De agujeros negros y estrellas: Stephen Hawking

René Medina

Hablar de Stephen Hawking, en la actualidad, es sin duda hablar de uno de los rockstar de la ciencia más conocidos. Y es que su fama no sólo abarca a la comunidad científica internacional o a la comunidad geek con un cierto gusto por la ciencia, sino que es parte ya de la cultura popular; tal vez, ciertamente, en un segundo plano, pero casi a la par que otro grande, Albert Einstein.

Efectivamente, Stephen no solamente es uno de los divulgadores científicos más famosos desde que por primera vez en la historia  colocó un libro sobre ciencia en la lista de los Best Seller con Breve historia del tiempo y no solamente tiene su propia película biográfica, sino que cuenta con innumerables participaciones en distintas series como Star treek,  The Big Bang Theory o The Simpsons: ¿cómo olvidar su interacción con Homero  cuando este le exponía su «teoría del universo en forma de rosquilla»?

Es notorio apuntalar que esta fama de Stephen es bien ganada. No solamente es un físico británico heredero de la cátedra lucasiana en la prestigiosa universidad de Cambridge, no sólo venció la esclerosis lateral ameotrófica o «ELA» por sus siglas en inglés,no es su silla eléctrica, o su computadora o su voz robótica desde los años ochenta; son sin duda sus contribuciones a la física moderna. Unas de las principales son, por supuesto, sus estudios sobre los agujeros negros, tema en boga nuevamente desde el pasado 10 de abril, momento en que la colaboración científica Event Horizon Telescope (EHT) anunció uno de los más grandes logros en las últimas décadas: la primera fotografía de un agujero negro.

Es sin duda una lástima que el profesor no haya vivido un año más para ver realizada dicha hazaña; sin embargo, dejemos que sea él quien nos explique qué es un agujero negro y por qué el logro de fotografiarlo es una hazaña de tan gran magnitud para la humanidad.

El mismo Stephen, en su libro La Teoría del Todo,  nos narra que el término «agujero negro» no fue acuñado por él, sino por John Wheeler en 1969 como una descripción gráfica para la idea que desarrolló el profesor John Michell en 1783, haciendo referencia a la teoría de la luz en la cual se manifiesta la naturaleza de la misma como partículas, por lo cual, sufrirían la misma afectación de la gravedad como, por ejemplo, una bala de cañón, los cohetes y los planetas. Así, de esta manera, abría estrellas tan masivas que lograrían una fuerza de atracción tan grande sobre las partículas de luz que no permitirían a la misma escapar hacia el espacio exterior. De esta forma, dichas estrellas no podrían ser vistas, sin embargo, podríamos percibir su fuerza gravitatoria, como inmensos espacios vacíos que perturbarían los objetos a su alrededor por medio de la fuerza de gravedad.

Para entender cómo podría formarse un agujero negro, tendríamos que entender primero el ciclo vital de una estrella. Nos narra el físico: Una estrella se forma cuando una gran cantidad de gas, fundamentalmente hidrógeno, empieza a colapsar sobre sí mismo, debido a su atracción gravitatoria. A medida que el gas se contrae, los átomos colisionan entre sí cada vez con más frecuencia y a velocidades cada vez mayores; el gas se calienta. Con el tiempo, el gas estará tan caliente que cuando los átomos de hidrogeno colisionen (…) se fusionarán para formar átomos de helio. El calor liberado en esta reacción, es lo que hace que brillen las estrellas. Este calor incrementa también la presión del gas hasta que es suficiente para contrarrestar la atracción gravitatoria y el gas deja de contraerse. (…) con el tiempo, la estrella agotará su hidrogeno y los demás combustibles nucleares; (…) cuando la estrella agote el combustible, empezará a enfriarse, y con ello a contraerse. [1] ¿Y qué sucede con la estrella cuando finalmente termina su estado crítico de enfriamiento? Existen dos posibles finales para esta estrella en agonía que depende directamente de su masa: si la masa de la estrella es menor a la del tamaño de una vez y medio el tamaño de nuestro sol (límite de Chandrasekhar) con el tiempo puede dejar de contraerse y se convertirá en una enana blanca.

El otro final sería el que nos compete. Cuando la estrella está por encima del límite de Chandrasekhar, o bien explota si no es capaz de liberar la masa suficiente para lograr colocarse por abajo del límite, puede crearse un agujero negro. Cuando la estrella ha contraído hasta un cierto radio crítico, el campo gravitatorio en la superficie se hace tan intenso que los conos de la luz están tan inclinados hacia dentro que la luz ya no puede escapar. Según la teoría de la relatividad, nada puede viajar más rápido que la luz. Por lo tanto, si la luz no puede escapar, ya nada puede escapar; todo es retenido por el campo gravitatorio. De este modo, hay un conjunto de sucesos, una región del espacio-tiempo, de la que no es posible escapar para llegar a un observador distante. Esta región es la que ahora llamamos un agujero negro. Su frontera se denomina el horizonte de sucesos. [2] A este suceso, el doctor le llamó una singularidad única, algo similar a lo que ocurrió al inicio de los tiempos, conocido como el Big Bang.

No obstante, el gran predicamento de estas singularidades llamadas agujeros negros es que la existencia de las mismas se basaba únicamente en modelos matemáticos, sin ninguna evidencia real de su existencia. Recordemos que fuera del horizonte de sucesos nada es observable y el observador no podrá percatarse de las perturbaciones generadas del otro lado del horizonte, es decir, dentro de dicha región espacio-temporal donde todas las leyes físicas conocidas dejan de aplicarse. Lo único que podía evidenciar la presencia de un agujero negro serían las perturbaciones que ocurren a su alrededor.

Es aquí donde entra el 10 de abril de 2019, cuando se pudo por fin fotografiar la estela del horizonte de sucesos que rodea un agujero negro, es decir, la «sombra» que proyecta sobre el espacio exterior. Esta foto del centro de la galaxia Messier 87, a 53 millones de años luz de distancia de nuestro planeta, da como resultado para el trabajo de varias décadas de imagen y más de dos años de recopilación de información la comprobación empírica de la existencia de los agujeros negros: Hawking tenía razón y, por ende, Albert Einstein y su teoría de la relatividad se acercan un paso más a ser el camino más viable a lograr, por fin, un entendimiento completo de las leyes que gobiernan nuestro universo.

Si bien el buen Dr. no se encuentra ya en el mismo plano físico que el nuestro, es seguro que estaría orgullosamente satisfecho con este logro porque él siempre creyó que la ciencia se encuentra en la actualidad muy cerca ya de la teoría del todo y, sin duda, consideraría este evento como un peldaño más escalado en la consecución de la misma.

[1] HAWKING STEPHEN W. La Teoría del Todo ed. Random house  Mondadori, primera edición, México 2008 p.48-49

[2] HAWKING STEPHEN W. Op. Cit. P. 53