¿Cómo se evaporan los agujeros negros?

Son los objetos más densos del Universo, pero ni siquiera ellos vivirán para siempre. Te explicamos por qué.

“Es como si te preguntaras ¿se puede ser más negro? Y la respuesta es que no. No se puede.” -Nigel Tufnel, This is Spinal Tap.

Ya habrás oído hablar de agujeros negros: regiones en el espacio donde la materia y la energía están tan concentradas que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellas.



Estos objetos existen realmente y se sabe que tienen tamaños que van desde unas pocas veces la masa de nuestro Sol (como Cygnus X-1, en la ilustración anterior) hasta los agujeros negros supermasivos que hay en el centro de las galaxias. Nuestra galaxia tiene uno que es 4 millones de veces la masa de nuestro Sol (lo puedes ver abajo), pero los mayores pueden ser miles de millones (o varios de miles de millones) de veces más masivos que nuestro Sol.



Los más pequeños se forman cuando estrellas muy masivas – de 12 a 15 veces la masa de nuestro Sol (o más) – agotan el combustible nuclear que hay en su núcleo. Al acabar su combustible, el núcleo colapsa debido a la gravedad. En estrellas más pequeñas, las propiedades cuánticas de los átomos pueden soportar la gravedad, de forma que en estrellas mayores que nuestro Sol (de 7 a 12 masas solares), el núcleo se fusionará en un montón de neutrones, que pueden aguantar la gravedad, dando lugar a una estrella de neutrones. Pero por encima de cierto límite, ni siquiera los neutrones pueden resistir la fuerza de la gravedad, y el resultado es un agujero negro.



Y por supuesto, puedes hacer agujeros negros más grandes fusiónandolos entre sí y mediante otros procesos; no cabe ninguna duda de que abundan en el Universo. Pero si ni siquiera la luz puede escapar de un agujero negro, ¿cómo puede ser que se evaporen?

Igual has oído hablar de términos como el principio de incertidumbre de Heisenberg y la radiación de Hawking, y para empezar, esto basta para explicarlo. Echemos un vistazo al primer concepto.




Una de la cosas más fundamentales y raras de la mecánica cuántica es que nos dice que no podemos medir la energía de un sistema con una precisión absoluta en un tiempo finito: existe una incertidumbre inherente entre energía y tiempo. Y esto implica un montón de cosas: que las partículas que viven muy poco tiempo (como el bosón de Higgs o el quark top) tienen una incertidumbre asociada a su masa, que la medida de la masa o la energía de un sistema no puede hacerse instantáneamente, y -quizás lo más importante- incluso el mismo espacio vacío puede tener una energía no nula.

Gracias a la mecánica cuántica, incluso podemos visualizarlo.



Pares de partículas y antipartículas pueden crearse y destruirse durante periodos muy breves. Y mientras se cumpla el principio de incertidumbre de Heisenberg, no sólo es posible, ¡es inevitable! Y teniendo esta imagen en la cabeza, quizá puedas imaginar cómo se evaporan los agujeros negros.

Los agujeros negros -independientemente de su tamaño- tienen un horizonte de sucesos, un sitio a partir del cual nada puede escapar. Dentro del horizonte de sucesos se queda todo atrapado: cualquier tipo de materia se queda dentro, cualquier par de partícula-antipartícula se queda dentro, toda la luz que entra no puede escapar. Sin embargo, fuera de dicho horizonte las cosas pueden quedarse fuera o caer en el agujero negro. Y si hay pares partícula-antipartícula formándose por fuera, ya nos podemos imaginar que la mayoría de las veces se aniquilarán mutuamente estando fuera, pero muy de vez en cuando, uno de esos pares cae hacia el agujero… ¡y el otro se queda fuera!



Esta proposición es muy tentadora, pero también es incompleta. Hay algunos problemas que he ido señalando en el pasado y que voy a explicar ahora.

Para empezar, las partículas cuestan energía, por decirlo de alguna forma, y debido a la conservación de la energía, no se pueden crear de la nada. La incertidumbre asociada a la cuántica sólo nos permite engañar al Universo para crear las partículas durante un período muy pequeño de tiempo; al final debes devolver dicha energía.

Además, la temperatura de la radiación asociada a este mecanismo se puede calcular, y sólo depende de la masa del agujero negro.

Si bien harían falta miles de millones de grados de temperatura para crear incluso el par partícula-antipartícula más ligero (sin tener en cuenta a los neutrinos, para los que bastarían unos pocos grados), un agujero negro de la masa de nuestro Sol tendría una temperatura inferior a un microKelvin, y la temperatura desciende para los agujeros más masivos. Por decirlo de otra manera: no tendríamos la energía suficiente como para crear una sola partícula.

¿Cómo salimos de esta? ¿Qué está ocurriendo realmente?



Tenemos que recordar que estas partículas no son reales, sino que más bien son partículas virtuales que están siendo creadas. El cuadro que os he pintado anteriormente no es más que una visualización no relativista de la teoría cuántica de campos relativista que mejor describe nuestro Universo. Más que “pares reales partícula-antipartícula”, es mejor verlos como partículas virtuales que nunca llegan a existir físicamente (es decir, que tengan masa y sufran colisiones), pero que puede vivir por un tiempo limitado siempre y cuando el estado final sea consistente con todas las leyes de conservación que conocemos.

Teniendo esto en cuenta, ¿qué ocurre justo por fuera del horizonte de eventos de un agujero negro?



En efecto, estos pares partícula-antipartícula se crean todo el tiempo; en ocasiones, la partícula cae en el agujero negro y la antipartícula permanece fuera, a veces es al revés. ¡Pero sólo tendremos radiación saliendo del agujero negro cuando sucede todo esto bajo las condiciones correctas!



Imagínate que tienes dos pares partícula-antipartícula justo fuera del horizonte de eventos: para el primer par, la antipartícula cae dentro y la partícula escapa, mientras que para el segundo par la partícula cae y la antipartícula escapa. La partícula del primer par y la antipartícula del segundo par interactúan y dan lugar a dos fotones (que es lo necesario para que se conserve la energía y el momento), que pueden escapar en forma de radiación de Hawking con energía real y positiva.

¡Pero esa energía no sale gratis! ¿De dónde viene? Debe de haberse sustraído a la masa del agujero negro, algo que puede suceder gracias a las partículas virtuales de cada par que caen dentro del agujero negro. ¡Al final tenemos una radiación que se escapa y que el agujero negro tiene menos masa!



Aunque la única forma de conseguir la respuesta exacta es realizar los cálculos de la teoría cuántica de campos en un espacio fuertemente curvado, lo que os he contado anteriormente se parece mucho a lo que ocurre en realidad. La diferencia más sutil es que la radiación que se emite corresponde a un cuerpo negro y es continua, algo que en principio no puede saberse partiendo de lo que os he contado antes. Lo que también es impresionante es que la velocidad con la que perdemos energía (que sabemos gracias a la temperatura del agujero) es mayor para los agujeros de menor masa, debido a que la curvatura del espacio es mayor para los horizontes de eventos de los agujeros negros pequeños.

Llevaría unos 10^67 años el evaporar un agujero negro de la masa de nuestro sol y alrededor de 10^100 años para los agujeros negros más masivos del Universo. Quizás sea mayor que la vida del Universo, pero no son eternos. Aunque vivan más que cualquier otro objeto conocido en el Universo, incluso los agujeros negros tienen sus límites, ¡y ahora sabes por qué!