Sombras que revelan secretos: nuevas imágenes muestran diferentes tipos de agujeros negros

Los agujeros negros siempre fueron símbolos de lo desconocido: regiones del universo donde las reglas que se aplican aquí ya no funcionan de la misma manera. Durante décadas, solo pudieron estudiarse a través de efectos indirectos, como el movimiento de estrellas cercanas o la detección de ondas gravitacionales.

La idea de verlos parecía imposible, sobre todo porque ninguna luz escapa de su interior.

Sin embargo, la revolución llegó en 2019, cuando la colaboración internacional del Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT) publicó la primera imagen de la sombra del agujero negro supermasivo de la galaxia M87. A partir de ese momento, los agujeros negros se transformaron en algo tangible, comprobable y, sobre todo, medible.

“Lo que se ve en estas imágenes no es el agujero negro en sí, sino la materia caliente en su vecindad inmediata. El plasma que se mueve en torno al horizonte de sucesos emite luz antes de ser arrastrado, y ese resplandor revela un contorno oscuro que funciona como una huella visible de la figura real del agujero negro”, explicó el profesor Luciano Rezzolla, uno de los investigadores centrales en la interpretación de aquellas observaciones.

Las imágenes disponibles hasta ahora confirmaron de manera general las predicciones de la relatividad general de Einstein. Sin embargo, los científicos no consideran cerrado el debate. La razón es simple: las mediciones actuales aún presentan márgenes de incertidumbre relativamente amplios.

Dentro de ellos pueden esconderse diferencias sutiles entre las distintas teorías de gravedad que compiten por describir el universo en situaciones de máxima intensidad.

A pesar de la solidez teórica del modelo de Einstein, existen propuestas alternativas que también predicen objetos muy similares a los agujeros negros tradicionales.

Algunas requieren formas de materia desconocida en la naturaleza; otras implican la posible violación de leyes físicas que se consideran fundamentales. En esos escenarios, las diferencias podrían verse en la forma y el tamaño de la sombra proyectada por el plasma alrededor del horizonte.

Junto con colegas del Instituto Tsung-Dao Lee de Shanghái (China), el físico afincado en Fráncfort presentó en la revista «Nature Astronomy» una nueva posibilidad para comprobar dichas teorías alternativas.

Hasta ahora, no existían datos concluyentes que permitieran refutar o confirmar estas teorías; algo que los investigadores planean cambiar en el futuro mediante el uso de imágenes de sombras de agujeros negros supermasivos.

“Esto requiere dos cosas. Por un lado, imágenes de alta resolución de las sombras de los agujeros negros para determinar su radio con la mayor precisión posible, y por otro, una descripción teórica de cómo se desvían los distintos enfoques de la teoría de la relatividad de Einstein”, explica Rezzolla.

“La pregunta central era: ¿cuán significativamente difieren las imágenes de agujeros negros entre las distintas teorías?”, señaló Akhil Uniyal, autor principal del estudio. Los resultados mostraron que las diferencias podrían volverse detectables si se logra una mejora sustancial en la resolución de las observaciones astronómicas.

Un agujero negro se forma cuando una estrella agota su combustible nuclear y colapsa bajo su propio peso. Si su masa es al menos tres veces la del Sol, el colapso genera un punto de densidad infinita y una distorsión permanente en el espacio-tiempo.

Según la ley de la relatividad general publicada en 1915 por Albert Einstein, que permite explicar su funcionamiento, la atracción gravitacional de estos “monstruos” cósmicos es tal que no se les escapa nada: ni la materia, ni la luz, sea cual sea su longitud de onda.

Dentro del agujero negro, la materia se dirige hacia la singularidad, un punto donde la densidad y la curvatura del espacio-tiempo resultan infinitas. La singularidad no es un lugar en el espacio, sino un momento en el tiempo: el final del tiempo según la teoría de Einstein.

Uno de los aspectos más desconcertantes de los agujeros negros es el contraste entre lo que experimenta quien cae en su interior y lo que observa un testigo externo.

Para el viajero que atraviesa el horizonte de sucesos, el tiempo sigue su curso hasta aproximarse a la singularidad, sin advertir cambios inmediatos. Por el contrario, un observador lejano percibe que el tiempo del viajero se ralentiza al acercarse al horizonte, hasta parecer detenido.

Un agujero negro se forma cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear y colapsa bajo su propio peso. Si su masa es al menos tres veces la del Sol, la contracción no se detiene: la materia queda comprimida hasta alcanzar densidades inconcebibles. La relatividad general describe este proceso como una curvatura tan extrema del espacio-tiempo que nada logra escapar.

Ese límite se denomina horizonte de sucesos, y marca el punto de no retorno para cualquier objeto que lo atraviese.

Dentro del horizonte, todo se dirige hacia la singularidad. Se trata de una región donde la densidad y la curvatura teórica del espacio-tiempo alcanzan valores infinitos. Allí, la idea tradicional de tiempo deja de tener sentido.

“La singularidad no es un lugar en el espacio, sino un momento en el tiempo: el final del tiempo según la teoría de Einstein”, sostienen los especialistas.

El contraste entre lo que experimenta quien cae en el interior de un agujero negro y lo que observa un testigo externo resulta uno de los aspectos más desconcertantes del fenómeno.

Un viajero que cruza el horizonte no notaría nada especial, mientras se dirige a la singularidad. En cambio, para un observador distante, el viajero parecería detenerse, congelado en el borde, debido a la dilatación gravitacional del tiempo. Este efecto, predicho por la relatividad, representa uno de los ejemplos más extremos de cómo la gravedad altera la propia estructura temporal.

El EHT funciona como una red global de radiotelescopios distribuidos en varios continentes. Al sincronizar sus señales, la colaboración consigue una resolución equivalente a la de un telescopio tan grande como la Tierra. Sin embargo, incluso esa capacidad enfrenta límites cuando se busca distinguir estructuras extremadamente finas en la sombra de un agujero negro.

La próxima etapa de investigación apunta a incorporar nuevos radiotelescopios en tierra y, posiblemente, uno en órbita. Ese paso permitiría mejorar la resolución angular hasta niveles cercanos a una millonésima de segundo de arco. Para poner esa precisión en perspectiva, sería comparable a observar una moneda sobre la superficie de la Luna desde la Tierra.

Cuando las futuras observaciones alcancen esa nitidez, podrían descartarse modelos alternativos que difieran apenas un dos o un cinco por ciento de la predicción estándar. Los investigadores estiman que esa precisión bastaría para evaluar la forma exacta de la sombra y compararla con la solución de Kerr, que describe a los agujeros negros rotantes dentro de la relatividad general.

Mientras tanto, el estudio de los agujeros negros influye en otras áreas del conocimiento. Las herramientas matemáticas y conceptuales desarrolladas para entender el espacio-tiempo y la información se aplican en el diseño de computadoras cuánticas y nuevas teorías de codificación de datos. El vínculo entre cosmología y tecnología es más estrecho de lo que podría suponerse.

Los agujeros negros también presentan una diversidad extraordinaria de tamaños. Algunos nacen a partir del colapso de estrellas masivas; otros alcanzan masas de millones o miles de millones de soles en el centro de las galaxias. Sagitario A*, el agujero negro supermasivo de nuestra Vía Láctea, tiene cuatro millones de veces la masa solar. Pero incluso ese gigante resulta modesto frente a Ton 618, cuya masa se estima en sesenta y seis mil millones de soles.

El origen de estos gigantes es todavía un misterio. Para los agujeros negros supermasivos, se propone una historia de fusiones sucesivas y acumulación de materia durante miles de millones de años. Pero los ultramasivos plantean un desafío distinto: su crecimiento parece requerir procesos mucho más rápidos en el universo temprano. Ese problema aún no tiene una respuesta definitiva.

Lo que sí está claro es que las futuras imágenes permitirán comparar con mayor precisión la estructura visible alrededor del horizonte de sucesos. “Una de las contribuciones más importantes de la colaboración EHT a la astrofísica es haber convertido los agujeros negros en objetos comprobable”, señaló Rezzolla. La puerta está abierta para verificar si la relatividad general continúa vigente en los escenarios más extremos o si el universo esconde mecanismos aún desconocidos.

En cualquier caso, la búsqueda recién empieza. Cada nueva imagen trae la posibilidad de confirmar, ajustar o reemplazar la teoría que definió nuestra comprensión moderna del cosmos.

Si algún día se demostrara que la relatividad general no describe por completo la realidad en torno a un agujero negro, la física enfrentaría un giro histórico. Hasta entonces, la sombra seguirá siendo una pista, una huella y una promesa.