Respuesta simplista: ¡solo un poco más de masa!
Respuesta real:
Una estrella de neutrones es “materia degenerada de neutrones”. Un agujero negro es, supongo que lo llamarías “materia completamente degenerada”. (Sin duda, ese es un término que acabo de inventar, no uno con reconocimiento generalizado).
Una estrella de neutrones es una de las paradas finales en el camino hacia un agujero negro. Pero creo que se entiende mejor en el contexto de la formación estelar: es decir, cómo se forma una estrella a partir de una nube de hidrógeno.
Entonces, tienes una nube de hidrógeno, digamos en el universo primitivo. La nube comienza a colapsar gravitacionalmente, convirtiéndose en una nube ligeramente más densa. Luego un poco más denso. Etc.
Finalmente, la presión gravitacional en el centro de la nube es tan grande que la fusión nuclear es energéticamente favorable. Es decir, en estas condiciones de alta presión, en realidad requiere más energía para prevenir la fusión que para que la fusión ocurra espontáneamente. Genial, entonces la fusión comienza a suceder, y la nube de hidrógeno ahora es oficialmente una estrella: mucha de la energía de la fusión se irradia como luz estelar.
Esto detiene temporalmente el colapso gravitacional; finalmente, la estrella alcanza un estado de equilibrio en el que la presión gravitacional hacia adentro se equilibra con la radiación de energía hacia afuera .
Esto continúa por un tiempo. Típicamente miles de millones de años. Pero eventualmente, obtienes un montón de helio en el centro de tu estrella. El helio, después de todo, es el subproducto de la fusión de hidrógeno. Además, la fusión de helio tiene una situación energética ligeramente diferente a la fusión de hidrógeno, por lo que no comenzará a fusionarse espontáneamente (todavía) como lo hizo el hidrógeno.
A medida que se acumula más y más helio, finalmente sucede lo mismo: la producción de energía de fusión de hidrógeno comienza a disminuir, lo que ya no equilibra la presión gravitacional que siente el helio en el centro. Esto aumenta más y más hasta que el helio ahora comienza a fusionarse. Entonces obtienes una nueva condición de equilibrio.
Más y más subproductos comienzan a acumularse. Obtienes algo de boro, obtienes algo de carbono, obtienes un montón de elementos cada vez más pesados, hasta que llegas al hierro. El problema con el hierro es que nunca es energéticamente favorable sufrir una fusión espontánea. El hierro es la “última parada” en la evolución estelar, al menos si quieres permanecer en la tabla periódica.
Pero si su nube original de hidrógeno era lo suficientemente grande, entonces la historia continúa. Ahora su estrella se parece a una cebolla, con una capa de hidrógeno en el exterior, luego una capa de helio, etc., hasta un núcleo de hierro. El núcleo de hierro no se está fusionando y, por lo tanto, no está contribuyendo a ninguna radiación externa de energía. Entonces la presión sigue aumentando y aumentando.
Es decir, hasta que ocurra un fenómeno violento llamado “captura de electrones”. En términos generales, la presión se vuelve tan grande que los electrones en el hierro son literalmente empujados hacia el núcleo, donde reaccionan con los protones para producir neutrones y neutrinos.
Casi al instante, todo el núcleo de hierro desaparece, y te queda esta bola ultradensa de neutrones y una oleada masiva de neutrinos. Los neutrinos son fáciles de irradiar … no interactúan electromagnéticamente, por lo que básicamente vuelan directamente a través de las capas externas de la estrella. Y se llevan una tonelada de energía con ellos.
(Es una digresión, pero el resto de la estrella ahora cae libremente sobre esta densa bola de neutrones, y literalmente rebota. Esta es la explosión que vemos como una supernova).
Pero olvídate de la “eyección”: centrémonos en la bola de neutrones. Que, como probablemente puedas adivinar, debería llamarse una estrella de neutrones.
Si no hay demasiados neutrones, entonces es una configuración estable. En lugar de la fusión nuclear para equilibrar la compresión gravitacional, hay una fuerza llamada “degeneración de neutrones”. Es una fuerza que surge de la mecánica cuántica que evita que los neutrones ocupen estados cuánticos idénticos.
Es hora de hacer una pausa para un anuncio: todo lo que dije hasta ahora tiene evidencia observacional. No es solo garabatear en una pizarra. Pero de aquí en adelante, es especulativo.
Entonces, observe un tema: a medida que aumenta la presión gravitacional, los componentes de la estrella se reorganizan. Comenzamos con hidrógeno, que se reorganizó en helio y otras especies atómicas. Luego, la presión se hizo demasiado grande y las especies atómicas se reorganizaron en componentes más pequeños: neutrones, en este caso. Todo el tiempo, la energía se está eliminando del sistema, ya sea por radiación debido a la fusión, a una explosión de neutrinos, o incluso a la eyección que comprende la supernova.
Bueno, los neutrones también tienen componentes: quarks. No se ha observado (que yo sepa), pero en teoría podría ocurrir la misma transición entre las estrellas de neutrones y las “estrellas de quark”. Y la lista continúa … si los quarks tienen subcomponentes, entonces quizás obtengas otra reorganización, etc. (Para estar seguros, los quarks no tienen subcomponentes en el modelo estándar).
Pero eventualmente, podría obtener suficiente presión que supere toda esta “presión de degeneración”. En otras palabras, podría quedarse sin subcomponentes de materia cada vez más pequeños y energéticamente favorables.
Ese es el territorio del agujero negro.
Entonces, ¿qué es un agujero negro? En otras palabras, si una estrella de neutrones son neutrones y una estrella de quark son quarks, entonces un agujero negro es … ¿qué? En cierto sentido, todo lo que puedes decir es que es “materia”.
Más específicamente, hay un teorema en física llamado “teorema sin cabello”, que dice que un agujero negro puede tener tres y solo tres propiedades medibles: masa, momento angular y carga eléctrica. En otras palabras, los agujeros negros no tienen “pelo”, no hay forma de distinguirse de otros agujeros negros igualmente cargados, igualmente giratorios e igualmente masivos.
Pero todo esto debería venir con una gran nota al pie. En algún lugar entre la formación de estrellas de neutrones y la formación de agujeros negros hay una brecha gigante en nuestra comprensión del universo. Este es el reino de la “gravedad cuántica”. Puede haber algún hecho de gravedad cuántica que desconocemos actualmente que cambie esta historia. Por ejemplo, puede haber una interacción de muy pequeña escala y muy alta masa que proporciona un poco más de presión de degeneración de lo que pensábamos anteriormente, y permite que los agujeros negros aún estén hechos de … cosas. Simplemente no lo sabemos.
