Agujeros negros: qué son, tipos y cómo se forman

Hay objetos en el universo que desafían cualquier intuición humana. Los agujeros negros son regiones del espacio donde la gravedad se vuelve tan extrema que nada puede escapar de su interior, ni siquiera la luz. No son hoyos en el sentido literal. Son el resultado final de materia comprimida hasta un límite que la física clásica no puede describir.

La primera imagen directa de uno fue captada apenas en 2019, cuando el consorcio internacional Telescopio del Horizonte de Sucesos fotografió el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87. Hasta entonces, toda la evidencia era indirecta. Lo que se sabe hoy viene de décadas de física teórica, observaciones de rayos X y, más recientemente, ondas gravitacionales.

Qué es un agujero negro: la definición física

Según la descripción de Wikipedia, con base en las ecuaciones de Einstein, un agujero negro es una región del espacio con una concentración de masa suficientemente elevada como para generar un campo gravitatorio del que no puede escapar ninguna partícula ni radiación. Eso incluye la luz.

La estructura de un agujero negro tiene dos componentes clave. Primero, la singularidad: el punto central donde la densidad de masa se vuelve matemáticamente infinita y el espacio-tiempo deja de tener sentido bajo las leyes de la física conocida. Segundo, el horizonte de sucesos: la frontera imaginaria que separa el interior del agujero negro del resto del universo. Una vez que algo cruza esa frontera, no hay retorno posible.

La singularidad del agujero negro es uno de los problemas abiertos más grandes de la física moderna. Las ecuaciones de la relatividad general predicen su existencia, pero se rompen ahí mismo. Se necesita una teoría de gravedad cuántica para describir qué ocurre en ese punto.

Hay un fenómeno adicional que merece mención: la radiación de Hawking, propuesta por Stephen Hawking en los años 70. Es un tipo de radiación cuántica que los agujeros negros podrían emitir lentamente, aunque nunca ha sido observada de forma directa. Esta radiación haría que los agujeros negros perdieran masa con el tiempo, aunque a una tasa extremadamente lenta.

Tipos de agujeros negros

No todos los agujeros negros son iguales. La clasificación más usada distingue principalmente por masa, aunque también existe una categorización por propiedades físicas como carga y rotación.

Agujeros negros estelares

Son los más comunes y los mejor comprendidos. Según la doctora Anna Lía Longinotti, investigadora del Instituto de Astronomía de la UNAM, estos objetos "pesan entre dos y alrededor de 150 masas solares" y se originan cuando una estrella masiva agota su combustible y colapsa gravitacionalmente.

El Instituto de Astrofísica de La Plata (IALP-CONICET-UNLP) los describe como agujeros negros "pequeños" cuyo origen se conoce muy bien: se forman cuando las estrellas más masivas, en su evolución final, no pueden seguir generando energía y explotan como supernovas. La región central del núcleo estelar colapsa y forma el agujero negro.

Agujeros negros supermasivos

Son los gigantes. Según Longinotti, "poseen masas de millones o miles de millones de soles y viven en el centro de las galaxias". El de la Vía Láctea, conocido como Sagitario A*, tiene una masa de aproximadamente cuatro a seis millones de masas solares, según distintas fuentes del IA-UNAM y el IALP.

Cada galaxia conocida parece albergar uno en su núcleo. Cuando el gas comienza a caer hacia uno de estos objetos, forma un disco de acreción que emite cantidades enormes de energía, especialmente rayos X. Estos sistemas activos se denominan quásares, blázares o radiogalaxias dependiendo del ángulo de observación.

Agujeros negros de masa intermedia

Una tercera categoría, aún en debate. Algunos astrónomos proponen que existen agujeros negros con masas entre 100 y más de 10,000 masas solares. Su existencia no está confirmada con la misma solidez que los otros dos tipos. Ciertos fenómenos astrofísicos podrían corresponder a este grupo, pero la comunidad científica sigue discutiéndolo.

Clasificación por propiedades físicas

En 1963, el matemático Roy Kerr demostró que todos los agujeros negros en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones quedan determinados por solo tres parámetros: su masa (M), su carga eléctrica total (e) y su momento angular (L). Eso da lugar a cuatro tipos teóricos: el agujero negro de Schwarzschild (sin carga ni rotación), el de Reissner-Nordström (con carga, sin rotación), el de Kerr (con rotación, sin carga) y el de Kerr-Newman (con ambas).

Cómo se forma un agujero negro

El proceso más documentado es el del colapso gravitacional estelar. Fue estudiado en detalle a mediados del siglo XX por científicos como Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking. Este último lo resume en Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros (1988).

Todo comienza con una estrella masiva, de diez a veinticinco veces o más la masa del Sol. Durante miles de millones de años, la presión de la fusión nuclear equilibra la gravedad. Cuando el combustible se agota, ese equilibrio se rompe. La estrella colapsa sobre sí misma en cuestión de segundos.

En ese colapso, los electrones en órbita se fusionan con los protones del núcleo atómico, produciendo neutrones. El resultado es una estrella de neutrones. Si la masa es suficientemente grande, ni siquiera la presión de degeneración de los neutrones puede frenar el colapso. La materia sigue comprimiéndose hasta formar un agujero negro.

Este proceso emite una cantidad enorme de neutrinos y puede ir acompañado de una explosión de supernova visible a millones de años luz.

El caso de los agujeros negros supermasivos: un problema abierto

La formación de los agujeros negros supermasivos es una historia más complicada. Según investigadores del IALP (CONICET-UNLP), los modelos basados en colapso de materia convencional no logran explicar cómo estos objetos pudieron alcanzar masas de miles de millones de soles en apenas cientos de millones de años después del Big Bang.

Un equipo liderado por el Dr. Carlos Argüelles del IALP, en colaboración con la red ICRANet de Italia, publicó en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society una propuesta novedosa: el colapso que inició la formación de estos agujeros negros pudo haberse debido a una gran concentración de materia oscura. Esta materia, cuya naturaleza exacta todavía no se ha determinado, ocupa gran parte de las galaxias en forma de halos esféricos y ejerce una influencia gravitatoria importante.

El resplandor de los agujeros negros: por qué emiten luz si no puede escapar nada

Hay una paradoja aparente: si nada puede salir de un agujero negro, ¿por qué algunos son los objetos más luminosos del universo?

La respuesta, explicada por la Dra. Longinotti del Instituto de Astronomía de la UNAM, es que la luz no viene del interior del agujero negro. Viene de la materia que circula a su alrededor antes de ser atrapada. Esa materia forma los discos de acreción: remolinos de gas y polvo que orbitan a velocidades enormes y se calientan hasta temperaturas de hasta 12,000,000 °C, según datos de Wikipedia, unas 2,000 veces más que la superficie del Sol.

En los agujeros negros supermasivos también aparecen los jets relativistas: chorros de plasma acelerado a fracciones de la velocidad de la luz, guiados por campos magnéticos intensos, que pueden extenderse por distancias colosales.

El evento más extremo de este tipo fue reportado el 4 de noviembre de 2024 en Nature Astronomy: el destello más energético y brillante jamás observado, proveniente de un agujero negro supermasivo de unos 300 millones de masas solares ubicado a 10,000 millones de años luz. Fue detectado por primera vez en 2018 con una cámara del Observatorio Palomar en California y brilló con una intensidad 10 billones de veces superior a la del Sol. Ocurrió cuando el agujero negro desgarró y devoró una estrella gigante que se acercó demasiado.

Cómo se detectan y estudian

Durante décadas, la existencia de los agujeros negros se infería de forma indirecta: emisión de rayos X de estrellas binarias, movimiento de estrellas cerca del centro galáctico, comportamiento de galaxias activas.

El 11 de febrero de 2016, las colaboraciones LIGO, Virgo y GEO600 anunciaron la primera detección directa de ondas gravitacionales, producidas por la fusión de dos agujeros negros a unos 1,337 millones de años luz de la Tierra. Fue la primera confirmación observacional directa de sistemas binarios de agujeros negros.

En 2019, el consorcio Telescopio del Horizonte de Sucesos obtuvo la primera imagen de la sombra de un agujero negro supermasivo, el del centro de la galaxia M87. En ese proyecto participó el Gran Telescopio Milimétrico (GTM), ubicado en la Sierra Negra de Puebla, México, a 4,600 metros de altura, con una antena de 50 metros de diámetro.

México también cuenta con el observatorio HAWC, en la Sierra Negra a más de 4,000 metros de altura, y el Observatorio Astronómico Nacional de San Pedro Mártir en Baja California, todos mencionados por la Dra. Longinotti como parte de la infraestructura que contribuye a este campo.

Preguntas frecuentes sobre agujeros negros

¿Qué pasaría si un agujero negro se acercara al Sistema Solar?

Los agujeros negros estelares más cercanos conocidos están a miles de años luz. Si uno se acercara, su efecto gravitatorio distorsionaría las órbitas planetarias mucho antes de que llegara a estar cerca. No existe riesgo conocido en escalas de tiempo humanas.

¿Un agujero negro puede desaparecer?

En teoría, sí. La radiación de Hawking implica que los agujeros negros emiten energía lentamente y pierden masa con el tiempo. Para un agujero negro estelar, el proceso tomaría un tiempo enormemente mayor que la edad actual del universo. Nunca ha sido observado directamente.

¿La agujero negro singularidad es un punto real?

Es una predicción matemática de la relatividad general, pero la mayoría de los físicos cree que no representa una realidad física. En el punto de la singularidad, la teoría se rompe y se necesita una teoría de gravedad cuántica para describir qué ocurre realmente. Es uno de los problemas no resueltos de la física.

¿El Sol puede convertirse en un agujero negro?

No. Para formar un agujero negro por colapso estelar se requiere una estrella de al menos diez veces la masa del Sol. El Sol terminará su vida como enana blanca, no como agujero negro.

¿Cuántos agujeros negros existen en la Vía Láctea?

Los modelos estiman que puede haber entre diez y cien millones de agujeros negros estelares en nuestra galaxia, más el supermasivo central Sagitario A*. La mayoría son invisibles porque no tienen materia cercana que acretar y por tanto no emiten radiación detectable.