Se cree, al menos en el plano teórico, que gracias a la manera en la que estos astros curvan el espacio-tiempo, se puede aprovechar dicha perturbación para unir dos puntos del espacio mediante un túnel. De la misma manera en que unimos dos puntos en un folio de papel al doblarlo. El problema radica en que cualquier viajero del espacio no mantendría su forma física por más de un segundo, debido a las potentes mareas gravitatorias y los flujos de radiación emitidos por el astro. De ser así el afortunado aventurero se adentraría en una región desconocida para la ciencia donde las leyes físicas no funcionan y en la que supuestamente, encontraríamos un pasaje al extremo opuesto del túnel generado por el agujero negro. De esta manera tan peculiar y algo arriesgada seríamos capaces de movernos de un lugar a otro salvando distancias de miles de años luz en san sólo pocos segundos.

¿Nuevas catástrofes cósmicas?

Entre las maneras que se han barajado para aniquilar a la tierra hemos tenido ejemplos de todo, asteroides explosivos, radiaciones cósmicas y hasta ser atrapados por el sol. Aunque el final para todos nosotros llegaría con la misma velocidad y el resultado sería el mismo, quizás el más desalentador es el de caer en un agujero negro. Estos peculiares astros no son estáticos, de hecho se mueven a grandes velocidades a través del espacio, y llevan existiendo desde los primeros momentos de vida del universo. Obviando su infinita capacidad destructiva, otro problema que se le suma es que son sumamente difíciles de detectar, ya que no reflejan la luz y por ende no se pueden ver. Teniendo esto en cuenta, en cualquier momento uno de estos agujeros podría pasar cerca de la Tierra y hacerla desaparecer en un instante y nosotros ni siquiera nos daríamos cuenta.

Aunque no todo son malas noticias, ya que de la gran mayoría de agujeros negros que existían al comienzo del cosmos, los más pequeños y difíciles de detectar se han evaporado, y sólo quedan los más grandes que descansan en los corazones de las galaxias. Los agujeros negros por increíble que parezca también mueren, y esto es posible gracias al proceso conocido como la radiación de Hawking, mediante el cual, estos van perdiendo masa y finalmente desaparecen.

Atracción y tiempo

Hemos hablado anteriormente de la gravedad, esa eterna compañera imprescindible en todo tema relacionado con la astronomía. Pero todavía no la hemos tratado en profundidad. La gravedad es descrita como una de las 4 fuerzas elementales que dominan el universo junto con el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. De las 4, la gravedad es la más débil, pero es la que más rango de acción tiene. Podríamos describir la gravedad como una consecuencia de la existencia de materia en la realidad. El espacio-tiempo, el medio en el que se desarrollan los eventos de la naturaleza es concebido como una entidad plana y homogénea. Sin embargo, la presencia de un cuerpo, independientemente de la masa que tenga, hunde este tejido deformándolo, como cuando ponemos una bola de billar sobre una suave sábana. Por tanto, cuanto mayor sea la masa del objeto, más gravedad generará este, es decir, más deformara el espacio tiempo. Esta deformación no la podemos ver como podríamos en nuestra sábana hundida, pero la percibimos al ver como los objetos son atraidos con mayor o menos fuerza al objeto que origina tal distorsión.
Otro efecto notable es la distorsión del tiempo. El tiempo no fluye de la misma manera en todos sitios, a diferencia de lo que la mayoría pueda pensar, el tiempo no es una entidad aparte de la realdiad, es parte de ella y es afectado por las fuerzas que la dominan. Un lugar en el que la fuerza d ela gravedad sea muy intensa, hará que el tiempo fluya más despacio que que un lugar donde la gravedad sea muy débil. Este fenómeno es casi imperceptible para nosotros, y sería necesaria una intensidad gravitatoria que traspasase nuestra imaginación para ver los efectos de este fenómeno de manera notable. Así pués, si sincronizamos un par de relojes en la tierra y posteriormente ponemos en órbita uno, notaremos como el reloj que tenemos nosotros aquí abajo irá más despacio que el que está dando vueltas alrededor d ela tierra.
Este efecto está muy bien explicado en el experimento de los gemenos y el agujero negro. Hemos hablado de los agujeros negros y la potente fuerza gravitatoria que ejercen. Si de alguna manera pudiesemos lanzar uno de los gemelos al agujero negro sin que este muriese al isntante, el gemelo que estuviese fuera, vería como su hermano caería en el agujero engro, y que este iría ralentizandose hasta el punto en que el pobre hombre no llegaría jamás a cruzar el horizonte de los sucesos del devorador cósmico. Mientras, si nos pusiesemos en la perspectiva del gemelo que caía en el agujero, veríamos desde dentro del diminuto reino del astro, que el hermano de fuera envejecería a una velocidad de vértigo y se convertiría en polvo en cuestión de microsegundos. Sin embargo el tiempo que cada gemelo viviría sería el mismo, simplemente, que quedarían separados en tiempos diferentes.

El motor de la vía láctea

Hemos hablado antes sobre agujeros negros y sí, tienen una fama algo desmerecida, pero en su medida nos son indispensables. Si nos fijamos todas las galaxias tienen formas diferentes, pero comparten más o menos la forma en disco y su núcleo brillante donde están la mayoría de sus estrellas. Esta manera que tienen las galaxias de distribuir su masa no es azarosa, se debe al motor que las mantiene unidas. En el centro de cada galaxia hay un agujero negro supermasivo que atrae hacia si toda la materia que compone los miles de años luz de envergadura de una galaxia. Esto da forma de remolino a las galaxias, tal y como pasa con el agua cuando se va por el agujero de la bañera. De ahí que la mayor parte de la masa de una galaxia se encuentre en el centro. El agujero negro mueve toda la materia de la galaxia, ayudando a crear nuevas estrellas y a dar forma a la galaxia.

En la palma de la mano

Esta vez toca hablar sobre agujeros negros. Se trata de lejos de los objetos más extraños y misteriosos que podemos encontrar en el universo conocido. Estos astros se forman cuando una estrella de mucha masa explota y deja su núcleo desnudo flotando en la nada. Su corazón "se cae" por así decirlo sobre si mismo por culpa de la grandísima gravedad que genera. Esto hace que el objeto se comprima hasta adquirir dimensiones subatómicas. Es difícil imaginarse un cuerpo de una masa superior a la del sol encerrado en un punto tan pequeño, pero este hecho es lo que dota al agujero negro de sus curiosas características.Estos voraces astros son capaces de engullir planetas y estrellas enteras sin despeinarse. La gravedad adquiere un valor infinito en este nuevo estado y, hace que la luz pese lo suficiente como para que esta caiga literalmente a ese pequeño punto. De ahí su nombre, ya que al no reflejar la luz no se puede ver.