Los físicos negaron la existencia de los agujeros negros extremales durante décadas. Cometieron un gran error

Los agujeros negros son los objetos conocidos más enigmáticos del universo. Solo las estrellas de neutrones y las de quarks se atreven a disputarles su protagonismo. Nuestro conocimiento aún no nos permite entender todos sus secretos, pero poco a poco los cosmólogos han ido desvelando algunos de sus misterios, de manera que ya tenemos algunas respuestas que nos ayudan a conocerlos un poco mejor.

Para describir un agujero negro en particular tenemos que conocer tres propiedades: su masa, su carga eléctrica y su espín. Aquellos que tienen carga o rotación tienen dos horizontes: el de sucesos, que es la región del espacio que envuelve al agujero negro más allá de la cual cualquier objeto que la atraviese caerá irremisiblemente hacia su interior sin posibilidad alguna de salvación, y el horizonte de Cauchy.

Este último define una región más allá de la cual la relatividad general ya no puede ser utilizada para predecir nada. El físico y matemático británico Roger Penrose planteó en 1969 una idea muy interesante: el horizonte de Cauchy siempre debería quedar oculto en el interior del horizonte de sucesos porque, de lo contrario, se produciría una singularidad. Esta propuesta se conoce desde entonces como hipótesis de la censura cósmica.

Las leyes de la física permiten la existencia de los agujeros negros extremales

Cuando aumenta la carga o el espín de un agujero negro, el horizonte de Cauchy crece, y, sin embargo, el horizonte de sucesos se reduce. Este comportamiento provoca que ambos horizontes acaben coincidiendo en un límite conocido como "extremalidad". Lo curioso es que en esa región la gravedad superficial es cero, y debido a que la temperatura de Hawking es proporcional a esa gravedad superficial el agujero negro no debería emitir radiación de Hawking y su temperatura debería ser cero.

La tercera ley de la termodinámica nos dice que un sistema nunca puede alcanzar el cero absoluto, por lo que los físicos han aceptado durante décadas que un agujero negro no puede recrear las condiciones necesarias para llegar a la extremalidad. Todo cambió en 2024. Y es que Christoph Kehle, un matemático alemán que da clase en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, y Ryan Unger, matemático de Stanford y Berkeley, publicaron un trabajo en el que aseguraban que un agujero negro puede alcanzar la extremalidad sin originar una singularidad desnuda.

Un apunte breve antes de seguir adelante: una singularidad desnuda se produce cuando la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita, de modo que la relatividad general deja de ser válida y se origina una singularidad gravitatoria que queda expuesta sin que un horizonte de sucesos la enmascare. Kehle y Unger encontraron, y aquí llega lo sorprendente, dos mecanismos que permiten a un agujero negro alcanzar la extremalidad sin desencadenar la aparición de una singularidad desnuda.

El primero de ellos consiste en añadir gradualmente materia cargada al agujero negro. Y el segundo requiere disparar un haz de partículas cargadas hacia una región vacía del espacio y desencadenar su colapso, de manera que den lugar a la creación de un agujero negro extremal. Pueden parecer dos ideas muy artificiosas, es verdad, pero lo realmente importante es que describen dos escenarios en los que no solo las matemáticas amparan la existencia de estos agujeros negros tan exóticos; también se ve respaldada por las leyes de la física.

Sea como sea, los agujeros negros extremales son importantes por varios motivos. A pesar de tener temperatura cero conservan entropía, lo que los posiciona como unos objetos muy interesantes para estudiar de qué están hechos los agujeros negros a escala microscópica. Además, en teoría es posible observarlos, si los astrofísicos dan con uno, debido a que cuando la materia cae en su interior debería dejar una huella diferente a la que produciría un agujero negro convencional. Y, de propina, como hemos visto a lo largo de este artículo, estos objetos ponen en entredicho la tercera ley de la termodinámica, por lo que los físicos tienen una oportunidad estupenda para reformularla.

Imagen | NASA

Más información | NewScientist

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