BH*: la extraña mezcla entre estrella y agujero negro con la que amaneció el universo

¿Qué es una estrella? Para el diccionario de la RAE es “un cuerpo celeste que brilla en la noche, excepto la Luna”. Eso nos llevaría a decir que planetas como Venus o Marte, asteroides como Vesta y cometas como 3I/ATLAS son estrellas. Como astrofísico, no me convence, aunque es una buena definición para entender la etimología de planeta, palabra que se creó para hablar de “estrellas errantes”, porque a simple vista son muy parecidos a las estrellas; pero se mueven por el cielo, a diferencia de estas.

Para la Wikipedia, una estrella es un “esferoide de plasma sostenido por gravedad”. Esta definición es más cercana a lo que usamos los astrofísicos, incluso a la que tiene cualquier persona en la cabeza. La definición ya encierra muchos más detalles, de manera implícita. En primer lugar, un plasma es un gas incandescente, a una temperatura suficientemente alta para que esté ionizado. E incandescente significa que “despide luz roja o blanca”. En segundo lugar, eso de “sostenido por gravedad” esconde muchísimos más conceptos. Quiere decir que ha alcanzado un equilibrio, el cual no tiene que ser eterno —las estrellas también mueren—, y en el que está involucrada la gravedad.

Pero también está involucrada otra cosa que no explicita esa definición enciclopédica: la propia naturaleza del plasma. Un plasma, como cualquier gas, tiene una presión, que tiende a expandir el volumen ocupado hacia zonas de menor presión. Este fenómeno físico explica el viento en nuestra atmósfera, entre otras muchas cosas. En una estrella, la presión expansiva del gas se contrarresta con la contracción que impone la gravedad. Y si se alcanza un equilibrio, tenemos una estrella.

Como ven, ni la RAE ni Wikipedia hablan de algo que les vendrá a la mente si les interesa esto de la astrofísica: la fusión nuclear. Este es un punto muy importante, porque si la gravedad queda contrarrestada por la presión del plasma, es esencial para mantener el equilibrio durante largos periodos de tiempo que no cambie la presión y, por tanto, la temperatura. Pero todo plasma, todo lo que está a una determinada temperatura, emite luz y pierde energía en el proceso. Así que el plasma se debería enfriar y el equilibrio se rompería. Como las estrellas, el Sol entre ellas, emiten de manera constante —el Sol solo cambia su brillo en un 0,1%—, quiere decir que existe un mecanismo que calienta el gas y le da la energía necesaria para que no se enfríe, para que su presión siga equilibrada con la gravedad, asumiendo que la gravedad no cambia porque la masa de la estrella tampoco cambia; algo que no es verdad en general, pero esa es otra historia.

La fuente de energía que mantiene el Sol en equilibrio es la fusión nuclear. No siempre supimos de este fenómeno, por supuesto. Hace solo 200 años, la teoría más aceptada por los físicos más importantes, como Hermann von Helmholtz, era que el Sol se estaba contrayendo; y, es curioso, todo gas que se contrae por efecto de su gravedad pierde energía, que se puede usar para calentarlo. Es un concepto no muy intuitivo, pero muy importante para planetas como Júpiter o Neptuno, que emiten una energía mayor que la que les llega del Sol, algo que no pasa con la Tierra. Pero la teoría no funcionaba muy bien, porque no vemos que el Sol cambie de tamaño. Además, esta forma de ganar energía implicaba que el Sol solo podía tener una edad de 20 millones de años, algo que está muy lejos de la edad de muchas rocas en la Tierra.

Hace 100 años, otro físico famoso, Ernest Rutherford, propuso que el plasma del Sol se calentaba por decaimiento radiactivo de algunos elementos en su interior. Este fenómeno también se desechó, aunque es, de nuevo, tremendamente importante: es lo que explica la estructura de la Tierra con un manto y núcleos calientes, lo que tiene consecuencias muy relevantes para nosotros, como la existencia de la tectónica de placas.

Poco menos que hace 100 años, entre Albert Einstein y Arthur Eddington, otros monstruos de la física, concluyeron que en el interior del Sol hay temperaturas y presiones suficientemente altas para que átomos de hidrógeno se fusionen para dar un átomo de helio. Este es un proceso en el que se libera energía, la equivalente a la diferencia de masa entre la suma de las masas de los hidrógenos y el helio, que es algo menor que esa suma. Solo hace poco más de 50 años, la fusión nuclear se confirmó como la fuente de energía que mantiene las estrellas en equilibrio, junto con la gravedad, y es la responsable de sintetizar gran parte de, que no todos, los elementos que nos rodean, especialmente algunos tan relevantes como el oxígeno, el carbono o el nitrógeno.

Volvemos entonces a nuestra pregunta original: ¿qué es una estrella? Podemos preguntarnos si la fusión es necesaria para que un cuerpo celeste se denomine estrella. Si no lo consideramos necesario, entonces podemos llamar a ciertos astros estrellas de neutrones, o considerar como estrellas las enanas blancas, que son “cuerpos celestes que brillan en la noche“ y también “esferoides de plasma sostenidos por gravedad”. En ambos casos, la gravedad no está contrarrestada por una presión de gas mantenida por la fusión nuclear, sino por otros fenómenos —muy curiosos, diría yo, ¡y cuánticos!— menos clásicos que la presión de un gas, pero en los que no me quiero parar hoy.

Si consideramos que en una estrella no tiene por qué haber fusión para llamarla tal, hay otro objeto cuya existencia fue planteada como una hipótesis hace dos décadas, y que quizás acabamos de descubrir con el telescopio espacial James Webb. Estos objetos serían parecidos a nuestro Sol, en el sentido de que serían una gran bola de gas ionizado formando una envoltura alrededor de un núcleo radiante donde se crea energía. Pero en vez de fusión, lo que tendrían estos objetos en su núcleo sería un agujero negro. El agujero negro, gracias a su gravedad extrema, podría hacer calentar el gas más cercano hasta alcanzar millones de grados, suficiente como para que existiera también una atmósfera más externa con temperaturas parecidas a lo que vemos en estrellas como nuestro Sol, de unos 5.500 grados. Es lo que se conoce como una estrella de agujero negro —black hole star, en inglés, BH* como acrónimo—, o una cuasiestrella. Este último nombre no tiene nada que ver con un cuásar, que proviene de otro objeto casi estelar: los astrofísicos muchas veces nos hacemos unos líos tremendos con los nombres. El telescopio espacial James Webb puede que haya descubierto este tipo de objetos entre los llamados puntitos rojos (del inglés little red dots), algunos de ellos tienen todas las características esperables de los BH*. Pero estamos comprobando las alternativas, e intentando aprender cómo se forman estos objetos, porque el proceso debería ser parecido al de las supernovas, ¡pero sin explosión! Y quizás estas BH* son esenciales para el inicio de la formación de las galaxias en la infancia del universo.

Pablo G. Pérez González es investigador del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo.

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