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Pulsars, cuasars y agujeros negros

Pulsars, cuasars y agujeros negros

PULSARS

En la década de los 60 del siglo XX se observó que las radioondas de ciertas fuentes revelaban una fluctuación de intensidad muy rápida, como si brotaran “centelleos radioeléctricos” acá y allá. Los astrónomos se apresuraron a diseñar instrumentos más apropiados y precisos para captar ráfagas muy cortas de radioondas con la intención de que ello permitiera un estudio más detallado. Apenas iniciada la exploración se localizaron ráfagas de energía radioeléctrica emitidas desde algún lugar situado entre Vega y Altair. Las citadas ráfagas fueron de una brevedad sorprendente: duraron sólo 1/30 de segundo. Y algo aún más impresionante: todas ellas se sucedieron con notable regularidad, a intervalos de 1 y 1/3 de segundo. Se pudo calcular el período hasta la cienmilmillonésima de segundo: 1’33730109 segundos.

Por entonces no fue posible explicar lo que representaban aquellas pulsaciones. Una explicación fue atribuirlas a alguna clase de estrella pulsante (“pulsating star” en inglés), y casi a la vez se creó la voz “pulsar” para designar el fenómeno. Otra posible explicación que fue tomada por algunos muy en serio, era la excitante posibilidad de que fuesen de origen inteligente, es decir que se tratasen de señales radioeléctricas, intencionadas o no, procedentes de alguna civilización extraterrestre. Pero apenas descubierto el primer pulsar se descubrieron otros nuevos, y al cabo de dos años se habían identificado unos cuarenta púlsars. Tal profusión de civilizaciones extraterrestres no parecía muy probable y para entonces ya se habían encontrado teorías más ortodoxas para explicar los pulsars.

Todos los pulsars se caracterizan por la extremada regularidad de sus pulsaciones que van de varias centésimas de segundo hasta unos pocos segundos. ¿Cuál sería el origen de los destellos emitidos con tanta regularidad? ¿Se trataría de algún cuerpo astronómico que estuviese experimentando un cambio muy regular, a intervalos lo suficientemente rápidos como para producir dichas pulsaciones? ¿O sería un planeta giratorio que mostraba con cada rotación un lugar específico de su superficie, del que brotaran abundantes radioondas proyectadas en nuestra dirección?

Ahora bien, para que suceda esto, un planeta debe girar alrededor de una estrella o sobre su propio eje en segundos o fracciones de segundo, lo cual es inconcebible. Se requiere que se trate de tamaños muy pequeños, combinados con fantásticas temperaturas, o enormes campos gravitatorios, o ambas cosas a la vez. El record de rapidez en la variación de la intensidad es de 0’8 millonésimas de segundo, lo que significa que la radiación procede de un objeto cuyo diámetro es como máximo 250 metros.

-Enana blanca-

De hecho, ni siquiera las enanas blancas (un tipo de estrellas superdensas y calientes, de masa similar a la del Sol, pero tamaño planetario) podían girar a esas velocidades, seguían siendo demasiado grandes y sus campos gravitatorios demasiado débiles. Pronto se descubrió que el periodo de varios pulsares aumentaba. Los pulsares se vuelven más lentos a medida que pasa el tiempo. Sin embargo, es un cambio muy lento: en promedio se necesitan 10 millones de años para que el período de un pulsar se duplique. Algunos pulsares son tan extraordinariamente precisos en la regularidad de sus impulsos que, en realidad pueden servir como relojes mucho más precisos que los modernos relojes atómicos.

Ello llevó a pensar que los pulsars podían tratarse de estrellas de neutrones giratorias. Las estrellas de neutrones habían sido predichas teóricamente en la década de 1930, y el descubrimiento de los pulsares supuso una espectacular confirmación observacional de lo que hasta entonces no era más que mera especulación teórica. En una estrella de neutrones la atracción gravitatoria de su propia masa es tan grande que sobrepasa el nivel de enana blanca, los átomos no pueden resistir semejante presión y colapsan sobre sí mismos, uniéndose los electrones con los protones del núcleo atómico y formando neutrones. Tendremos entonces un pequeño objeto inimaginablemente denso y caliente. Una estrella de neutrones típica tiene la masa de una estrella regular comprimida en un espacio de una decena de kilómetros o poco más. Un pedazo de estrella de neutrones del tamaño de una cabeza de alfiler pesaría en la Tierra millones de toneladas.

 

-Estrella de neutrones comparada con Vancouver-

Se había ya demostrado teóricamente que una estrella de neutrones debe tener un campo magnético de enorme intensidad. La inmensa gravedad de la estrella retendría con tal fuerza los electrones, que éstos sólo podrían emerger en los polos magnéticos, y al salir despedidos perderían energía en forma de radioondas. En la superficie, donde los neutrones se desintegran formando de nuevo electrones y protones, dominan intensas fuerzas eléctricas que proyectan al exterior las partículas cargadas de la estrella siguiendo las líneas del campo magnético. Un electrón que sigue una órbita curvada a velocidades próximas a la de la luz, emite energía. Esta energía no se reparte uniformemente en todas direcciones, sino que forma un estrecho haz en forma de cono en la dirección a la que miran las líneas de fuerza magnética que salen de la estrella. Como los polos magnéticos no tienen que coincidir necesariamente con el eje de rotación, si uno o ambos haces de radioondas se proyectasen en nuestra dirección, detectaríamos breves ráfagas de energía una o dos veces en cada revolución.

-Nebulosa del cangrejo-

Desde luego, no había razón alguna para suponer que los electrones perdían energía exclusivamente en forma de microondas. Este fenómeno debía producirse a lo largo de todo el espectro electromagnético, también en luz visible. Y en efecto, en enero de 1969, se observó que la luz de una débil estrella en la nebulosa del Cangrejo, emitía destellos intermitentes sincronizados con las pulsaciones de microondas. Habría sido posible descubrirlo antes si los astrónomos hubiesen tenido idea sobre la necesidad de buscar esas rápidas alternancias de luz y oscuridad. El pulsar de la nebulosa del Cangrejo fue la primera estrella de neutrones que pudo observarse con la vista. Pero, como hemos dicho, a medida que transcurre el tiempo los pulsares alargan su período de pulsación y se debilitan en luz visible, aunque todavía se hacen notar en ondas de radio. Los pulsares más antiguos perdieron hace tiempo su luminosidad visible, por lo que se han observado muy pocos.

Un pequeño porcentaje de las estrellas de neutrones se transforman en magnetares, objetos con un intenso campo magnético. Como referencia, pueden presentar un magnetismo miles de millones o billones de veces más intenso que el generado por las máquinas de resonancia magnética de los hospitales y cuatrillones de veces mayor que el campo magnético terrestre. Estos campos magnéticos provocan que los magnetares emitan de forma esporádica potentes explosiones de radiación de alta energía en forma de rayos X o rayos gamma. El 27 de diciembre de 2004, se registró un estallido de rayos gamma proveniente del magnetar denominado SGR 1806-20 situado en la Vía Láctea.

El origen estaba situado a unos 50.000 años luz. En la opinión de eminentes astrónomos, si se hubiera producido a tan solo 10 años luz de la Tierra, —distancia que nos separa de alguna de las estrellas más cercanas—, hubiera peligrado seriamente la vida en nuestro planeta al destruir la capa de ozono, alterando el clima global y destruyendo la atmósfera. Esta explosión resultó ser unas cien veces más potente que cualquier otro estallido registrado hasta ahora. La energía liberada en dos centésimas de segundo fue superior a la producida por el Sol en 250.000 años.

Se ha especulado con la idea de usar los pulsares como “faros interestelares” que sirviesen como puntos de referencia para futuros viajeros del espacio, a fin de poder calcular su posición una vez estuviesen tan alejados de la Tierra que las referencias habituales en nuestro Sistema Solar resultasen inútiles. Las sondas Pioner 10 y 11, lanzadas en 1972 y 1973, incluían unas placas metálicas con unos grabados que, supuestamente, facilitarían a los hipotéticos extraterrestres que pudieran encontrarlas saber quién había construido las naves y desde donde. Para esto último, a la izquierda hay un haz de líneas que parten radialmente de un mismo punto. Ese punto de referencia es el Sol; las líneas indican la dirección de los púlsares más significativos cercanos a nuestro sistema solar, y en cada uno, en sistema de numeración binario, su secuencia de pulsos. Este apartado constituye nuestra “dirección” en el universo. Una civilización técnicamente avanzada, con conocimiento de los púlsares, podría interpretar las placas.

 

CUASARS

Hasta mediados del siglo XX, todos los conocimientos que se tenían del Cosmos habían sido obtenidos analizando la luz de las estrellas que llegaba a la Tierra, al principio a simple vista y posteriormente con la ayuda de los telescopios. Sin embargo, la luz visible constituye una porción muy pequeña de todo el espectro electromagnético. El resto de ondas llegaba en forma de radiaciones de longitud de onda no visible, y toda la información que escondían se perdía. Esto cambió con la invención de los radiotelescopios y el desarrollo de la radioastronomía. A partir de ese momento pudieron estudiarse las longitudes de onda no visibles: infrarrojos, ultravioletas, ondas de radio, rayos X, gamma, etc. Gracias a ello se pudo descubrir unos objetos que habían pasado desapercibidos hasta entonces.

Las primeras radiofuentes sometidas a estudio parecían estar en relación con cuerpos dilatados de gas turbulento: la nebulosa del Cangrejo, las galaxias distantes, etc. Sin embargo, surgieron unas cuantas radiofuentes cuya pequeñez parecía desusada y se vislumbró la posibilidad de que ciertas estrellas individuales emitieran radioondas. Una exploración concienzuda de las zonas donde aparecían estas radiofuentes realizada en 1960, asoció como fuente de la radiación en cada una de estas zonas a unas estrellas determinadas que, hasta entonces, habían estado consideradas como insignificantes miembros de nuestra propia galaxia. Un detenido examen permitió poner de relieve otro punto interesante: dichas estrellas irradiaban luz ultravioleta en forma desusada. Pese a su aspecto de estrellas, las radiofuentes compactas no eran, en definitiva, estrellas corrientes. Se las denominó “fuentes cuasiestelares”, pero como dicho término era un tanto engorroso, al final se optó por simplificarlo a “cuasar”.
Pero las sorpresas acababan de empezar. A finales de 1960 se conocían unos 150 cuásars y el estudio minucioso de los espectros de color indicaba que no podían ser en absoluto estrellas corrientes de nuestra galaxia. Al contrario, deberían figurar entre los objetos más distantes, situados a miles de millones de años luz. Si los cuásars eran pequeños objetos y se hallaban tan distantes, debían ser excepcionalmente luminosos para brillar tanto a semejantes distancias: entre treinta y cien veces más luminosos que toda una galaxia corriente.

Otro fenómeno vino a confirmar la pequeñez de los cuásars. Se comprobó que eran muy variables respecto a la energía emitida, tanto en la región de la luz visible como en la de las radioondas. Para que la radiación experimente tan tremendas variaciones, un cuerpo debe ser pequeño. Ciertos cálculos indican que su tamaño podría ser muy pequeño, de orden de una semana luz. Por otra parte, un cuerpo tan pequeño y luminoso a la vez, debe consumir tales cantidades de energía que sus reservas no pueden durar mucho tiempo.

Uno de los resultados naturales de la gravedad en funcionamiento fue la formación de agujeros negros supermasivos, con una masa millones o miles de millones de veces la del Sol. Los agujeros negros con esta cantidad de masa tienen aproximadamente el tamaño de la órbita de Neptuno y las nubes de gas que atraen quieren adquirir velocidad, pero no pueden al haber demasiadas cosas en medio, por lo cual colisionan con cualquier cosa que se les ponga delante, descendiendo en una vorágine. Justo antes de que estas nubes desaparezcan para siempre, las colisiones en su materia supercalentada irradian cantidades colosales de energía, miles de millones de veces la luminosidad del Sol. Salen a borbotones gigantescos chorros de materia y radiación, que extienden cientos de miles de años luz por encima y por debajo del gas en remolino. Cuando cae una nube, y otra describe órbitas a la espera, la luminosidad del sistema fluctúa, y se vuelve más o menos brillante en cuestión de horas, días o semanas. Tan pronto el agujero negro supermasivo ha engullido todo el alimento disponible, tras dejar gas y estrellas sin comer en órbitas seguras y distantes, el cuasar simplemente se apaga. Y entonces tenemos una galaxia dócil con un agujero negro inactivo en su centro.

En definitiva ¿qué son los cuásars? No se sabe con certeza, pero una explicación posible es que se traten de un tipo de galaxias brillantes y de núcleo muy pequeño, llamadas galaxias Seyfert, por su descubridor, y posiblemente con un agujero negro supermasivo en su centro. Así los cuásares serían galaxias Seyfert muy distantes, tanto que podemos distinguir únicamente sus centros, pequeños y luminosos, y observar sólo las mayores.


AGUJEROS NEGROS

Se entiende por velocidad de escape de un astro, la velocidad mínima que debe alcanzar algo para poder escapar a la atracción gravitatoria del mismo. En el caso de la Tierra, ésta velocidad es de 11 km/segundo. Un cohete debe lograr dicha velocidad si quiere salir de la Tierra, de no ser así caería al suelo atraído por la gravedad de la Tierra. Para salir de la Luna hace falta una velocidad mucho menor, dado que la gravedad de la Luna es inferior a la terrestre. A la inversa, para escapar del campo gravitatorio de, por ejemplo, Júpiter hará falta una velocidad mucho más alta. Así pues, cuanto mayor sea la gravedad de un cuerpo, tanto más alta será la velocidad de escape necesaria.

¿Puede existir un objeto, con una gravedad tan colosal, que no pudiese escapar de él ni siquiera la luz, que es lo más rápido que hay en el Universo? La respuesta es afirmativa. De las ecuaciones de la Teoría de la Relatividad de Einstein ya se podía predecir la existencia de los agujeros negros, aunque la primera especulación sobre lo que hoy llamamos agujeros negros la formuló el matemático y astrónomo francés Pierre Laplace (1749-1827), quién argumentó que podrían existir estrellas tan masivas que la luz no pudiera escapar de sus campos gravitatorios. Se le dice agujero negro, porque ni siquiera la luz sale de él; y agujero porque es literalmente un pozo sin fondo, capaz de tragarse estrellas enteras.

Un agujero negro crea a su alrededor una especie de frontera, llamada horizonte de sucesos. Todo lo que sobrepase esa frontera ya no podrá salir nunca. En el interior se encuentra lo que los astrónomos denominan una singularidad, el punto donde confluye toda la materia que cae en el agujero y que tiene dimensión 0, y sin embargo una densidad infinita lo que de hecho quiere decir que allí dejan de cumplirse las leyes de la Física conocida por lo que no podemos explicar qué es lo que sucede en realidad. En cierta forma, lo que cae dentro de la singularidad deja de pertenecer a nuestro Universo y no sabemos que le ocurre. El tamaño del horizonte de sucesos depende de la masa del agujero negro; cuanto mayor es la masa mayor es el radio del horizonte. Para el Sol serían unos 3 km. y para la Tierra 9 metros. En el caso de agujeros negros esféricos y no giratorios este radio se conoce como “radio de Schwarzschild” por el nombre del físico que dio la fórmula para calcularlo. Cuando el agujero no es perfectamente esférico o está girando, la cosa es más complicada.

El físico inglés Stephen Hawking manifestó en 1970 que los agujeros negros tal vez no fuesen tan negros, sino más bien grises. Mostró que la energía contenida en un agujero negro podía, ocasionalmente, producir un par de partículas subatómicas, una de las cuales llegaría a escapar. Esto significaría que un agujero negro se evaporaría, aunque de una manera tan lenta que tendrían que transcurrir espacios de tiempo inconcebibles para que uno del tamaño de una estrella se evaporase completamente, billones de billones de veces el tiempo pasado desde el inicio del Universo hasta hoy.
Hay la posibilidad de que existan también mini agujeros negros, no más masivos que un planeta o un asteroide. De ser así, debieron formarse en el instante mismo del Big Bang, pues sólo entonces se dieron condiciones tan extremas como para comprimir pequeñas cantidades de materia a las espantosamente altas densidades necesarias para la creación de un mini agujero negro. Un mini agujero de mil millones de toneladas tendría el tamaño de un núcleo atómico, esto significa que estaría sujeto en parte a las exóticas leyes que gobiernan la conducta de los átomos, la teoría cuántica.

Se ha especulado con lo que ocurriría a dos hipotéticos astronautas, uno de los cuales se dirigiera hacia un agujero negro, mientras el otro espera algo apartado. De entrada, una vez el primer astronauta atraviese el horizonte de sucesos, desaparece toda posibilidad de comunicación entre ambos, puesto que ni la luz ni por ende cualquier clase de transmisión radioeléctrica que emita podrá traspasar la frontera del horizonte de sucesos. Por tanto el astronauta que espera fuera, ni podrá verlo ni saber nada de lo que le ocurre a partir de ese momento. Lo que le sucederá no es muy agradable ya que, suponiendo que entrasen primero sus pies, la tremenda fuerza gravitatoria del agujero negro hará que debido a la diferencia de atracción en los pies y la cabeza, se estire cada vez más como si fuese un fideo. Pero hay otro fenómeno más extraño producido por los efectos relativistas causados por la inmensa gravedad de los agujeros negros. La Teoría del Relatividad nos dice que la presencia de un cuerpo masivo enlentece el transcurso del tiempo en su cercanía. Cuanto mayor sea la intensidad de su campo gravitatorio, tanto más se retrasará el transcurrir del tiempo, comparado con el tiempo medido fuera de su influencia. Sin embargo, quien estuviese sometido a dicho campo gravitatorio no notaría ninguna diferencia en su tiempo, pero le parecería que en el exterior transcurre más deprisa. En otras palabras, si el astronauta que está fuera de la influencia del agujero negro pudiese observar a su compañero entrando en el mismo, le parecería que está inmóvil, suspendido para siempre en un instante interminable. Por su lado, éste astronauta, si sobrevive al estiramiento “de fideo”, y pudiese mirar hacia fuera, vería transcurrir todos los eones del resto de vida de todo el Universo en un soplo fugaz. Esto plantea una trascendente cuestión metafísica, pues mientras que el astronauta que está fuera contemplaría durante todos los años que le quedasen de vida a su compañero congelado, para éste sería el de fuera quien habría muerto instantáneamente y desvanecido con el resto del Universo. O sea, que si preguntásemos si el astronauta está vivo o muerto, la respuesta sería: “depende ¿visto desde dónde?”.

La solución de tan inquietante paradoja seguramente está en que, para que se produzca, uno de los astronautas debe poder mira dentro y el otro ver fuera. Pero como hemos dicho, esto es imposible una vez se traspasa el horizonte de sucesos. Podríamos considerar que el horizonte no sólo es una frontera de no retorno, sino que ejerce una especie de censura cósmica que impide que ocurran estas turbadoras paradojas. Con todo, se evidencia que cosas como antes, ahora y después; pasado, presente y futuro; vivo o muerto, etc. no son categóricamente absolutas si no relativas, dependen de quien y desde donde se observen.

 

SINGULARIDADES DESNUDAS

Puede que exista algo aún más extraño e inquietante que los agujeros negros. Como hemos visto un agujero negro está delimitado por el horizonte de sucesos, y tiene en su centro una singularidad.

La singularidad es el punto en donde la materia se concentra hasta no tener ningún tamaño, y dado que densidad= masa/volumen, al ser el volumen cero la densidad es infinita. Esto está fuera de toda lógica, no podemos entender que puede ser eso de densidad infinita. Cuando en las fórmulas de una teoría aparecen infinitos suele ser indicación de que algo anda mal. En una singularidad, la densidad y la gravedad son tan grandes, el espacio-tiempo está tan comprimido y retorcido que parece romperse y la propia estructura del Universo desaparece. Aparecen infinitos en las fórmulas y las leyes conocidas dejan de ser válidas. Por eso se dice que allí la Física deja de tener sentido.

Algunas hipótesis y modelos matemáticos especulan con la posibilidad de la existencia de algo monstruoso: un agujero negro sin horizonte de sucesos, es decir lo que ha venido en llamarse una “singularidad desnuda”. Se ha calificado al horizonte de sucesos como “censor cósmico”, un censor que nos impide ver la desnudez de la singularidad y evita que las extrañas cosas que allí suceden influyan en el resto del Universo. Pero si de verdad existen las singularidades desnudas ¿qué podemos esperar? Hawking propuso que siendo la singularidad un objeto fuera de toda ley, originaría influencias absolutamente caóticas y aleatorias. La materia y la radiación pueden tanto caer como salir de la singularidad desnuda. Mientras que la visita a la singularidad de dentro de un agujero negro sería un viaje sólo de ida, en principio podrías acercarte tanto como quisieras a la singularidad desnuda y volver para contarlo. ¿Se convertiría el Universo en un manicomio desenfrenado de sucesos aleatorios sin causa, de forma que no podríamos en ningún instante saber lo que va a ocurrir al siguiente? ¿Se desatarían fuerzas que destruirían el Universo o, como postulan algunos, sería como una máquina de reciclaje donde la materia desaparece de la existencia, para ser reemplazada por hidrógeno nuevo, proporcionando vida infinita al Universo?

La existencia real de una singularidad desnuda es una mera especulación hipotética. En la mayoría de modelos matemáticos no pueden formarse. Sólo algunos, con condiciones muy particulares, dan como resultado la formación de una singularidad desnuda. Pero son idealizaciones, que pueden ser válidas desde el punto de vista estrictamente matemático, pero no tener equivalente en la vida real. Es como colocar verticalmente un lápiz apoyado sobre una punta perfectamente afilada. Es una idealización que puede tener solución matemática, pero que no existe en la vida real ya que es tan inestable que cualquier mínima irregularidad o perturbación lo haría caer.