Durante el invierno del hemisferio sur, un punto azul de luz en la constelación Telescopium resplandece en el firmamento. Este puntito brillante, que parece una estrella, es en realidad dos estrellas que orbitan cerca, acompañadas del agujero negro más próximo a la Tierra. El agujero negro, descubierto recientemente, se encuentra en el sistema estelar HR 6819, a casi 1011 años luz de nuestro sistema solar. El objeto invisible, revelado en la revista Astronomy & Astrophysics, se encuentra en órbita con dos estrellas visibles. Se estima que tiene en torno al cuádruple de la masa del sol y que se encuentra casi 2500 años luz más cerca que el siguiente agujero negro. «Parece que ha estado oculto a plena vista. Es un sistema estelar tan brillante que lo han estudiado desde los años 80, pero parece que ha dado algunas sorpresas», afirma el astrónomo Kareem El-Badry, estudiante de doctorado de la Universidad de California, Berkeley, que se especializa en sistemas binarios, pero que no participó en el estudio.

A escala humana, mil años luz es una distancia inmensa. Si se escalara un modelo de la Vía Láctea de forma que la Tierra y el Sol estuvieran separados por la anchura de un pelo, HR 6819 se encontraría a unos seis kilómetros. Pero en la gran estructura de la galaxia, cuyo diámetro mide más de 100 000 años luz, HR 6819 está bastante cerca y sugiere que la Vía Láctea está plagada de agujeros negros. «Si encuentras uno muy cerca de ti y asumes que no eres especial, entonces deben de estar por todas partes», afirma Thomas Rivinius, autor principal del estudio y astrónomo del Observatorio Europeo Austral en Chile (ESO, por sus siglas en inglés).

HR 6819 puede verse en el centro de esta imagen del cielo de campo amplio creada con imágenes que forman parte de la Digitized Sky Survey 2. Las dos estrellas están tan cerca que parecen una y el sistema triple también incluye el agujero negro más próximo a la Tierra descubierto hasta la fecha.

Durante años, se ha estimado que la Vía Láctea alberga cientos de millones de agujeros negros, objetos extremadamente densos cuyos campos gravitatorios son tan intensos que ni siquiera puede escapar la luz. Pero encontrar estos objetos oscuros ha sido muy difícil. Se han detectado decenas de agujeros negros en la galaxia «alimentándose» de nubes de gas cercanas, un proceso que emite rayos X cuando el material se arremolina alrededor de los bordes del agujero negro. En cambio, la mayoría de los agujeros negros de nuestra galaxia son invisibles, así que el único modo de encontrarlos es observar sus efectos gravitacionales sobre los objetos que los rodean. Los astrónomos que estudian HR 6819 no estaban buscando agujeros negros. Solo querían estudiar un par de estrellas extrañas que se orbitan entre sí. La estrella exterior, conocida como estrella Be, tiene mucha más masa que el Sol y es más cálida y azul. En el ecuador, la superficie de la estrella gira a más de 480 kilómetros por segundo, o más de 200 veces la velocidad del ecuador del Sol. «Rotan con tanta rapidez que el material prácticamente vuela solo», afirma Rivinius.

En 2004, una campaña de observación de HR 6819 de cuatro meses con el telescopio MPG/ESO de 2,2 metros en el Observatorio de La Silla, en Chile, reveló indicios de que el sistema no era un par binario normal. La estrella interior «normal» parecía orbitar otro objeto una vez cada 40,3 días, mientras que la estrella Be más grande orbitaba a mucha más distancia, tanto alrededor de la estrella interior como el tercer objeto misterioso. Cinco años después, Stan Štefl del Observatorio Europeo Austral dirigió una iniciativa para revisar las observaciones, que contenían pistas de que había un agujero negro acechando en HR 6819. Sin embargo, Štefl falleció en un accidente de coche en 2014, lo que paralizó el trabajo. En noviembre de 2019, Rivinius, experto en estrellas Be y colega de Štefl durante años, consideró que había nuevos motivos para reexaminar HR 6819.

Un grupo independiente había publicado un estudio que detallaba un sistema estelar llamado LB-1 con un agujero negro unas 70 veces más masivo que nuestro Sol. El trabajo dejó a muchos boquiabiertos. Por lo que saben los físicos sobre la formación de los agujeros negros de masa estelar (los que se crean tras la supernova de una estrella inmensa), la formación de agujeros negros de esa masa no debería ser posible. Cuando muere una estrella lo bastante grande como para producir agujeros negros de ese tamaño, explota de tal modo que los restos resultantes pueden volver a colapsar sobre sí mismos. Sin embargo, el equipo de Rivinius se percató de que los datos de LB-1 se parecían mucho a lo que habían observado años antes con HR 6819. Decidieron caracterizar el tercer objeto misterioso del sistema y, según los cálculos de la órbita y el brillo de la estrella interior, determinaron que el objeto invisible era al menos 4,2 veces más masivo que nuestro Sol, algo similar a otros agujeros negros conocidos de la Vía Láctea.

Si el objeto tiene unas cuatro masas solares, no puede ser una estrella normal, ya que si fuera tan grande sería «muy fácil detectarla», explica el coautor del estudio Dietrich Baade, científico emérito del ESO. También es demasiado masivo para ser una estrella de neutrones, los núcleos estelares densos que quedan tras las explosiones de supernovas. Solo un tipo de objeto podría explicar el resultado: un agujero negro. Sin embargo, El-Badry señala que todos los estudios de sistemas como HR 6819, con varios objetos cercanos, se enfrentan a un par de fuentes de error potenciales. La estrella Be exterior y la estrella interior de HR 6819 están demasiado cerca para distinguirse con un telescopio óptico. Solo pueden identificar las dos estrellas según los diferentes espectros de luz que emiten.

En algunos casos, las estrellas más antiguas «despojadas» del hidrógeno exterior pueden imitar la apariencia de estrellas más jóvenes y masivas. Si la estrella interior de HR 6819 es una imitación, los investigadores tendrían que recalcular la supuesta masa del agujero negro. En trabajos posteriores, los investigadores dirigidos por el coautor Petr Hadrava quieren «desenmarañar» la luz que emite HR 6819 y revelar el espectro exacto de las dos estrellas, lo que debería precisar sus identidades.

El-Badry añade que el telescopio espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea, que está creando un mapa de la Vía Láctea con una precisión sin precedentes, podría proporcionar más detalles sobre las órbitas de HR 6819. Y como el sistema es tan próximo, los astrónomos podrían identificar las dos estrellas individuales empleando una técnica denominada interferometría, que vincula varios telescopios, algo similar a la red de telescopios que consiguió la primera imagen de la silueta de un agujero negro supermasivo. «Normalmente, cuando hay un agujero negro con una estrella alrededor, lo que vemos es la estrella circulando alrededor del agujero negro», afirma Marianne Heida, coautora del estudio e investigadora posdoctoral del ESO. «Este está tan cerca que deberíamos ser capaces de observar el movimiento y eso quiere decir que entenderíamos mejor la masa del agujero negro, si todo va bien».

Mientras los investigadores planean sus próximos movimientos, también están conmemorando a Štefl, el impulsor responsable del hallazgo del agujero negro. «Stan era muy precavido», afirma Rivinius con una sonrisa. «Si me viera ahora, probablemente me diría: “¿Estás seguro?”».

Esta ilustración muestra las órbitas de los objetos en el sistema estelar triple HR 6819. El sistema consta de una estrella interior (órbita en azul) y un agujero negro (órbita en rojo), así como una tercera estrella en una órbita más amplia (también en azul).

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Un agujero negro es una región finita del espacio en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada como para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella. Sin embargo, los agujeros negros pueden ser capaces de emitir un tipo de radiación, la radiación de Hawking, conjeturada por Stephen Hawking en la década de 1970. La radiación emitida por agujeros negros como Cygnus X-1 no procede del propio agujero negro sino de su disco de acreción. La gravedad de un agujero negro, o «curvatura del espacio-tiempo», provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos.

Esto es previsto por las ecuaciones del campo de Einstein. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del universo, y a partir de él ninguna partícula puede salir, incluidos los fotones. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio. En la década de 1970, Stephen Hawking, Ellis y Penrose demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros. Previamente, en 1963, Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometría cuasiesférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y su momento angular L. Se conjetura que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos.

El 11 de febrero de 2016, las colaboraciones LIGO, Interferómetro Virgo y GEO600 anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales, producidas por la fusión de dos agujeros negros a unos 410 millones de pársecs, megapársecs o Mpc, es decir, a unos 1337 millones de años luz, mega-años luz o Mal de la Tierra. Las observaciones demostraron la existencia de un sistema binario de agujeros negros de masa estelar y la primera observación de una fusión de dos agujeros negros de un sistema binario. Anteriormente, la existencia de agujeros negros estaba apoyada en observaciones astronómicas de forma indirecta, a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas.

La gravedad de un agujero negro puede atraer el gas que se encuentra a su alrededor, que se arremolina y calienta a temperaturas de hasta 12 000 000 °C, esto es, 2000 veces mayor temperatura que la de la superficie del Sol. El 10 de abril de 2019, el consorcio internacional Telescopio del Horizonte de Sucesos presentó la primera imagen jamás capturada de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87.

Primera imagen real en la historia de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87, presentado el 10 de abril de 2019 por el consorcio internacional Telescopio del horizonte de sucesos.

Los agujeros negros se forman en un proceso de colapso gravitatorio que fue ampliamente estudiado a mediados de siglo XX por diversos científicos, particularmente Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking, entre otros. Hawking, en su libro divulgativo Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros (1988), repasa algunos de los hechos bien establecidos sobre la formación de agujeros negros. Este proceso comienza después de la "muerte" de una gigante roja (estrella de 10 a 25 o más veces la masa del Sol), entendiéndose por "muerte" la extinción total de su energía. Tras varios miles de millones de años de vida, la fuerza gravitatoria de dicha estrella comienza a ejercer fuerza sobre sí misma originando una masa concentrada en un pequeño volumen, convirtiéndose en una enana blanca.

En este punto, dicho proceso puede proseguir hasta el colapso de dicho astro por la autoatracción gravitatoria que termina por convertir a esta enana blanca en un agujero negro. Este proceso acaba por reunir una fuerza de atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz en este. En palabras más simples, un agujero negro es el resultado final de la acción de la gravedad extrema llevada hasta el límite posible. La misma gravedad que mantiene a la estrella estable, la empieza a comprimir hasta el punto que los átomos comienzan a aplastarse. Los electrones en órbita se acercan cada vez más al núcleo atómico y acaban fusionándose con los protones, formando más neutrones mediante el proceso.

Este proceso comportaría la emisión de un número elevado de neutrinos. El resultado final es una estrella de neutrones. En este punto, dependiendo de la masa de la estrella, el plasma de neutrones dispara una reacción en cadena irreversible, la gravedad aumenta enormemente al disminuirse la distancia que había originalmente entre los átomos. Las partículas de neutrones implosionan, aplastándose más, logrando como resultado un agujero negro, que es una región del espacio-tiempo limitada por el llamado horizonte de sucesos. Los detalles de qué sucede con la materia que cae más allá de este horizonte dentro de un agujero negro no se conocen porque para escalas pequeñas sólo una teoría cuántica de la gravedad podría explicarlos adecuadamente, pero no existe una formulación completamente consistente con dicha teoría.

El concepto de un cuerpo tan denso que ni siquiera la luz puede escapar de él fue descrito en un artículo enviado en 1783 a la Royal Society por el geólogo y clérigo inglés John Michell. Por aquel entonces la teoría de Newton de la gravitación y el concepto de velocidad de escape eran muy conocidas. Michell calculó que un cuerpo con un radio 500 veces el del Sol y la misma densidad, tendría, en su superficie, una velocidad de escape igual a la de la luz y sería invisible. En 1796, el matemático francés Pierre-Simon Laplace explicó en las dos primeras ediciones de su libro Exposition du Systeme du Monde la misma idea, aunque, al ganar terreno la idea de que la luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores. En 1915, Einstein desarrolló la relatividad general y demostró que la luz era influida por la interacción gravitatoria. Unos meses después, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel entonces. El propio Schwarzschild pensó que no era más que una solución matemática, no física. En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró que un cuerpo con una masa crítica (ahora conocida como límite de Chandrasekhar) y que no emitiese radiación, colapsaría por su propia gravedad porque no habría nada que se conociera que pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de atracción gravitatoria sería mayor que la proporcionada por el principio de exclusión de Pauli).

Después de la Segunda Guerra Mundial se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica

Sin embargo, Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzara un tamaño nulo, lo que implicaría una singularidad desnuda de materia, y que debería haber algo que inevitablemente pusiera freno al colapso, línea adoptada por la mayoría de los científicos. En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podría sufrir un colapso gravitatorio y, por tanto, los agujeros negros podrían ser formados en la naturaleza. Esta teoría no fue objeto de mucha atención hasta los años 60, porque, después de la Segunda Guerra Mundial se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica. En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en determinados casos no se podría impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso.

La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsares. Poco después, en 1969, John Wheeler acuñó el término "agujero negro" durante una reunión de cosmólogos en Nueva York, para designar lo que anteriormente se llamó "estrella en colapso gravitatorio completo". El 10 de abril de 2019, el consorcio internacional Telescopio del Horizonte de Sucesos presentó la primera imagen jamás capturada de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87. Se esperaba a su vez el anuncio de otra imagen real de un agujero negro en Sagitario A*; sin embargo, aclararon que no se había obtenido porque la fuente era muy variable durante los periodos de observación, resolviéndose en un futuro.

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