Muy poco acerca de los agujeros negros, entre los objetos más extraños del universo, es sencillo. Los científicos tienen una concepción más completa que nunca de estos objetos alucinantes, al estudiar las ondas masivas que crean los agujeros negros en el espacio-tiempo y aprender cómo se forman. Pero la breve historia de la comprensión de la humanidad de los agujeros negros se vio sacudida por importantes giros y vueltas en el camino.
Aunque la existencia de agujeros negros es casi cierta, hace apenas medio siglo los expertos no estaban tan seguros. Roberto Mann, un físico de la Universidad de Waterloo que estudia los agujeros negros y la información cuántica, dice que cuando era estudiante de posgrado en la década de 1970, “los profesores realmente lo dudaban”.
Los primeros indicios de que existen agujeros negros son más antiguos que la Constitución estadounidense. Allá por 1783, el reverendo John Michell, un científico británico, concibió los agujeros negros como “estrellas oscuras”. Michell preguntó cómo se vería una estrella si fuera tan pesada que la velocidad necesaria para escapar de su atracción gravitacional fuera “más rápida que la luz”, dice Mann.
La pregunta de Michell era bu ena. Pero unos años más tarde, en la década de 1790, el renombrado matemático francés Pierre-Simon Laplace y otros pensadores pioneros convencieron a la comunidad científica de que la luz se comportaba como una onda y, por lo tanto, no se veía afectada por la gravedad, dice Mann. Esta nueva concepción de la luz hizo que la teoría de Michell pareciera irrelevante.
Pero la idea revivió después de 1915, cuando Albert Einstein propuso su teoría de la relatividad general. La teoría dice que cualquier objeto con masa curva el espacio-tiempo en proporción a su peso, y permite que cierta cantidad de materia se vuelva tan densa que colapsa en un punto infinitamente denso llamado singularidad: el corazón de un agujero negro.
La gente suele decir que Einstein predijo los agujeros negros, pero esto no es del todo correcto, dice Javier Garcia, un astrofísico de Caltech que usa rayos X para estudiar las propiedades fundamentales de los agujeros negros. “Einstein desarrolló la teoría” que es necesaria para su existencia, dice García, pero no predijo los objetos en sí.
En 1915, Einstein utilizó la relatividad general para explicar el movimiento de Mercurio alrededor del sol. Esta y otras aplicaciones exitosas de la teoría de Einstein alentaron a los científicos a explorar sus implicaciones más profundas.
[Related: Black holes have a reputation as devourers. But they can help spawn stars, too.]
Al cabo de un año, Karl Schwarzschild, que era “teniente en el ejército alemán, por conscripción, pero astrónomo teórico de profesión”, como dice Mann, oyó hablar de la teoría de Einstein. Fue la primera persona en encontrar una solución a las ecuaciones de Einstein, que mostraban que se podía formar una singularidad, y nada, una vez que se acercaba demasiado, podía moverse lo suficientemente rápido como para escapar de la atracción de una singularidad.
Luego, en 1939, los físicos Rober Oppenheimer (de la fama o infamia del Proyecto Manhattan) y Hartland Snyder intentaron averiguar si una estrella podría crear el objeto de sonido imposible de Schwarzschild. Razonaron que dada una esfera de polvo lo suficientemente grande, la gravedad haría que la masa colapsara y formara una singularidad, lo que demostraron con sus cálculos. Pero una vez que estalló la Segunda Guerra Mundial, el progreso en este campo se estancó hasta fines de la década de 1950, cuando la gente comenzó a intentar probar las teorías de Einstein nuevamente.
físico John Wheeler, pensando en las implicaciones de un agujero negro, preguntó a uno de sus estudiantes de posgrado, Jacob Bekenstein, una pregunta que dejó perplejos a los científicos a fines de la década de 1950. Como lo parafraseó Mann: “¿Qué sucede si viertes té caliente en un agujero negro?”
La respuesta es que el agujero negro se lo traga, por supuesto. Pero el té caliente provoca una paradoja. Cualquier cosa con cierta temperatura emite calor. Y mezclar objetos calientes y fríos provoca un intercambio: cuando pones cubitos de hielo en un baño caliente, por ejemplo, los cubitos de hielo se calientan y el baño se enfría.
Si un agujero negro se traga todo y no emite nada, eso significa que no emite calor y debe tener temperatura cero. Un agujero negro que absorbe materia caliente y nunca se calienta “contradice todo lo que sabemos sobre la termodinámica”, dice Mann.
En la década de 1960, estos objetos tenían un nombre pegadizo, “agujero negro”. El término explicaba dos características: eran agujeros, en el sentido de que las cosas podían caer en ellos pero nunca escapar, y aparecerían totalmente oscuros para cualquier observador.
El alumno de Wheeler, Bekenstein, pasó a trabajar con Stephen Hawking para descubrir que los agujeros negros, de hecho, emiten energía. Esta radiación, causada por fluctuaciones cuánticas en el espacio, libera solo una pequeña cantidad de energía. Pero su investigación demostró que los agujeros negros tienen calor, respondiendo definitivamente a la pregunta que Wheeler hizo una década y media antes.
Su introducción de la física cuántica a los agujeros negros resolvió una paradoja, pero creó otra, dice Mann. La mecánica cuántica requiere que la información no pueda ser destruida. Y actualmente, los científicos no tienen una manera de decir nada acerca de las cosas que entraron en un agujero negro a partir de la poca radiación que emite: esa información se pierde.
“Todavía no hay acuerdo sobre cómo resolver este problema”, dice Mann, aunque algunos investigadores creen que están cerca de resolverlo.
[Related: What we can learn from baby black holes]
Hawking ayudó a resolver otro misterio que se había aferrado a los agujeros negros desde el principio. La solución del agujero negro que ideó Schwarzschild a principios del siglo XX no solo evitaba que la luz se escapara. También incluía un agujero en el espacio-tiempo en el centro del agujero negro: la singularidad. Pero en ese momento, los científicos no estaban seguros de si se trataba de una cualidad general de los agujeros negros, o simplemente una peculiaridad de los sistemas específicos que Schwarzschild, y más tarde Oppenheimer y Snyder, eligieron calcular.
Hawking y Roger Penrose demostraron que la solución de Schwarzschild, que creaba una singularidad, no era solo una excepción para estrellas imposiblemente redondas: cualquier masa lo suficientemente grande lo haría.
Las observaciones de rayos X de agujeros negros potenciales se habían acumulado a lo largo de las décadas, pero no fue hasta que las primeras detecciones LIGO, anunció en 2016, que los astrónomos tenían evidencia directa de que existen agujeros negros. Y no solo eso, chocan entre sí para formar agujeros negros más grandes e irradian ondas de gravedad, dice Mann.
Los científicos todavía no saben qué hacer con la paradoja de la información o las singularidades. “Sin embargo, vemos estos objetos. Y también hemos tomado una foto de uno”, dice Mann, refiriéndose a la primera imagen de la materia brillante alrededor de un agujero negro tomada por el Event Horizon Telescope en 2019.
Nuevos telescopios continúan arrojando luz sobre los objetos más oscuros del universo. Y cuando las actualizaciones importantes estén listas, el equipo del Event Horizon Telescope espera toma el primer video de un agujero negro.