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| Agujeros Negros |
El cuerpo está
rodeado por una frontera esférica, llamada "horizonte de sucesos", a
través de la cual la luz puede entrar, pero no puede salir, por lo que parece
ser completamente negro. Se llama Horizonte de sucesos ya que el único suceso que
puede ocurrir una vez pasada la frontera es el de seguir cayendo en el agujero,
ya que no hay velocidad posible suficientemente grande como para escapar de la
atracción gravitatoria, ni siquiera a la velocidad de la luz se puede escapar (Aproximadamente
300.000 kilómetros por segundo).
Un campo de estas
características puede corresponder a un cuerpo de alta densidad con una masa
relativamente pequeña, como la del sol o inferior, que está condensada en un
volumen mucho menor, o a un cuerpo de baja densidad con una masa muy grande,
como una colección de millones de estrellas en el centro de una galaxia.
Este termino fue utilizado por primera vez por una periodista, Ann Ewing, en 1964 al
realizar un informe de una reunión de la Asociación Americana de Ciencia
Avanzada (American Association for the Advancement of Science) y escribir un
artículo en Science News Letter titulado “Black Holes in
Space”. Unos días más tarde, Albert Rosenfeld publica en la revista LIFE que
el colapso gravitacional de una estrella puede terminar en un agujero negro
invisible en el Universo. Sin embargo, es el físico teórico
estadounidense, John Archibald Wheeler, el que populariza el término en
una conferencia impartida en 1967 en la Universidad de Columbia, fija el
término de “black hole - agujero negro” al referirse a lo que se venía
denominando estrella en colapso gravitatorio continuo.
Más allá del
nombre, el concepto aparece mucho antes. El filósofo inglés John Michell, en 1783, casi 100
años después de que Newton escribiera su ley de la gravitación universal, en un
informe a la Royal Society de Londres, menciona la idea de que un cuerpo masivo
no dejaría escapar la luz. Unos años más tarde, en 1796, el matemático
Pierre-Simon Laplace predijo su existencia en el libro Exposition du
système du Monde, donde habla de estrellas negras(dark
stars).
A finales de 1915, Karl Schwarzschild encontró una
solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la
luz. Logró delimitar la distorsión que la masa de una estrella producía en el
tejido espacio-tiempo. Albert Einstein había desarrollado en 1915 la teoría de la
relatividad general donde demostraba que la luz era influida por la
interacción gravitatoria.
Schwarzschild
demostró que cuando uno se acerca a una estrella, el tiempo se hace más lento
por la acción de la fuerza gravitacional de la misma, incluso cuando se ha atravesado
y se ha llegado al centro de la misma. Las ondas emitidas en la proximidad de
la estrella tendrían periodos más largos (o lo que es lo mismo frecuencias más
cortas), luego la luz de la estrella la veríamos desplazándose al rojo, ya que
es la frecuencia más corta. Llevando la situación a un extremo, donde hubiera
una densidad crítica, el tiempo acabaría por detenerse y la luz dispararía su
frecuencia hacia el rojo para terminar anulando el espectro dejando de emitir
luz visible. Al límite donde esto ocurre se le conoce como radio de
Schwarzschild y hoy se sabe que se corresponde con el radio del horizonte de
sucesos de un agujero negro que no gira, lo cual no se entendió bien en
aquellos tiempos. Schwarzschild y Einstein pensaron que no era más que una
ilusión matemática sin sentido real, no física.
Hay que hacer una mención especial para Karl Schwarzschild, ya que sus
teorías las escribió estando en las trincheras del frente ruso al que le llevo
su fervor patriótico en la Gran Guerra (1ª Guerra Mundial).
Subrahmanyan Chandrasekhar, en 1930 demostró que un cuerpo
con una masa crítica, (ahora conocida como límite de Chandrasekhar) y que no
emitiese radiación, colapsaría por su propia gravedad porque no habría nada que
se conociera que pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de atracción
gravitatoria sería mayor que la proporcionada por el principio de
exclusión de Pauli, que básicamente viene a decir que en un átomo los electrones tienen
que disponerse en capas en torno al núcleo, de ahí que los átomos con más
electrones tengan más volumen). La fuerza gravitacional vence a las fuerzas
nucleares. Sin embargo, la mayoría de los científicos se opusieron a la idea de
que la estrella alcanzaría un tamaño nulo, lo que implicaría una singularidad
desnuda de materia, y que debería haber algo que inevitablemente pusiera freno
al colapso.
En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una
estrella masiva podría sufrir un colapso gravitatorio y, por tanto, los
agujeros negros podrían ser formados en la naturaleza.
Roy Kerr encuentra en 1963 las soluciones a las ecuaciones que plasman
agujeros negros rotatorios.
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| Stephen Hawking |
En 2014 Hawking en un borrador de artículo científico establece que no
se puede hablar de horizonte de sucesos si no de horizontes aparentes, donde la
información que puede salir de un agujero negro sería caótica pero recuperable,
lo que cambiaría la forma en que conocemos los agujeros negros.
Teoría de los agujeros negros
Los agujeros negros son una predicción teórica de la Relatividad General
de Einstein. La teoría de
la relatividad especial de Einstein había explicado muy bien, entre otras
cosas, que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz y que esta
era la misma para todos los observadores, algo que demostraron con su
experimento Michelson y Morley; pero sin embargo era inconsistente con la teoría de la
gravitación de Newton, que dice que los objetos con masa se
atraen mutuamente con una fuerza que es dependiente de la distancia entre
ellos. Esto significaba que si se movía un objeto inmediatamente la fuerza
sobre el otro cambiaría instantáneamente. Esto nos llevaba a la paradoja de que
los efectos gravitatorios deberían de viajar a una velocidad infinita en vez de
a la velocidad como máximo de la luz, dado que no hay nada más veloz que ella.
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| Agujeros Negros |
Por ejemplo la masa del Sol curva el espacio – tiempo de tal forma que
la Tierra que siguen una línea recta en el espacio cuatridimensional, en el
espacio tridimensional sigue una órbita circular. Las orbitas de los planetas
predichas por la teoría de la relatividad general son muy parecidas a las órbitas predichas por la teoría de la gravedad de Newton.
La luz debería de verse afectada por los campos gravitatorios.
Esto querría decir que la luz de una estrella que pase cerca de un objeto con
masa será desviada un pequeño ángulo, si esto lo observáramos desde la Tierra veríamos
que la estrella no está en la posición en la que de hecho está. En la foto de
la derecha se puede ver el efecto que produce el cúmulo masivo Abel 1689 en la
luz de las galaxias más lejanas aparece curvada por el efecto del campo
gravitatorio del cúmulo. A esto se le denomina lente gravitatoria y fueron
predichas por Einstein. En el caso de un agujero negro la deformación del
espacio – tiempo es tal que ni siquiera la luz que caiga en el mismo podría
escapar.
Otra predicción de la teoría de la relatividad general es que el
tiempo debe transcurrir más lentamente cerca de un cuerpo de gran masa y esto
se debe a que la energía de la luz está relacionada con la frecuencia, el
número de ondas de luz por segundo. Esto viene a decir que una persona que estuviera
en un cuerpo masivo en su superficie, y otra que estuviera alejada,
envejecerían de forma distinta, para el que está en la superficie el tiempo
pasaría más lentamente por lo que envejecería menos. En el caso de un
agujero negro, donde la masa es crítica, el tiempo se detendría. Stephen
Hawking y Roger Penrose demostraron que de acuerdo a la relatividad general en
un agujero negro debe de haber una singularidad de densidad y curvatura del
espacio - tiempo infinitas.
¿Cómo se forman los agujeros negros?
La gravedad es atractiva y tiende a contraer a la estrella, mientras la
estrella brilla por las reacciones nucleares en su interior. Estas reacciones
calientan la estrella lo cual aumenta la presión hidrostática en todas
las direcciones, que compensa la atracción gravitatoria. Si pensáramos en un
globo, las reacciones nucleares serian el gas que lo infla y la superficie del
globo sería la fuerza gravitatoria que impide que se infle.
Las reacciones nucleares producen elementos más y más pesados. La
estrella al consumir el combustible nuclear que la forma, sobre todo hidrógeno,
va transformando este hidrógeno en elementos más pesados, primero helio que a
su vez se transforma en carbono, y este en oxígeno y así sucesivamente
hasta formar hierro. No obstante, el hierro es estable y la fusión con otro
elemento no libera energía.
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| Formación de los Agujeros Negros |
Si la masa de
la estrella no es muy grande, todavía hay una fuerza, la que deriva del
principio de exclusión de Pauli quefuerza a los electrones a disponerse en
capas, que puede parar el proceso si es mayor que la fuerza gravitatoria
formándose una estrella enana blanca, como Sirius B una
enana blanca que acompaña a la estrella más brillante del firmamento, Sirius A,
vista desde la Tierra y que de acuerdo a los datos tomados desde el telescopio
Hubble tiene el mismo diámetro (12.000 km) que la Tierra pero con la masa del
Sol, con una fuerza gravitacional 350.000 veces mayor que la de la Tierra. Una
persona de 68 kg en la Tierra pesaría 25 millones de kg en la superficie de la
estrella.
Si la masa de la estrella es superior a 1.44 Mʘ (masas solares), el
límite de Chandrasekhar, la fuerza de degeneración de los electrones no es
suficiente y los electrones y protones se unen para dar lugar a neutrones,
formándose una estrella de neutrones. En este proceso la estrella explota en
forma de supernova quedando un remanente compuesto principalmente por neutrones
y otras partículas, las bariónicas. Por el mismo
principio de Pauli, el colapso puede pararse dado que los neutrones son partículas
fermiónicas, que al igual que los electrones no pueden ocupar el
mismo espacio y estado cuántico simultáneamente. A esto se suma la fuerza de
interacción nuclear fuerte debida a las partículas bariónicas. Una vez,
entonces, la fuerzas nucleares son mayores que la fuerza gravitacional y el
colapso se para.
Una estrella de neutrones tiene densidades totales de 3,7×1017 a
5,9×1017 kg/m3 (de 2,6×1014 a 4,1×1014 veces la densidad del Sol), con
diámetros de pocos km y masa entre 1,4 y 2,1 la del Sol. Esta densidad equivale
aproximadamente a la masa de un Boeing 747 comprimido en el tamaño de un
pequeño grano de arena.
Un ejemplo es el Púlsar del Cangrejo descubierto en 1969, en la Nebulosa
del cangrejo, visto en la imagen por el telescopio Hubble y el telescopio de
rayos X Chandra. Un púlsar es una estrella de neutrones que gira a gran
velocidad, en este caso tiene diámetro de 25 km y gira 30 veces por segundo.
Si la estrella es una supergigante con más de nueve masas solares, el
colapso gravitatorio dará lugar a un agujero negro, ya que no habrá fuerza
alguna que venza a la fuerza gravitacional.
Se cree que en el centro de las galaxias existen agujeros negros, como
el de la Vía Láctea al que se ha denominado Sagitario A* (Sgr A*), situado a
27.000 años luz de la Tierra. Más bien cerca en términos de distancias en el
Universo. Se cree que tiene una masa de más de 3,7 millones de masas solares y
ocupa algo más de 45 UA (unidades astronómicas- 1 UA la distancia media de la
Tierra al Sol, 150 millones de km). En la foto se la situación, se ve su
entorno y no el agujero negro.
¿Qué tipos de agujeros negros existen?
Werner Israel, demostró que un agujero negro sin rotación descrito por
las ecuaciones de la relatividad general, debería ser muy sencillo de describir,
ser esférico y depender solo de su masa. Las soluciones particulares de las
ecuaciones de Einstein para estos agujeros negros fueron descubiertas por
Schwarzschild. A los agujeros que cumplen que no rotan y no tienen carga se les
denomina agujeros negros de Schwarzschild.
Roy Kerr encontró un conjunto de soluciones a las ecuaciones de la
relatividad general que describían agujeros negros en rotación. A estos
agujeros se les denomina agujeros negros de Kerr.
A nivel general se puede afirmar que cualquier objeto que sufra un
colapso gravitatorio alcanza un estado estacionario como agujero negro descrito
sólo por tres parámetros: su masa, su carga y su momento angular. Así se
tiene la siguiente clasificación para el estado final de un agujero negro y que
incluye a los dos tipos descritos anteriormente:
- El agujero negro más sencillo posible es el agujero negro de Schwarzschild, que no rota ni tiene carga.
- Si no gira pero posee carga eléctrica, se tiene el llamado agujero negro de Reissner-Nordstrøm.
- Un agujero negro en rotación y sin carga es un agujero negro de Kerr.
- Si además posee carga, hablamos de un agujero negro de Kerr-Newman.
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| Agujeros Negros - Rayos de luz. |
Por el tipo de masa se pueden clasificar en:
Agujeros negros supermasivos: con masas de varios millones de masas
solares. Se hallarían en el corazón de muchas galaxias.
Agujeros negros de masa estelar. Se forman cuando una estrella de masa
2,5 veces mayor que la del Sol se convierte en supernova e implosiona. Su
núcleo se concentra en un volumen muy pequeño que cada vez se va reduciendo
más. Este es el tipo de agujeros negros postulados por primera vez dentro de la
teoría de la relatividad general.
Micro agujeros negros. Son objetos hipotéticos, algo más pequeños que
los estelares. Si son suficientemente pequeños, pueden llegar a evaporarse en
un período relativamente corto mediante emisión de radiación de Hawking. Este
tipo de entidades físicas es postulado en algunos enfoques de la gravedad
cuántica, pero no pueden ser generados por un proceso convencional de colapso
gravitatorio, el cual requiere masas superiores a la del Sol.
¿Qué es la radiación de Hawking?
Decía Stephen
Hawking es su libro “Historia del Tiempo…” -…los agujeros
negros no son tan negros…- . ¿Y por qué? Postuló por primera vez en 1973
que los agujeros negros en el horizonte de sucesos podían emitir radiación. Y
describió las propiedades de tal radiación.
Los científicos rusos Yakov Zeldovich y Alexander Starobinsky sugirieron
en 1973 a Hawking que de acuerdo con el principio de incertidumbre de la
mecánica cuántica (Principio de Incertidumbre de Heisenberg) los agujeros
negros en rotación deberían crear y emitir partículas, aunque los cálculos
matemáticos que lo soportaban eran débiles, algo que Hawking se encargó de
calcular certeramente en ese año.
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| Agujeros Negros |
Desde el punto de vista técnico, la realidad es que esta emisión
de Hawking no se produce en el agujero negro sino en el espacio situado
justo fuera del horizonte de sucesos. La conclusión final es que los agujeros
negros deben de comportarse como cuerpos calientes y por lo tanto deben de
emitir radiación aunque provenga del espacio inmediatamente contiguo al límite
del horizonte de sucesos. En agujeros negros primitivos supermasivos las
emisiones de radiación deberían de ser de rayos gamma y de rayos X, lo que ha
ayudado en la búsqueda de los mismos al intentar detectar este tipo de
radiación.
¿Hay soluciones a las ecuaciones que nieguen los agujeros negros?
Existe la teoría relativista de la gravitación de Logunov, muy similar a
la relatividad general en casi todos los aspectos y que también explica los
hechos observados en el sistema solar y la expansión del universo. Usa ecuaciones
de campo ligeramente diferentes.
Dado que los datos experimentales no permiten discernir cuál de las dos
teorías (la de relatividad general de Einstein o la relativista de la
gravitación de Logunov) es la correcta, pues ambas coinciden para la mayoría de
los hechos observacionales bien comprobados, no pude darse por garantizado que
los agujeros negros sean una consecuencia necesaria de la gravitación.
Para vectores isótropos la TRG predice que se cumplirá siempre la
desigualdad:
y, por tanto, las condiciones típicas de los teoremas de Penrose
y Hawking sobre ocurrencia de singularidades no se cumplirán y el
espacio-tiempo estará libre de ellas. Y por tanto los agujeros negros no pueden
existir
En la teoría de Logunov se plantean ciertas soluciones a problemas de la
teoría general, lo que la harían ser una alternativa, llevando las soluciones a
las ecuaciones matemáticas a las siguientes respuestas:
Predice la no-ocurrencia de agujeros negros.
No se cumplen las condiciones requeridas por los teoremas de
singularidades y por tanto está libre de estas complicaciones que sí aparecen
en relatividad general. Esto nos lleva a que el universo no empezó con una
singularidad. La teoría del Big Bang se resquebraja.
¿Hay algún agujero negro cerca de nosotros?
¿Cómo lo sabemos?
En el centro de la Vía Láctea se encuentra una estructura compleja, con
una gran fuente de ondas de radio que parecen identificar uno de los agujeros
negros más supermasivos del Universo. Un agujero negro al que los científicos
han denominado Sagitario A* y que se encuentra en la constelación del mismo
nombre en el centro de nuestra galaxia, a unos 27.000 años luz de distancia.
En este centro de la
Vía Láctea se superponen tres elementos identificados como Sagitario A
Este, que parece el remanente de una gran explosión estelar, el remanente de
una supernova. Otro de los elementos es Sagitario A Oeste, el cual visto desde
la Tierra tiene estructura de espiral con tres brazos y está formado por gas
ionizado y nubes de polvo estelar que orbitan entorno al centro a la increíble
velocidad de 1000 km por segundo. Este centro de Sagitario A Oeste es lo que
conocemos como tercer elemento, Sagitario A* y que se supone que es el
agujero negro supermasivo.
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| Representación del hombre cerca a un Agujero Negro |
La visión de los gases y nubes de polvo entorno al agujero negro en su
espectro de rayos X y de infrarrojo permiten ver como se dirigen hacia donde
pudiera estar el agujero y caer en él. Otra de las observaciones son las
estrellas que orbitan entorno a él y que lo hacen a mucha mayor velocidad que
cualquiera de las estrellas vistas en la galaxia. Una de esas estrellas es SO-2
que tiene una órbita elíptica de 123 UA (unidades astronómicas) entorno al
agujero negro, y con la increíble velocidad de 5.000 km por segundo y un
periodo de 11.5 años.
Otra de las evidencias que han encontrado los científicos es la
emisión de chorros de partículas de alta energía desde sagitario A*.
Un cálculo que han realizado los científicos es que el agujero
negro tendría una masa de entorno 3.7 millones de masas solares y 45 UA de
tamaño, pero sigue consumiendo material a su alrededor por lo que está
creciendo.
En 2014 los científicos piensan que existe una oportunidad para ver los
efectos que se produzcan cuando un chorro de gas entre en el horizonte de
sucesos. En este año un chorro de gas denominado G2, y que estaba lejano del
centro del agujero negro se está acercando a gran velocidad (a doblado su
velocidad en el último año) al agujero negro por el gran poder gravitacional de
este.
En la imagen tomada por el Observatorio Europeo del Sur se puede ver
como la nube de gas se está espaguetizando, alargándose en la dirección del
agujero negro e incrementado por cinco su velocidad según se acerca a él.
¿Existe un peligro al estar tan cerca en términos astronómicos del
agujero negro Sagitario A*?
No parece que ocurriera nada a pesar de que se estima que su
horizonte de sucesos puede tener unos 0,0006 años luz. Estamos a gran distancia
27.000 años luz. ¿Hasta dónde puede llegar la capacidad de atracción de un agujero negro? Se supone que
su capacidad sería infinita pero en términos de tiempo se necesitaría casi un
tiempo casi infinito en términos de la vida en la Tierra. Vamos que no sería
para mañana.
Atravesar el horizonte de sucesos no supondría nada en ese momento de
acuerdo a la teoría de la relatividad, para los que estuvieran fuera habríamos
desaparecido y ellos para nosotros ya que en términos de tiempo cerca del
agujero negro por la gravedad el tiempo se hace más lento, por cada minuto
pasarían más de 1000 años en la Tierra. Una vez dentro la fuerza de la gravedad
sería tan intensa y creciendo al acercarnos al centro del agujero,
terminaríamos alongándonos desde los pies a la cabeza cual espaguetis hasta
desaparecer.
¿Son los agujeros negros el origen de otros universos?
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| Teoría Big Bang |
Personas que hablaron de los Agujeros Negros
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| Karl Schwarzschild |
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| Albert Einstein |
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| Subrahmanyan Chandrasekhar |
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| Robert Oppenheimer |
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| Roy Kerr |
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| Roger Penrose |
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| Stephen Hawking |
Videos sobre los Agujeros Negros
Otros sitios web
- http://www.cosmopediaonline.com/an_formacion.html
- http://www.todoelsistemasolar.com.ar/agujeronegro.htm#intro
- http://www.nationalgeographic.com.es/articulo/ng_magazine/actualidad/8983/los_agujeros_negros_existen_dice_stephen_hawking_menos_como_los_imaginamos.html?_page=2
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