Agujeros negros en la ficción: análisis y fundamentos

INTRODUCCIÓN: Los agujeros negros están entre los objetos más interesante del universo. Poseen todo lo que un verdadero gamer pueda desear: increíbles efectos visuales, una jugabilidad única y literalmente absorbente, así como una duración enorme (mucho mayor que la edad actual del universo, de hecho). Sus propiedades únicas que los hacen tan diferentes al resto de cuerpos celestes hacen a muchos preguntarse sobre su funcionamiento y análisis cuando se trata de monitos chinos. 

En este artículo vamos a intentar explicarlas, de la forma más concisa y sencilla posible, así como intentar aclarar todas las dudas respecto a los mismos. Tampoco es como si pudiera expresarlo de otra forma, puesto que, como ya dije otras tantas veces, no soy astrofísico, por lo que ni soy experto en la materia, ni soy capaz de dar detalles científicos concretos.

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS:

En términos muy simples, podemos definir un agujero negro como una región del espacio-tiempo donde la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de la misma. Consecuentemente, el espectro electromagnético no se refleje en dicha región, haciendo que su interior sea invisible y dotándola de su característico color (o más bien ausencia de este) negro. Los dos tipos principales de agujeros negros son los agujeros negros de Schwarzschild y los agujeros negros de Kerr.

Los agujeros de Schwarzschild son estáticos, con forma de esfera, y únicamente poseen masa. Por el contrario, los agujeros de Kerr rotan sobre sí mismos, tienen forma de elipsis, y poseen tanto masa como momento angular. La inmensa mayoría de agujeros negros presentados tanto en la vida real como en la ficción pertenecen al primer grupo. También se cree que podrían existir agujeros negros dotados de carga eléctrica, los llamados de Reissner-Nordström y Kerr-Newman.

La descomunal masa de los agujeros negros no sólo crea un potentísimo campo gravitatorio que aplasta y atrae hacia sí todo lo que se encuentre en las proximidades del agujero; también curva y deforma la luz y el mismo espacio-tiempo en las proximidades del mismo, provocando un efecto de lente gravitacional que dota a los agujeros negros de su característico anillo lenticular que dobla la geometría de lo que pase por delante de este.

Este efecto es extremadamente difícil de dibujar, razón por la cual, la representación de los agujeros negros en la ficción no suele ser muy fiel (cuando no completamente errónea). Por este motivo, muchos autores suelen representar a los agujeros negros como especies de vórtices, simples esferas negras o incluso literales agujeros. Eso, y que muchos no saben un carajo de física, claro.

El efecto de lente provocado por el agujero negro es consecuencia directa de la luz siguiendo la extrema curvatura del espacio-tiempo en la inmediaciones de este.

PARTES DE UN AGUJERO NEGRO:

Básicamente, podemos dividir un agujero negro en tres partes: la fotosfera, el horizonte de sucesos y la singularidad. La fotosfera, o simplemente esfera de fotones, es la parte más superficial de un agujero negro, aquella que es inmediatamente circundante al horizonte de sucesos y donde la curvatura del espacio-tiempo hace que la luz quede atrapada en un anillo brillante de fotones a su alrededor. A esta región se la suele llamar ergosfera, y nada puede mantenerse quieto en esta.

Inmediatamente después está el horizonte de sucesos, la "sombra" del agujero negro que forma la superficie alrededor de la singularidad que vemos como la parte "negra". Todo lo que cruza el horizonte de sucesos queda aislado del resto del universo para siempre, incluida la luz. Dentro del horizonte de sucesos la estructura causal es diferente a la del espacio-tiempo convencional, de modo que todas las direcciones llevan al interior de este y nunca fuera del mismo.

En el centro del horizonte de sucesos está la singularidad, el lugar hacia donde van todas las cosas que caen en el agujero negro. Se trata de una región donde la curvatura del espacio-tiempo es infinita, dando como resultado un punto de volumen cero y densidad infinita que aplasta y añade a la masa del agujero negro todo lo que cae a esta. Sí, fans de la ED, un punto tiene densidad infinita y te puede matar. En el caso de los agujeros negros de Kerr, esta tiene forma de anillo.

Curiosamente, las singularidades de los agujeros negros son muy similares a nuestro propio universo justo durante el momento del big bang, lo que ha llevado a muchas teorías interesantes respecto a su verdadera naturaleza, pero no quiero saturarles con información innecesaria y altamente especulativa. Para realmente comprender las singularidades, necesitaríamos de una teoría científica que combinara la relatividad general con la mecánica cuántica, algo de lo que hasta ahora carecemos.

Muchos agujeros negros (sobretodo los más grandes y masivos) también poseen un disco de acreción, que es el gas y el polvo atrapado por la órbita del agujero negro, formando un plasma extremadamente caliente que orbita el agujero negro hasta la mitad de la velocidad de la luz a temperaturas de hasta 12 millones de grados, haciendo que, irónicamente, el espacio alrededor de estos agujeros negros sea extremadamente brillante.

Una sencilla representación de las partes de un agujero negro explicando de manera concisa cada una de estas.

¿QUÉ PASARÍA SI CAES EN UN AGUJERO NEGRO?:

Morirías. De muchas y desagradables maneras, dependiendo de en qué parte cayeras. Si fueras al disco de acreción, serías rápidamente desintegrado por los rayos-x, la fotosfera te reduciría a partículas subatómicas al instante, y pobre de ti si el agujero negro emite jets relativistas (más información aquí). Aunque sin dudas la muerte más aburrida y sin gracia sería simplemente quedar atrapado por la órbita del agujero negro y quedarte rotándolo hasta el día de tu muerte.

Un final más épico te esperaría si intentaras cruzar el horizonte de sucesos: si ciertas teorías resultan ser correctas, serías freído vivo al encontrarte con un muro de fuego rodeando dicho lugar. En caso contrario, las potentes fuerzas gravitatorias del agujero te destrozarían mientras te conviertes en un literal ciempiés humano, en un fenómeno que los científicos llaman cómicamente "espaguetización". Ahora bien, si el agujero negro es muy grande, la gravedad puede ser lo bastante débil como para no sufrir sus efectos al cruzar el horizonte de sucesos.

En ese caso, lo que te espera es una caída libre hacia la singularidad. Moverse en cualquier dirección solo aceleraría la caída hacia el centro del agujero negro. Allí la singularidad te esperaría para darte un abrazo. Uno con la presión gravitatoria de entre decenas hasta varios billones de estrellas. Bueno, a lo que quedara de ti. Para pasar a la singularidad, tu cuerpo sería reducido a un estado cuántico primero. Imaginemos que una paloma con unos brazos muy musculados (y por tanto fuertes) decidiera enfrentarse a un agujero negro.

Who would win? La paloma más fuerte vs el objeto más pesado.

Debido a un mal entendimiento de la física, la paloma consideraría que su fuerza sobrehumana la protegería de los efectos de la gravitatorios del agujero negro. Sin embargo, la extrema curvatura del espacio-tiempo estiraría cada vez más los poderosos músculos de la paloma mientras esta gritara "Um ponto não tem dimensões e não pode me prejudicar, me proteja Featherine!". Y así, la singularidad se convertiría en un destino inescapable mientras que la paloma vería desde su perspectiva como el tiempo se aceleraría y el universo envejece y muere, debido a la extrema dilatación temporal.

El trágico final de la paloma sería ser aplastada por la densidad infinita de la singularidad y reducida a partículas subatómicas después de haber sido hecha pedazos por las intensas fuerzas tidales. Las partículas de sus poderosos músculos se volverían uno con la singularidad, y su masa total se añadiría a la del agujero negro, haciendo este más grande y masivo. Dicho esto, pasemos a lo que seguramente estabas esperando leer ...

DESTRUIR / CREAR UN AGUJERO NEGRO:

Debido a que la singularidad posee densidad infinita y a que el agujero negro absorbe todo lo que se acerca demasiado al horizonte de sucesos, muchos podrían asumir que los agujeros negros son indestructibles o que la eliminación de estos no sería una hazaña lógica. Sin embargo, esto es incorrecto. Como cualquier otro objeto celeste, un agujero negro posee un límite crítico de cuanta masa puede perder antes de empezar a desintegrarse.

Sabemos que los agujeros negros no son eternos, sino que van perdiendo una cantidad de masa ínfima a lo largo de escalas de tiempo absurdamente grandes por medio de un proceso cuántico llamado radiación de Hawking. Cuando estos pierden demasiada, el agujero negro explota y se evapora. Evidentemente, a cuanto más masivo el agujero, más tardará en evaporarse. Incluso los más pequeños que se conocen tardarán más de 10⁶⁴ años. 

Podemos asumir que cuando un personaje destruye un agujero negro, sólo está haciendo en momentos lo que a la radiación de Hawking le llevaría centillones de años, aparte de que cuando en la ficción sucede esto, muchas veces sólo están haciendo colapsar el horizonte de sucesos. Por lo que para calcular el nivel enérgico de la hazaña, sólo necesitamos conocer la masa y tamaño del agujero negro. Y, curiosamente, si conoces una, también puedes conocer la otra.

Basta con medir el radio de Schwarzschild, el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro estático. Una vez sabido eso, puedes calcular la masa del agujero negro con esta sencilla fórmula. Después sólo tienes que convertir la masa en energía y sumar el tamaño del agujero negro al resultado. O, si eres tan vago como yo, puedes utilizar esta página o esta otra. Puedes adivinar fácilmente los joules multiplicando la energía necesaria para destruir el Sol por el número de masas solares resultante.

Una ilustración muy simple de lo que es el radio de Schwarzschild.

RESISTIR UN AGUJERO NEGRO:

Encontrarse con la singularidad es inevitable una vez cruzado el horizonte de sucesos. Sólo en un agujero negro de Kerr se cree que sería posible evitarla cruzando el anillo, y esto sólo de manera teórica. Esto ha dado lugar a diversas hipótesis como el puente de Einstein-Rosen, mejor conocido como agujero de gusano. No es de extrañar pues que en muchas ficciones, los agujeros negros sean utilizados como atajos hacia otras partes del universo o incluso otros universos.

En cualquier caso, de la misma forma que la singularidad no posee masa infinita, esta tampoco genera una cantidad infinita de energía. No obstante, el personaje en cuestión tendría que soportar la descomunal presión gravitatoria ejercida por la gran masa del agujero negro, así como grandes cantidades de radiación y temperaturas extremas (a pesar del disco de acreción, el interior del agujero negro está apenas una milésima por encima del cero absoluto).

Así pues, podemos calcular dichas hazañas como el personaje simplemente soportando la masa de dicho agujero negro intentando aplastarle. De esta forma, basta con calcular dicha masa y convertirla en energía por medio del procedimiento ya antes mencionado. En esta ocasión sin añadir el tamaño del agujero negro, puesto que el personaje no está soportando ninguna explosión.

"ISSO NÃO PODE ESTAR ACONTECENDO! UM PONTO NÃO TEM MASSA, NEM SE QUER EXISTE! EU SEI PORQUE LI EM UMINEKO!"

ESCAPAR DE UN AGUJERO NEGRO:

Puesto que los agujeros negros atrapan incluso la luz, necesariamente se requiere de una velocidad superior a la de la luz para superar su fuerza de atracción. Ya solo para atacarlos se requeriría de una velocidad superior a esta, pues de lo contrario, dichos ataques quedarían atrapados en la fotoesfera. Más complicado sería si el personaje cruzara el horizonte de sucesos. Puesto que el paso del tiempo es mayor a cuanto más cerca se está de la singularidad, necesariamente se requiere de una velocidad cada vez mayor para escapar del agujero.

Teóricamente, para escapar de la singularidad se requeriría de una velocidad infinita, ya que la curvatura del espacio-tiempo en dicho lugar también es infinita. Ahora bien, la mayoría de los autores no respetan dicha regla, y la singularidad tiene volumen cero, por lo que es físicamente imposible dentro de ella sin ser reducido a un estado cuántico. Esto no es una mera cuestión de movimiento: el espacio-tiempo se curva hacia la singularidad, por lo que el mismo eje del tiempo lleva hacia esta. 

De esta forma, la singularidad se convierte en el futuro inevitable de todo lo que cruza el horizonte de sucesos. Por lo tanto, un personaje que lograra escapar de dicho lugar debería tener al menos un cierto grado de resistencia a la manipulación del espacio-tiempo, a no ser que dicho agujero negro lo transporte pasivamente a otro lugar.

Recreación de la caída al interior de un agujero negro. El cambio de color es consecuencia directa de la diferencia en velocidad del espectro electromagnético.

EN RESUMEN:

Para los que les da pereza leer: para calcular destruir o crear un agujero negro, simplemente mide el radio de Schwarzschild y lo que te de en masas solares, lo multiplicas por la energía necesaria para destruir el sol, sumado a la superficie por la que se extienda el agujero. Lo mismo es resistirlos, pero sin tomar en cuenta el tamaño. Escapar de un agujero negro es siempre una hazaña FTL al menos que la obra especifique lo contrario. Y no uses la ED para intentar explicar los agujeros negros si no quieres llegar a conclusiones absurdas.

TABLA DE REFERENCIA RÁPIDA:

Como sé que mucha gente me preguntará por datos concretos, he creado esta tabla de referencia para que sirva de guía respecto a agujeros negros diversos tamaños. El tamaño del agujero negro NO va incluido.

Radio de Schwarzschild:                                                 Energía Total:

Micro agujeros negros (hasta 0.1 mm):                       1.1x10²⁹ Joules (Luna)

Tamaño de una persona (2 m):                                     2.2x10³⁴ Joules (Planeta)

1 km:                                                                            1.1x10³⁷ Joules (Planeta grande)

50 km:                                                                          8.4x10⁴² Joules (Estrella grande)

Tamaño de la Luna (3476 km):                                    5.8x10⁴⁴ Joules (Estrella grande+)

Tamaño de la Tierra (12742 km):                                 2.1x10⁴⁵ Joules (Sistema solar)

Tamaño del Sol (1390000 km):                                    2.3x10⁴⁷ Joules (Sistema solar)

TON 618 (2673 AU):                                                   3.3x10⁵² Joules (Sistema solar+)

1 año luz:                                                                     1.6x10⁵⁴ Joules (Sistema solar+)

3 años luz:                                                                   4.8x10⁵⁴ Joules (Sistema solar+)

A partir de este punto, el tamaño del radio se superpone con el nivel multi sistema solar, haciendo de los resultados redundantes, salvo que se busquen cifras muy específicas. Aparte de que ningún agujero negro es tan grande.