Agujeros negros: qué son, tipos y cómo se forman

Hay objetos en el universo que ningún telescopio puede fotografiar directamente, porque no emiten ni reflejan luz. Los agujeros negros son regiones del espacio donde la gravedad se vuelve tan extrema que nada escapa de ellas, ni siquiera los fotones. Y sin embargo, en 2019 el consorcio Telescopio del Horizonte de Sucesos logró capturar la primera imagen de uno: el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87.

Esta guía reúne lo que la ciencia sabe con certeza sobre estos objetos: qué son según la NASA y la relatividad general de Einstein, cómo se clasifican, de qué manera se forman y por qué el horizonte de sucesos es una frontera sin retorno.

Qué es un agujero negro

La definición más directa la da la NASA: "un objeto extremadamente denso en el espacio del cual no puede escapar ningún tipo de luz". Pero eso no lo explica del todo.

Según las ecuaciones de campo de Einstein, cuando una masa suficientemente grande se concentra en un volumen muy pequeño, el tejido del espacio-tiempo se curva de manera irreversible. El resultado es una singularidad, un punto donde la densidad es teóricamente infinita, envuelta por el horizonte de sucesos. Todo lo que cruza ese límite no puede regresar.

La gravedad generada puede atraer gas hasta calentarlo a temperaturas de hasta 12.000.000 °C, unas 2.000 veces más que la superficie del Sol, según Wikipedia. Ese gas no cae directamente al agujero negro: forma un disco de acreción, un remolino plano que gira a velocidades enormes. Es ahí, en ese disco, donde se produce la luz que los telescopios pueden detectar.

En palabras de la doctora Anna Lía Longinotti, investigadora del Instituto de Astronomía de la UNAM: "El resplandor no se origina dentro del agujero negro, sino en la materia que circula a su alrededor y que se calienta antes de ser atrapada por su gravedad".

El horizonte de sucesos: la frontera sin regreso

El horizonte de sucesos es la superficie imaginaria que rodea al agujero negro. No es una pared física, sino un límite matemático: el punto a partir del cual la velocidad de escape supera la velocidad de la luz.

Dentro del horizonte, ni los fotones pueden salir. La causalidad se rompe en ese sentido: ninguna señal, ninguna partícula, puede transmitir información hacia el exterior. Esto fue formalizado en los teoremas de Stephen Hawking, George Ellis y Roger Penrose durante la década de 1970.

En 1963, Roy Kerr demostró que cualquier agujero negro en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones queda completamente definido por solo tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica e y su momento angular L. Es lo que se conoce como el teorema del no pelo.

Hawking también propuso que los agujeros negros pueden emitir radiación —la radiación de Hawking— mediante procesos cuánticos, lo que implicaría que eventualmente se evaporan. Esta hipótesis aún no ha sido confirmada experimentalmente, pero es una de las predicciones más debatidas de la física teórica.

Tipos de agujeros negros

Según la información actualizada por la NASA en mayo de 2024, los científicos clasifican los agujeros negros en tres categorías principales según su masa. También existe la sospecha de un cuarto tipo.

Agujeros negros de masa estelar

Son los más comunes. Pesan entre 2 y aproximadamente 150 masas solares, según la investigadora Longinotti de la UNAM. Se originan cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear y colapsa bajo su propia gravedad.

Su existencia se confirmó de forma indirecta durante décadas a través de la emisión de rayos X en sistemas binarios, como Cygnus X-1. El 11 de febrero de 2016, la colaboración LIGO-Virgo anunció la primera detección directa de ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros estelares, a unos 1.337 millones de años luz de la Tierra.

Agujeros negros supermasivos

Poseen masas de millones o miles de millones de veces la del Sol. Habitan en el centro de casi todas las galaxias conocidas, incluida la Vía Láctea.

El agujero negro en el centro de nuestra galaxia, Sagitario A*, tiene 4 millones de veces la masa del Sol, según la NASA. El de M87, cuya imagen se capturó en 2019, pesa 6.500 millones de masas solares.

En noviembre de 2024 se reportó en Nature Astronomy el destello más energético jamás observado proveniente de un agujero negro supermasivo: brilló con una intensidad 10 billones de veces superior a la del Sol. Ese coloso tiene una masa de unos 300 millones de soles y se encuentra a unos 10.000 millones de años luz de la Tierra.

Agujeros negros de masa intermedia

Esta categoría es la más debatida. Con masas entre 100 y más de 10.000 masas solares, algunos astrónomos proponen que existen como eslabón entre los estelares y los supermasivos. Su existencia no está confirmada de forma definitiva.

Agujeros negros primordiales (hipotéticos)

La NASA menciona la sospecha de un cuarto tipo: agujeros negros formados durante los primeros instantes del universo, antes de que existieran estrellas. Su existencia es puramente teórica por ahora.

Cómo se forma un agujero negro

El proceso más documentado comienza con la muerte de una estrella masiva. Para que el colapso llegue a producir un agujero negro, la estrella debe tener al menos unas 10 a 25 veces la masa del Sol.

El proceso, estudiado a fondo por Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking a mediados del siglo XX, sigue estas etapas:

1. Gigante roja: La estrella agota su hidrógeno y expande sus capas externas durante miles de millones de años.
2. Colapso del núcleo: Sin combustible que genere presión hacia afuera, la gravedad vence. El núcleo comienza a comprimirse.
3. Fusión de electrones y protones: Los electrones en órbita se acercan al núcleo y se fusionan con los protones, produciendo neutrones y liberando una enorme cantidad de neutrinos.
4. Estrella de neutrones: Si la masa restante no supera cierto límite (el límite de Tolman–Oppenheimer–Volkoff), el colapso se detiene aquí.
5. Agujero negro: Si la masa es suficientemente grande, el plasma de neutrones no puede sostener la presión y el colapso continúa de forma irreversible, formando la singularidad y el horizonte de sucesos.

La misma gravedad que mantuvo estable a la estrella durante millones de años es, al final, la que la destruye. Los átomos se aplastan, los electrones se fusionan con los protones, y lo que queda colapsa hacia un punto.

Además del colapso estelar, se cree que los agujeros negros supermasivos pudieron formarse mediante fusiones de agujeros negros menores, o directamente del colapso de nubes de gas en el universo temprano. El mecanismo exacto aún se investiga.

Cómo se estudian: herramientas y observatorios

Dado que no emiten luz directa, los agujeros negros se detectan por sus efectos. Los métodos más usados incluyen:

• Rayos X: La materia del disco de acreción emite rayos X. Telescopios como XMM-Newton y Chandra, que orbitan la Tierra, los capturan (la atmósfera bloquea esta radiación).
• Ondas gravitacionales: Los detectores LIGO y Virgo capturan las perturbaciones del espacio-tiempo producidas por fusiones de agujeros negros.
• Interferometría: El proyecto Telescopio del Horizonte de Sucesos conectó radiotelescopios en todo el planeta para obtener la primera imagen de M87 en 2019.

México tiene un rol en esta investigación. La doctora Longinotti del Instituto de Astronomía de la UNAM señala que el país cuenta con instalaciones relevantes: el Observatorio de San Pedro Mártir en Baja California, el detector HAWC en la Sierra Negra (Puebla) a más de 4.000 metros de altura, y el Gran Telescopio Milimétrico (GTM) ubicado a 4.600 metros con una antena de 50 metros. Este último participó en la red global que obtuvo la imagen histórica de 2019.

En octubre de 2024 se anunció además el descubrimiento del primer agujero negro triple registrado en la historia.

Preguntas frecuentes

¿Un agujero negro puede destruir la Tierra?

No existe ningún agujero negro lo suficientemente cerca como para representar una amenaza. El más próximo conocido está a unos 1.000 años luz. Sagitario A*, en el centro de la Vía Láctea, está a 26.000 años luz y permanece estable.

¿Qué pasaría si cruzaras el horizonte de sucesos?

Desde afuera, parecería que te congelás en el límite debido a la dilatación del tiempo. Desde tu propia perspectiva, cruzarías sin sentir nada en particular, aunque las fuerzas de marea de un agujero negro estelar te destruirían antes de llegar a la singularidad. En uno supermasivo, el cruce podría ser menos violento al principio.

¿Los agujeros negros son eternos?

Según la teoría de la radiación de Hawking, los agujeros negros pierden masa lentamente y eventualmente se evaporan. Para agujeros negros de masa estelar, ese proceso tomaría un tiempo incomprensiblemente largo, muchos órdenes de magnitud mayor que la edad actual del universo.

¿Cuántos agujeros negros hay en la Vía Láctea?

Los astrónomos estiman que pueden existir entre 10 millones y 1.000 millones de agujeros negros de masa estelar solo en nuestra galaxia, más el supermasivo Sagitario A* en su centro.

¿Qué diferencia hay entre un agujero negro y una estrella de neutrones?

Ambos son remanentes de estrellas masivas. La estrella de neutrones tiene masa suficiente para colapsar el núcleo, pero no para superar la presión de degeneración de los neutrones. Si la masa restante supera el límite de Tolman–Oppenheimer–Volkoff (aproximadamente 3 masas solares), el colapso continúa y forma un agujero negro.