Los agujeros negros se fusionan. Lo sabemos desde hace una década, cuando los detectores de ondas gravitacionales captaron por primera vez el choque de dos de ellos. El proceso contrario, que uno grande se divida en dos más pequeños, se ha considerado casi siempre imposible. Un estudio publicado el 22 de octubre en Physical Review D revisa esa idea y concluye que la física no lo prohíbe del todo, aunque deja muy poco margen.

El trabajo se titula «When black holes admit pair-of-pants topologies». Lo firman Giacomo Cacciapaglia, del laboratorio LPTHE (CNRS y Sorbona, París), Manuel Del Piano y Vania Vellucci, del centro ℏQTC de la Universidad del Sur de Dinamarca, y Francesco Sannino, de la Universidad Federico II de Nápoles y director de ese mismo centro danés. Es un trabajo teórico: nadie ha visto partirse un agujero negro.

El problema de fondo: la entropía

La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía de un sistema aislado no disminuye. Dicho de forma sencilla, la entropía mide cuántas configuraciones microscópicas distintas tiene un sistema que, visto desde fuera, parece siempre el mismo. En los objetos cotidianos es más o menos proporcional a la cantidad de materia. Si rompes una hoja de papel por la mitad, las dos mitades juntas tienen la misma entropía que la hoja entera, y no pasa nada raro.

Con los agujeros negros la cuenta cambia. Su entropía es proporcional al área del horizonte de sucesos, la frontera a partir de la cual nada escapa. Esa área no crece en proporción a la masa sino con su cuadrado. Por eso un agujero negro sin rotación tiene más entropía que dos agujeros con la mitad de su masa cada uno. Si se partiera, la entropía total bajaría, y eso choca con la segunda ley. Según los autores, en la relatividad general de Einstein esa división está desfavorecida por la termodinámica.

La rendija: girar muy deprisa

Hay una excepción posible, y tiene que ver con el giro. Un agujero negro que rota tiene un horizonte más pequeño que otro de la misma masa que no rota. Cuanto más rápido gira, menos área y menos entropía para su masa. En ese caso el balance de la división ya no está decidido de antemano: según los cálculos del equipo, la rotación rápida abre «un posible resquicio».

Sin embargo, que la entropía no baje no basta. Los autores comparan cómo es el sistema antes y después de la hipotética división y le exigen dos condiciones a la vez:

• Termodinámica: la entropía total no puede disminuir.
• Cinemática: los dos fragmentos tienen que poder alejarse el uno del otro en lugar de caer de nuevo juntos y fusionarse al instante.

Con la segunda condición, el margen casi desaparece. Sannino lo resume así en la nota de prensa: la ventana «se cierra en gran medida, salvo quizá para agujeros negros que rotan cerca de su máxima velocidad posible». Los textos divulgativos no dan una cifra exacta de giro ni una proporción concreta entre las masas resultantes.

Unos pantalones en el espacio-tiempo

El curioso título del artículo se explica con una imagen. Si se dibuja el horizonte a lo largo del tiempo, un agujero negro que se divide tendría forma de pantalón: la cintura es el agujero original y las dos perneras son los dos que salen de él. Los matemáticos llaman a esa forma topología de «pantalones».

El equipo también ha estudiado escenarios más allá de Einstein: espacio-tiempos con dimensiones extra, teorías de la gravedad modificadas y agujeros negros con el horizonte deformado al interactuar con un superfluido de partículas subatómicas. En algunos de esos casos la división sale más favorable, sobre todo cuando uno de los fragmentos es mucho más pequeño que el otro. Aun así, los autores insisten en que la termodinámica solo dice si algo está permitido, no si llega a ocurrir.

«Esperamos que los agujeros negros primordiales pequeños sean más propensos a dividirse que los astrofísicos, mucho más grandes» (Francesco Sannino).

Los agujeros negros primordiales son hipotéticos: se habrían formado en los primeros instantes del universo, no por el colapso de estrellas. Sannino reconoce que todavía no pueden dar una probabilidad concreta de división, porque depende de cómo se comporta la gravedad más allá de la teoría de Einstein.

¿Se podría ver algo?

Directamente, no. Pero los investigadores proponen una pista indirecta. Si durante una fusión se desprendieran fragmentos diminutos, se evaporarían por radiación de Hawking y emitirían rayos gamma. Telescopios espaciales como Fermi-LAT podrían buscar esas señales. De momento es una propuesta, no una detección.

Por qué importa

Este estudio no anuncia que los agujeros negros se partan. Delimita con cuidado cuándo las leyes conocidas lo prohíben y cuándo dejan un hueco. Ese ejercicio sirve para poner a prueba teorías de la gravedad que van más allá de Einstein, para entender mejor los agujeros negros primordiales (uno de los candidatos que se barajan para la materia oscura) y para saber qué buscar en los datos de las fusiones. A veces la física avanza así: comprobando qué parte de algo «imposible» lo es de verdad.