En busca de los agujeros negros invisibles: impacto gravitacional y efectos en las estrellas cercanas

¿Qué es un agujero negro?

Los agujeros negros son objetos astrofísicos cuyo campo gravitacional es tan intenso que ninguna luz puede escapar, lo que los hace invisibles. Estos objetos se forman por el colapso gravitacional del núcleo de estrellas masivas (supernova). Esta realidad, anticipada ya en el siglo XVIII por John Michell (1724 - 1793), hoy se describe rigurosamente por la relatividad general que define el horizonte de eventos como el límite infranqueable para cualquier partícula o radiación.

Observación indirecta por interacciones gravitacionales

Un agujero negro puede ser detectado por su influencia gravitacional en su entorno. En astrofísica, esto se traduce en el estudio del movimiento de las estrellas o del gas alrededor de una región donde no hay ninguna fuente de luz visible.

• Curvas de velocidad de las estrellas: Al medir las velocidades orbitales de estrellas cercanas a una región compacta, se puede deducir la masa del objeto central. Un exceso de masa no visible es una fuerte indicación de un agujero negro, como en el centro de la Vía Láctea con Sagittarius A*.
• Lente gravitacional: La desviación de los rayos de luz por el campo gravitacional intenso también puede revelar un agujero negro aislado a través de un efecto de lente gravitacional.

Radiación X de los discos de acreción

Los agujeros negros en fase de acreción atraen materia circundante que forma un disco caliente que gira a gran velocidad. La fricción interna eleva la temperatura del disco a varios millones de kelvins, provocando la emisión de rayos X detectables por satélites especializados (ej: Chandra, XMM-Newton).

El espectro y la variabilidad de la radiación X proporcionan información sobre la masa, la velocidad de rotación (spin) y la estructura del entorno cercano al agujero negro.

Observación de radio e imagen directa

La imagen histórica de la sombra del agujero negro supermasivo de M87 por el Event Horizon Telescope (EHT) en 2019 constituyó un avance mayor. Esta red mundial de radiotelescopios funciona por interferometría de base muy larga (VLBI), permitiendo una resolución angular suficiente para "ver" la sombra del agujero negro rodeada por el disco de acreción.

Detección de ondas gravitacionales

La coalescencia de agujeros negros binarios produce ondas gravitacionales detectadas por interferómetros terrestres (LIGO, Virgo, KAGRA). Estas ondas son deformaciones del espacio-tiempo, medidas gracias a interferómetros láser ultra-sensibles capaces de detectar variaciones de longitud del orden de 10^-19 m.

El análisis de las formas de onda permite extraer las masas, spins y distancia de los sistemas observados, proporcionando un nuevo canal de observación para estudiar la física extrema de los agujeros negros.

Tabla: Síntesis de los métodos de observación de agujeros negros

Fuentes:
• Misner, C.W., Thorne, K.S., Wheeler, J.A., Gravitation, 1973.
• Abbott B. et al., Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 2016.
• Event Horizon Telescope Collaboration, First M87 Event Horizon Telescope Results, Astrophys. J. Lett. 875, 2019.
• NASA Chandra X-ray Observatory, https://chandra.harvard.edu

¿Los agujeros negros han existido siempre?

Los agujeros negros no son únicamente el resultado de la evolución estelar: algunos podrían haber existido desde los primeros segundos que siguieron al Big Bang. Se habla entonces de agujeros negros primordiales. A diferencia de los agujeros negros estelares, estos objetos hipotéticos no provendrían del colapso de estrellas, sino de fluctuaciones de densidad extremas en el universo primordial, amplificadas por la expansión rápida durante la inflación cósmica.

Según los modelos físicos, ciertas regiones del espacio podrían haber superado localmente una densidad crítica, provocando un colapso gravitacional inmediato. Si estos agujeros negros primordiales realmente existieron (o aún existen), podrían tener masas muy variadas, desde menos que un asteroide hasta varios miles de masas solares. Su presencia podría contribuir notablemente a explicar una fracción de la materia oscura, aunque ninguna detección directa haya confirmado aún su existencia.

En este sentido, los agujeros negros no son solo objetos nacidos de estrellas, sino que podrían ser testigos de las condiciones extremas del universo primordial. Su estudio permitiría así probar teorías fundamentales de la física, como la inflación, la gravedad cuántica o los modelos de unificación.

Referencias:
• Carr B.J., Hawking S.W., Black holes in the early Universe, MNRAS, 168, 399–416 (1974).
• Carr B.J., Kühnel F., Primordial Black Holes as Dark Matter Candidates, Annual Review of Nuclear and Particle Science, 70, 355–394 (2020).
• Sasaki M. et al., Primordial Black Holes—Perspectives in Gravitational Wave Astronomy, Classical and Quantum Gravity, 35(6), 063001 (2018).
• Zel’dovich Y.B., Novikov I.D., Relativistic Astrophysics Vol. 1, University of Chicago Press (1971).
• Abbott B. et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), GWTC-3: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo During the Second Part of the Third Observing Run, Phys. Rev. X 11, 021053 (2021).