Los agujeros negros no giran solos en el espacio. Cuando un agujero negro rota, y la mayoría lo hace, arrastra el espacio-tiempo a su alrededor como si fuera miel que gira dentro de un frasco. Esa distorsión crea una región que no existe alrededor de los agujeros negros estáticos: la ergoesfera. Y dentro de la ergoesfera ocurre algo que no tiene equivalente en la física cotidiana: es posible tener energía negativa.
La idea de que la rotación de un agujero negro podría ser explotada como fuente de energía fue propuesta en 1969 por Roger Penrose, el mismo físico que cincuenta años después ganaría el Nobel de Física por demostrar que la formación de agujeros negros es una consecuencia inevitable de la Relatividad General. El mecanismo que Penrose propuso para extraer esa energía es tan contraintuitivo que tardó más de medio siglo en ser demostrado experimentalmente. Y cuando finalmente lo fue, no se hizo con agujeros negros reales, sino con altavoces.
Qué es la ergoesfera: la región donde el espacio-tiempo no puede estar quieto
Para entender la ergoesfera hay que partir de la solución de Kerr de las ecuaciones de Einstein, que describe cómo curva el espacio-tiempo un objeto masivo en rotación. A diferencia de la solución de Schwarzschild para un agujero negro estático, la de Kerr tiene un ingrediente adicional: el arrastre de marcos de referencia, conocido como «frame dragging». El espacio-tiempo alrededor de un agujero negro en rotación no solo está curvado sino que gira con él, y ese giro se hace más intenso cuanto más cerca se está del objeto.
La ergoesfera es la región donde ese arrastre es tan extremo que ningún objeto puede permanecer en reposo respecto a un observador lejano, por mucha potencia que tenga su motor. Dentro de la ergoesfera, el espacio-tiempo gira más rápido que la velocidad de la luz medida localmente, y cualquier objeto que entre en ella se ve obligado a rotar en la misma dirección que el agujero negro, quiera o no.
Es importante distinguirla del horizonte de eventos, el límite de no retorno. La ergoesfera está fuera del horizonte de eventos: se puede entrar y salir de ella. Esa posibilidad de salida es exactamente lo que hace posible el efecto Penrose. Si no se pudiera salir, robar energía al agujero negro sería imposible.
El efecto Penrose: cómo salir de la ergoesfera con más energía de la que se entró
El mecanismo que Penrose propuso es el siguiente. Un objeto entra en la ergoesfera. Dentro, se divide en dos fragmentos. Uno de los fragmentos cae hacia el horizonte de eventos con energía negativa respecto a un observador externo, algo que solo es posible dentro de la ergoesfera. El otro fragmento escapa fuera de la ergoesfera con una energía total mayor que la que tenía el objeto original.
La conservación de la energía no se viola: la energía extra que gana el fragmento que escapa proviene de la energía rotacional del propio agujero negro. Al absorber el fragmento con energía negativa, el agujero negro pierde un poco de su momento angular y gira un poco más despacio. El balance es perfecto: el agujero negro cede parte de su rotación, y ese trabajo lo recibe el fragmento que escapa.
La eficiencia teórica máxima del proceso es de aproximadamente el 20,7% para un agujero negro de Kerr con rotación máxima, lo que significa que en principio se podría extraer hasta el 20,7% de la masa-energía total del agujero negro en forma de energía cinética útil. Para comparar, la fusión nuclear extrae menos del 1% de la masa-energía del combustible. Penrose no propuso que esto fuera tecnológicamente factible, pero sí que era físicamente real.
La confirmación con altavoces: Glasgow, 2020
En 2020, un equipo de la Universidad de Glasgow liderado por la física Marion Cromb y el físico Daniel Faccio publicó en Nature Physics la primera demostración experimental de un análogo del efecto Penrose. No usaron un agujero negro real, sino el hecho de que las ondas de sonido en un fluido en rotación se comportan matemáticamente de forma análoga a las ondas en el espacio-tiempo curvo de Kerr.
El experimento consistía en un disco de espuma acústica que giraba a alta velocidad. Los investigadores dirigieron hacia él ondas de sonido «retorcidas», con una estructura helicoidal similar a la que Yakov Zel’dovich había propuesto en 1971 como versión práctica del efecto Penrose. La señal de confirmación era clara: si el efecto existía, las ondas de sonido deberían salir del disco con más energía de la que tenían al entrar.
Lo que observaron fue exactamente eso: las ondas de sonido retorcidas cambiaban su frecuencia al interactuar con el disco en rotación. Cuando la velocidad de rotación superaba un umbral, la frecuencia pasaba de positiva a negativa, y al hacerlo las ondas emergían amplificadas, con más energía de la que habían entrado. «Estamos encantados de haber podido verificar experimentalmente una física extremadamente extraña medio siglo después de que la teoría fuera propuesta por primera vez», declaró Faccio. Era la primera verificación experimental del principio subyacente al efecto Penrose.
Lo que ya podría estar ocurriendo: los jets relativistas de los agujeros negros supermasivos
El efecto Penrose nunca será tecnológicamente útil para los humanos: extraer energía de un agujero negro real requeriría acercarse a distancias donde las fuerzas de marea destruirían cualquier estructura concebible. Pero eso no significa que el proceso no ocurra en la naturaleza. Al contrario: los astrofísicos consideran que variantes del efecto Penrose podrían estar detrás de algunos de los fenómenos más energéticos del universo observable.
Los jets relativistas, chorros de plasma que algunos agujeros negros supermasivos lanzan perpendiculares a sus discos de acreción a velocidades cercanas a la de la luz y con luminosidades que pueden superar a galaxias enteras, son uno de los enigmas más persistentes de la astrofísica. El mecanismo de Blandford-Znajek, una variante magnética del efecto Penrose propuesta en 1977, es actualmente el modelo más aceptado para explicar cómo esos jets extraen la energía rotacional del agujero negro y la convierten en el empuje que acelera el plasma.
Las simulaciones magnetohidrodinámicas de alta resolución del entorno de agujeros negros como M87*, cuya fotografía captó el Event Horizon Telescope en 2019, confirman que la región de la ergoesfera juega un papel central en la generación de esos jets. El espacio-tiempo que Penrose describió matemáticamente en 1969, que se confirmó con ondas de sonido en un laboratorio de Glasgow en 2020, podría ser la fuente de energía de los fenómenos más brillantes y violentos del cosmos.
