¿Qué pasaría si un agujero negro entrara en el sistema solar?

Nada existe para ser temido. Sólo para ser entendido.
–María Curie.

Por su singularidad, en todos los sentidos, los agujeros negros constituyen uno de los objetos astronómicos que más han cautivado la imaginación del público. Y se oye muchas veces la pregunta: ¿qué sucedería si una de estas rarezas cósmicas se aproximara a nuestro sistema solar, o incluso penetrara en él? Muchos piensan que se nos tragaría sin remisión, ñam. Y sin embargo, no tienen razón. ¿Cómo es eso posible?

Agujeros negros.

Un agujero negro es una región del espacio de donde nada, ni siquiera la luz, puede escapar; los causa una deformación del espaciotiempo debido al colapso gravitacional de una masa. Teóricamente, cualquier cantidad de masa formará un agujero negro si su propia gravedad es capaz de comprimirla sobre sí misma hasta que se vuelva tan pequeña como su radio de Schwarzschild; en el caso del Sol esto serían unos tres kilómetros y, en el de la Tierra, de unos nueve milímetros. En principio, cualquier masa mayor que una masa de Planck podría formar uno; una masa de Planck equivale a unos pocos microgramos.

Sin embargo, los agujeros negros pequeños (llamados microagujeros negros o agujeros negros mecanocuánticos), en caso de existir, tienden a perder materia en vez de capturarla. Este fenómeno se conoce como evaporación de Hawking o radiación de Hawking-Bekenstein (y este es uno de los muchos motivos por los que quienes creían que el LHC iba a destruirnos están equivocados). Alimentar un microagujero negro es como querer llenar una bañera sin fondo: si abrimos el grifo lo bastante, por un momento parecerá que está llena de agua, pero al instante ya no se hallará allí.

Para que un agujero negro llegue a formarse y ser estable, hace falta una masa implicada equivalente más o menos al triple que nuestro Sol, con un mínimo absoluto en una vez y media (en la práctica, si no llega a 2,7 veces el Sol se convertirá en una estrella de neutrones, no un agujero negro). Este es el límite TOV (Tolman-Oppenheimer-Volkoff), que se deriva directamente del Principio de Exclusión de Pauli y del límite de Chandrasekhar para la formación de materia degenerada. Dicho en pocas palabras: ni siquiera toda la masa del sistema solar junta es suficiente como para que llegue a producir un agujero negro estable. El candidato más pequeño a agujero negro que conocemos en la actualidad, XTE J1650-500 en la constelación del Altar, es casi cuatro veces más masivo que el Sol (y el sistema solar).

Los agujeros negros se forman cuando una estrella lo bastante masiva se queda sin combustible y muere. Las estrellas, como nuestro Sol, son fundamentalmente grandes acumulaciones del hidrógeno primigenio concentradas por atracción gravitatoria en una esfera cada vez más compacta y densa. Hay un punto en que la presión (y con ella la temperatura) es capaz de superar la repulsión electrostática entre los núcleos atómicos, y entonces puede comenzar la fusión del hidrógeno y el deuterio primordial. En ese momento la estrella se enciende y equilibra; dicho muy burdamente, la explosión termonuclear constante que padece contrarresta el colapso gravitatorio que la formó. Así, permanece estable durante cientos, miles o decenas de miles de millones de años en forma de una esfera energética; tal cosa es una estrella, un sol. El nuestro se formó junto con la Tierra y el resto de los planetas hace unos 4.500 millones de años, y durará otros tantos.

Durante este proceso, las estrellas más antiguas (llamadas la población III) comenzaron a producir por fusión núcleos atómicos más pesados; todos los elementos hasta el 26 (hierro), incluyendo grandes cantidades de helio que vino a sumarse a su contenido en helio primordial. Conforme las estrellas van consumiendo su hidrógeno, la fusión se debilita. Entonces, la fuerza gravitatoria vuelve a ser más intensa que la explosión sostenida, y comprime el sol hasta un nuevo punto en el que es posible la fusión del helio. A continuación pueden ocurrir tres cosas distintas, dependiendo de su masa.

Las pequeñas (menos de la mitad del Sol, con mucho las más comunes del universo) no tienen masa suficiente como para provocar tanta presión que el helio llegue a encenderse (la fusión del helio sólo se produce a presiones y temperaturas muy altas). Entonces se convierten lentamente en enanas rojas, fusionando lentamente su hidrógeno residual durante billones de años. Algunas pasarán por una fase de enana blanca (con nova o sin nova) y finalmente, dentro de muchísimo tiempo, todas ellas esencialmente se apagarán en forma de enanas negras.

Las de mediano tamaño (más o menos como nuestro Sol) sí pueden causar compresión gravitatoria suficiente como para que el helio fusione. Esto embala la fusión del hidrógeno residual, y entonces la estrella crece y se expande hasta convertirse en una gigante roja. Cuando eso le ocurra a nuestro Sol dentro de cinco mil millones de años, se tragará a Mercurio y Venus y no está claro si también a la Tierra, pero en todo caso ésta resultará abrasada por completo (en realidad el proceso empezará mucho antes: en tres mil millones de años el agua terrestre se habrá evaporado y con ella la vida). Las gigantes rojas consumen su combustible muy rápidamente y además expulsan sus capas exteriores de materia, formando nebulosas, por lo que sólo duran unos millones de años antes de convertirse también en enanas blancas y finalmente apagándose como enanas negras dentro de cantidades abismales de tiempo.

Pero las grandes comienzan a fusionar helio masivamente y entonces se pueden convertir en una diversidad de monstruos cósmicos que normalmente culminan con alguna clase de fenómeno catastrófico. Consumen a toda velocidad el helio y el hidrógeno residual, y las más gigantescas empiezan a hacerlo también con el carbono, el neón, el oxígeno e incluso el silicio que han producido durante las reacciones anteriores; resulta complicado imaginar la clase de densidad y temperatura precisas para fusionar núcleos de elementos como el silicio. Algunas se transforman en subgigantes o gigantes, pero las verdaderamente enormes llegan a formar supergigantes e incluso hipergigantes como VV Cephei A o VY Canis Majoris; si nuestro Sol fuera una de estas, su esfera llegaría casi hasta Saturno.

Se consumen tan deprisa que no viven mucho: unos pocos millones de años (y, cuando empiezan a fusionar silicio, ya sólo les quedan cinco días). Suelen acabar en forma de supernovas: lo que viene siendo una explosión termonuclear de calibre cósmico, más brillante que una galaxia entera. Y cuando lo hacen como una supernova por colapso nuclear, el núcleo residual evoluciona hasta transformarse en una estrella compacta: enanas blancas, estrellas de neutrones, estrellas exóticas o la forma extrema de colapso gravitacional que forma un agujero negro. Otras, las absurdamente gigantescas, pueden implosionar directamente hacia este mismo final.

El candidato claro más cercano para sufrir uno de estos procesos de manera inminente (si es que no ha ocurrido ya y el frente fotónico está en camino) es nuestra vieja amiga Betelgeuse, alfa de Orión. Betelgeuse es una supergigante roja a entre 500 y 640 años luz de distancia, con veinte veces la masa del sol: justo en el borde que le permitiría mantener un núcleo por encima del límite TOV y llegar a convertirse en un agujero negro. Presenta un fenómeno de contracción rápida (el 15% en 17 años, y acelerándose) compatible con el colapso nuclear que conduce a una supernova de tipo II. Pero no nos hagamos ilusiones aún: podría deberse a cualquier otra razón.

¿He dicho hacernos ilusiones? ¿Estoy loco o qué? ¿Una estrella de neutrones o un agujero negro ahí al lado en términos cósmicos y el Yuri se hace ilusiones?

Sí. :-D ¡Sería extraordinario! Lo peor que puede pasar es un brote de rayos gamma, que de todas formas no nos alcanzaría significativamente porque el eje rotacional de Betelgeuse no apunta hacia nosotros. Tendríamos una buena ducha de neutrinos y rayos cósmicos que quizá pudieran llegar a deteriorar algún satélite, un objeto en el cielo tan brillante como la Luna llena durante algún tiempo, y una nueva nebulosa durante una temporada más. Y un montón de respuestas sobre el origen y evolución del universo, junto a otras tantas preguntas nuevas y mejores más. Por lo demás, no te acuestes muy tarde que mañana se trabaja. No pensarás que te ibas a librar sólo porque haya estallado una supernova y se esté formando un posible agujero negro aquí al lado como quien dice, ¿no?

De las fuerzas elementales.

De hecho, ha ocurrido muchas veces. Lo del agujero negro no (¡lástima!), pero lo de las supernovas, sí. Hace 2.800.000 años, cuando nuestros antepasados australopitecos ya andaban por aquí, una detonó lo bastante cerca como para dejar el planeta perdido de hierro-60. En tiempos históricos han estallado muchas.

¿Y con el agujero negro qué hacemos? Mira: a pesar de su aura tenebrosa, un agujero negro es un objeto físico como cualquier otro en este universo. Del horizonte de eventos para fuera, las leyes habituales de la física no se ven afectadas: su comportamiento sigue siendo como el de cualquier otra estrella de similar masa. ¿Y qué es esto del horizonte de eventos?

Cuando un agujero negro se forma y estabiliza por cualquiera de las vías que hemos visto antes, el núcleo colapsado se comprime hasta alcanzar volumen cero y densidad infinita: la singularidad. Esto es difícil de visualizar con la percepción clásica y requiere de la Relatividad; pero es posible, ya lo creo que sí. Se ha hablado mucho de las extrañas anomalías espaciotemporales que un monstruo tan extraño produce o puede producir (en realidad, no lo sabremos verdaderamente hasta que no logremos la teoría de la gravedad cuántica), pero ninguna de ellas sale del horizonte de eventos. De hecho, nada de lo que ocurra dentro del horizonte de eventos puede alcanzar a un observador exterior, ni siquiera la luz: por eso es un agujero negro.

El horizonte de eventos (que a grandes rasgos coincide con el radio de Schwarzschild) es el punto a partir del cual la velocidad necesaria para escapar del agujero negro es superior a la velocidad de la luz; como nada que tenga masa o transporte información puede ir más rápido que la velocidad de la luz, nada en este universo puede escapar de un agujero negro más allá del horizonte de eventos. Sin embargo, más acá, no es más que un astro como otro cualquiera, con su masa original (la densidad es infinita en la singularidad, pero no la masa). Se puede orbitar y existir en general alrededor de un agujero negro. De hecho, es como si la estrella que lo formó siguiera estando allí, sólo que en una forma diferente.

¿Y hasta dónde llega este horizonte de eventos? En los agujeros negros estelares que conocemos, los mayores horizontes de eventos tienen... unos trescientos kilómetros de circunferencia, que vienen a ser cincuenta de radio.

¿Cómo? ¿Sólo cincuenta kilómetros?

Sí, sí, cincuenta kilómetros. Si hubiera un agujero negro como quince soles en el Ayuntamiento de Valencia, estarías fuera del horizonte de eventos llegando a Castellón. Si estuviera en la Puerta del Sol de Madrid, seguirías pudiendo escapar desde Toledo. Si se hubiese establecido en la Plaça de les Glòries Catalanes, te librarías situándote un poquito más allá de Vilanova i la Geltrú. Si nos lo encontráramos formándose en el estadio del Boca Juniors de Buenos Aires, nos situaríamos fuera del horizonte de eventos más o menos por General Rodríguez.

Incluso en el caso de agujeros negros supermasivos como los que se encuentran en el centro de las galaxias, con cientos y miles de millones de masas solares, la distancia de seguridad tras del horizonte de eventos no está mucho más lejos que la órbita de Plutón, y bastante más cerca que Sedna. Si te alejas unos cuantos sistemas solares, es prácticamente irrelevante.

Lo que sí deberías hacer para no caer hacia él, claro, es orbitar a su alrededor igual que orbitarías alrededor de cualquier otro astro de masa similar. Si el agujero negro se deriva (como toca) de una estrella con masa en similar orden de magnitud, entonces el resto del universo más allá de ese pequeñísimo horizonte de eventos, esencialmente, ni se inmuta.

Y entonces, ¿qué pasaría si un agujero negro entrara en el sistema solar?

Pues lo mismo que si se paseara por aquí cerca cualquier otro objeto de masa similar.

Como hemos visto, no hay nada en nuestro sistema solar ni en unos quinientos años-luz a la redonda que pueda convertirse en un agujero negro. La única posibilidad de enfrentarnos a uno de ellos es que se tratara de un agujero negro errante circulando por nuestro brazo galáctico (o, más bien, con nosotros circulando hacia él). La probabilidad de que tal cosa suceda es extremadamente baja, una montaña de ceros después de la coma y antes del uno, pero aún así supondremos que ocurriera, para dar respuesta a la preguntita de marras.

Con tal propósito vamos a utilizar una aplicación llamada PPNCGS (Parameterized Post Newtonian Collisionless Gravity Simulator), desarrollada por el amigo indonesio, otaku y matemático Fendy Sutandio (Orichalc) sobre este estudio de la NASA. Funciona notablemente bien, y nos permite simular con bastante exactitud la interacción gravitatoria entre astros (o cualquier otra masa).

Por simplicidad (y porque si quieres un paper detallado en vez de un post divulgativo, yo necesito dos meses y tú necesitas un talonario de cheques :-D ) cargaremos únicamente los datos del Sol y los nueve planetas tradicionales en una alineación convencional y sin tener en cuenta rarezas orbitales como las de Plutón. Resulta suficiente para una buena aproximación, y he hecho un par de pruebas que me sugieren la conjetura de que los resultados son muy parecidos aunque no incorporemos todos esos detalles.

Ponemos en marcha el simulador y, así, pronto obtenemos las órbitas esquemáticas convencionales de nuestro sistema solar (en la realidad, las de Marte y Mercurio serían un poquito más excéntricas, y la de Plutón notablemente más excéntrica, hasta cruzarse con la de Neptuno; además de inclinada 17º con respecto a la eclíptica). En una proyección a cien años, los planetas más lejanos no tienen tiempo de describir una órbita completa alrededor del Sol:

Muy bien: ya tenemos un modelo gravitacional simplificado de nuestro sistema. Ahora vamos a añadir un agujero negro estelar típico de diez masas solares, al que bautizaremos como Abaddón: el ángel exterminador. Haremos que apunte más o menos hacia la posición actual de la órbita de Saturno, desplazándose a sesenta kilómetros por segundo, procedente del sur celeste para cruzar la eclíptica en ángulo más o menos recto:

Ejecutamos el simulador y...

Oops. Parece que al sistema solar no le ha sentado muy bien. Pero no porque Abaddón haya "succionado" nada en particular, sino debido a la atracción gravitatoria de una masa tan inmensa. Lo mismo habría sucedido si se hubiese tratado de cualquier otro objeto con una masa parecida en vez de un agujero negro. Observamos que el Sol ha salido propulsado hacia el agujero negro, arrastrando a todos los planetas interiores (incluída la Tierra). La perspectiva (y el tamaño que le he puesto a Abaddón) engaña, pues parece que el Sol y los planetas interiores hayan caído directamente en él, con lo que habrían sido absorbidos. Pero en realidad, está pasando por "encima" y se cruzan a millones de kilómetros de distancia en el eje norte-sur:

 Por su parte, los planetas exteriores han resultado despedidos lejos del sistema solar originario; en el caso de Júpiter, después de hacer un extraño quiebro alrededor del Sol y cerca de la Tierra. Saturno se aleja a velocidades enormes. Plutón ha invertido su sentido de traslación.

No obstante, la estabilidad de las órbitas interiores es sorprendente. Veamos con más detalle cómo han quedado durante y después del paso de Abbadón:

Puede verse que las órbitas de Mercurio y Venus han quedado prácticamente incólumes. La de la Tierra es ahora más excéntrica, aproximándose mucho a Venus por uno de sus extremos; aparentemente, sigue dentro de la zona de habitabilidad, por lo que la vida en la Tierra podría proseguir. Incluso la vida humana.
Eso sí, no iba a ser divertido. Grandes mareas provocarían gigantescas inundaciones durante el paso de Abaddón y, en menor medida, de Júpiter; es muy probable que estas mareas afectaran al núcleo, manto y corteza terrestre, provocando intensos fenómenos de vulcanismo. Habría importantes tormentas de meteoritos y asteroides hasta que volvieran a estabilizarse. Los veranos pasarían a ser más calientes y los inviernos más fríos, con los subsiguientes cambios climatológicos, evolutivos y ecológicos. Seguramente, el tiempo sería mucho más severo que en la actualidad. Este resultaría un lugar más inhóspito, pero con bastante probabilidad nada que la vida terrestre no haya enfrentado anteriormente.

Más preocupante es la órbita de Marte, que como vemos ha quedado en trayectoria de colisión con Venus, la Tierra y, sobre todo, Mercurio. Cada año marciano conllevaría una posibilidad de impacto planetario, una especie de ruleta rusa cósmica. Y el problema con Júpiter es muy grave. Se ha quedado "flotando" después de la primera pasada, prácticamente desprovisto de velocidad orbital, por lo que durante los siguientes años caería en una órbita muy elíptica que le llevaría una y otra vez al interior del sistema solar, con un periodo de unos 37-50 años. Veamos lo que ocurre durante el siglo siguiente:

Además de las posibilidades de colisión, sólo podemos especular sobre los efectos de este "martilleo gravitacional" repetitivo sobre los planetas interiores, y los efectos que podría tener sobre la rotación solar (que de todas formas variaría significativamente). También deberíamos considerar los problemas causados por su intensa magnetosfera. Curiosamente, la ausencia de los demás planetas exteriores no tendría mucha importancia (a menos que hagamos caso a los astrólogos). Su influencia real sobre la Tierra y los que estamos en ella es prácticamente irrelevante en la actualidad (y lo ha sido a lo largo de toda la existencia humana), por lo que su desaparición no se notaría de manera significativa más que por la pérdida del escudo anti-cometas que suponen debido a su atracción gravitatoria.

Por supuesto, este no es más que uno de los escenarios potenciales. La gravedad es una fuerza muy débil, la más débil de todas por muchos órdenes de magnitud, y en cuanto su fuente se aleja un poco sus efectos se reducen mucho. Si en vez de apuntar hacia la órbita de Saturno, Abaddón apuntase hacia la de Plutón, sólo se notaría su efecto sensiblemente a partir de Saturno (proyección a cien años):

Puede observarse que las órbitas de Saturno y Urano se han vuelto excéntricas; y las de Neptuno y Plutón, además, elípticas hasta el punto de que el primero llega a aproximarse más al Sol que Júpiter, lo que apunta un riesgo bajo de colisión con este último. Por el contrario, las órbitas de los planetas interiores (Mercurio, Venus, Tierra, Marte) y de Júpiter han quedado intactas pese al tránsito del agujero negro. En este escenario, el principal inconveniente para nuestro planeta podría ser la desestabilización del cinturón de asteroides y las acumulaciones transneptunianas, con el consiguiente riesgo de impactos de meteoritos y cometas. Pero eso sería todo, y a eso hemos sobrevivido muchísimas veces.

Si, por el contrario, Abbadón se dirigiera hacia algún punto entre Marte y Júpiter, el sistema solar está perdido por completo (proyección a un año):

En este escenario extremo, la mayor parte de planetas salen despedidos del sistema solar a alta velocidad. Venus quiere hacerlo, pero se queda sin energía y cae hacia el Sol. Lo mismo le ocurre a la Tierra, congelándose primero en un breve viaje hasta más allá de la (antigua) órbita de Saturno. Llama poderosamente la atención la curiosa estabilidad de la órbita de Mercurio, que apenas se altera un poco con un agujero negro de diez masas solares a menos de ochocientos millones de kilómetros; Mercurio está verdaderamente blocado al Sol.

En todo caso, la probabilidad de que un agujero negro se acerque a nuestro sistema solar es extraordinariamente baja. En el mundo real, no hay tantos Abaddones y los más cercanos se hallan a miles de años-luz de distancia: miles de billones de kilómetros. Además, con los instrumentos actuales detectaríamos las anomalías gravitacionales y relativistas de un "errante" en aproximación cientos, seguramente miles de años antes de que llegara al sistema solar (qué hacer después con tal información es un problema distinto...). Lo cierto es que no ha sucedido desde que la Tierra está aquí (eso es un tercio de la edad del universo), y las probabilidades de que ocurra alguna vez son casi cero. Al menos, mientras aún estas cosas le importen a una especie llamada humanidad.