Agujeros negros: qué son, tipos y cómo se forman

El 10 de abril de 2019, el consorcio internacional Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) publicó la primera imagen real de un agujero negro supermasivo. Era el centro de la galaxia M87. Tres años después, en mayo de 2022, presentaron la imagen de Sagitario A*, el agujero negro que vive en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Esas fotos no fueron solo hitos estéticos: confirmaron décadas de teoría.

Los agujeros negros son probablemente los objetos más extremos que existen en el universo. No son agujeros literales ni vacíos: son regiones del espacio donde la materia se concentra tanto que la gravedad vuelve imposible el escape, incluso para la luz. Este artículo explica qué son, cómo se forman y qué tipos existen, con base en fuentes científicas verificadas.

Qué es un agujero negro, en términos concretos

Un agujero negro es una región del espacio-tiempo donde el campo gravitacional es tan intenso que nada puede escapar de él. Ni la materia ni la radiación electromagnética. Ni los fotones. Según la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, formulada en 1916, la presencia de masa curva el espacio-tiempo; en los agujeros negros, esa curvatura llega a un extremo sin retorno.

El límite que separa el interior del agujero negro del resto del universo se llama horizonte de sucesos. Cualquier cosa que cruce esa frontera queda atrapada para siempre. Dentro de ese horizonte existe una singularidad: un punto (o región) donde la densidad se vuelve matemáticamente infinita y las leyes de la física conocida dejan de funcionar.

Como lo explica el astrofísico Rodrigo Nemmen, investigador del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), en declaraciones recogidas por National Geographic: "Son regiones del espacio en los cuales el campo gravitacional es tan fuerte que ni siquiera la luz consigue escapar".

La gravedad de un agujero negro puede atraer gas circundante que se arremolina y se calienta hasta temperaturas de 12,000,000 °C, unas 2,000 veces más que la superficie del Sol, según datos de Wikipedia con base en fuentes astronómicas.

Tipos de agujeros negros

No todos los agujeros negros son iguales. La clasificación principal se basa en la masa, aunque también existen categorías según sus propiedades físicas (carga, rotación). La doctora Anna Lía Longinotti, investigadora del Instituto de Astronomía de la UNAM, los divide en dos grandes grupos, con una tercera categoría emergente, según explicó en el ciclo Noticias del Cosmos de El Colegio de México.

Agujeros negros estelares

Son los más comunes. Su masa oscila entre 2 y aproximadamente 150 masas solares. Se forman cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear y colapsa bajo su propia gravedad. El resultado final, si la masa es suficiente, es un agujero negro estelar.

El ejemplo más conocido dentro de nuestra galaxia es Cygnus X-1, una fuente de rayos X que fue uno de los primeros candidatos confirmados a agujero negro. La radiación que emite no proviene del agujero en sí, sino del disco de acreción: el remolino de gas y materia que orbita a su alrededor antes de ser engullido.

Agujeros negros supermasivos

Estos colosos tienen masas de millones o miles de millones de soles. Se encuentran en el centro de prácticamente todas las galaxias grandes, incluida la Vía Láctea. Sagitario A*, nuestro agujero negro central, tiene una masa equivalente a unos 4 millones de soles, según los datos presentados por el consorcio EHT en 2022.

El agujero negro de la galaxia M87, el primero fotografiado en 2019, es aún más masivo: supera los 6,000 millones de masas solares. En noviembre de 2024, científicos reportaron en Nature Astronomy el destello más energético y brillante jamás observado: provenía de un agujero negro supermasivo con masa equivalente a 300 millones de soles, ubicado a 10,000 millones de años luz de la Tierra. Brilló con una intensidad 10 billones de veces superior a la del Sol.

Agujeros negros de masa intermedia

Esta tercera categoría, con masas entre 100 y más de 10,000 masas solares, sigue siendo materia de debate en la comunidad astronómica. Algunos fenómenos observados podrían corresponder a este tipo, pero su existencia no está confirmada de forma definitiva, según indica la doctora Longinotti en sus conferencias para la UNAM.

Clasificación por propiedades físicas

El físico Roy Kerr demostró en 1963 que todos los agujeros negros en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones quedan definidos por solo tres parámetros: masa (M), carga eléctrica (e) y momento angular (L). Esto da lugar a cuatro tipos teóricos:

En la práctica, la mayoría de los agujeros negros detectados tienen rotación. Los de tipo Kerr son los más relevantes para la astronomía observacional.

Cómo se forma un agujero negro

El proceso más estudiado es el colapso gravitatorio estelar. Fue analizado exhaustivamente durante el siglo XX por Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking, entre otros. Hawking lo describió para el público general en su libro Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros (1988).

Todo comienza con una estrella masiva, generalmente entre 10 y 25 veces la masa del Sol o más. Durante millones de años, esa estrella equilibra dos fuerzas opuestas: la presión de las reacciones nucleares en su núcleo empuja hacia afuera; la gravedad empuja hacia adentro. Cuando el combustible nuclear se agota, ese equilibrio se rompe.

Lo que sigue ocurre en etapas:

1. La estrella gigante roja muere: al consumir su hidrógeno y helio, colapsa. Las capas externas se expulsan en una explosión llamada supernova.
2. El núcleo implosiona: la gravedad comprime el núcleo remanente. Los electrones se fusionan con los protones formando neutrones, en un proceso que libera una cantidad enorme de neutrinos.
3. Se forma una estrella de neutrones: si la masa del núcleo no supera cierto umbral (conocido como límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, aproximadamente 2-3 masas solares), el objeto resultante es una estrella de neutrones.
4. Colapso final hacia agujero negro: si la masa supera ese límite, ni siquiera la presión entre los neutrones puede detener el colapso. La materia sigue contrayéndose hasta formar una singularidad rodeada por el horizonte de sucesos. El agujero negro estelar ha nacido.

El origen de los agujeros negros supermasivos es menos claro. Las hipótesis actuales incluyen la fusión sucesiva de agujeros negros estelares, el colapso directo de nubes de gas primordiales, o la acreción de materia durante miles de millones de años. La respuesta definitiva sigue siendo uno de los problemas abiertos de la astrofísica.

El resplandor que sí se puede ver

Un agujero negro en sí mismo es invisible: no emite luz propia. Lo que los telescopios detectan es la materia que lo rodea. Cuando gas, polvo o restos de estrellas se acercan, forman un disco de acreción: una estructura plana en espiral donde la materia se calienta a temperaturas extremas y emite radiación intensa, incluyendo rayos X.

Según la doctora Longinotti del Instituto de Astronomía de la UNAM: "Estos discos son remolinos de gas, polvo y, en ocasiones, restos de estrellas desgarradas que, al ser capturados por la gravedad del agujero negro, no caen directamente en él. En cambio, orbitan a velocidades enormes formando una espiral plana. Es en este disco donde se genera la luz que podemos observar".

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

Dónde se estudian los agujeros negros desde México

México tiene participación directa en la investigación de estos objetos. El Gran Telescopio Milimétrico (GTM), ubicado en el volcán Sierra Negra de Puebla a 4,600 metros de altitud, fue parte de la red global de telescopios EHT que obtuvo la primera imagen de un agujero negro en 2019, según datos de la UNAM.

También el observatorio HAWC, situado en la misma Sierra Negra a más de 4,000 metros, contribuye a la detección de partículas de muy alta energía relacionadas con fenómenos de agujeros negros activos. El Observatorio Astronómico Nacional de San Pedro Mártir, en Baja California, complementa estas observaciones en longitudes de onda visibles.

Preguntas frecuentes sobre agujeros negros

¿Un agujero negro puede tragarse la Tierra?

No existe ningún agujero negro en la trayectoria del sistema solar que represente una amenaza. El agujero negro más cercano conocido está a unos 1,000 años luz de distancia. Además, un agujero negro no «aspira» activamente su entorno: solo afecta gravitacionalmente lo que se acerca demasiado a él.

¿Qué es la radiación de Hawking?

Es un tipo de radiación que Stephen Hawking conjeturó en los años 70 como producto de efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos. Implicaría que los agujeros negros pierden masa lentamente y eventualmente podrían evaporarse. Hasta ahora no ha sido observada directamente.

¿Cuántos agujeros negros existen en la Vía Láctea?

Se estima que la Vía Láctea contiene decenas de millones de agujeros negros estelares, aunque la mayoría son imposibles de detectar de forma directa al no tener materia cercana que los «ilumine». Además, en el centro galáctico se encuentra Sagitario A*, el agujero negro supermasivo con masa equivalente a unos 4 millones de soles, según los datos del consorcio EHT.

¿Se puede salir de un agujero negro?

No, según la física conocida. Una vez cruzado el horizonte de sucesos, el destino inevitable es la singularidad. Ni la luz escapa. Las teorías que especulan con gusanos de gusano o túneles espaciotemporales siguen siendo hipotéticas y sin respaldo observacional.

¿Cuándo se fotografió por primera vez un agujero negro?

El 10 de abril de 2019, el consorcio internacional EHT publicó la primera imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87, a 55 millones de años luz. En mayo de 2022 presentaron la imagen de Sagitario A*, el agujero negro en el centro de la Vía Láctea.