Sobre agujeros negros

Gigantes oscuros con una fuerza tan inmensa que ni la luz puede escapar de ellos.

Con esta sencilla definición uno enseguida comprende que este post habla de agujeros negros, esos objetos que se han convertido en compañeros omnipresentes de todo artículo de divulgación sobre física por mérito propio. Y no es que los físicos tengamos un fetiche con el cuero y nos ponga sobremanera todo lo negro, si no que, debido a sus especiales características, los agujeros negros (AN) son excelentes laboratorios donde poner a prueba el desarrollo de nuevas teorías que busquen unificar la gravedad con el resto de interacciones del Universo. Por esta razón se han escrito miles de libros sobre agujeros negros que, sin embargo, siempre se quedan a medias (al menos los que yo he leído) y nunca cuentan aquello que de verdad tiene miga de los agujeros negros, algunas propiedades que han hecho que nos obsesionemos con ellos desde los años 70, esas cosas que quizás nunca se atrevieron a contarte sobre agujeros negros.

Lo que entra, no sale

Antes de nada, establezcamos algo de sintaxis.

Un agujero negro es, técnicamente, un cuerpo con una masa tan grande que su gravedad superficial no permite escapar ni siquiera la luz, razón por la que los observamos negros y de la que deriva su nombre. Si bien un AN tiene un tamaño definido, no ocurre lo mismo con la masa que genera el campo gravitatorio. Debido a que a partir de cierta distancia de un objeto la luz ya no va a escapar, un agujero negro bien puede ser una esfera de un tamaño u otro, o incluso no tener forma esférica, siempre que cumpla la condición de que su campo gravitatorio sea lo suficientemente intenso como para que a partir de una distancia se cumpla esta condición de velo.

A la “superficie” oscura que vemos a esa distancia, normalmente tomada como el radio efectivo del agujero negro, la denominamos horizonte de sucesos o simplemente horizonte y es la distancia a partir de la cual uno no puede escapar del AN, pues necesitaría moverse a una velocidad mayor que la de la luz para librarse de su atracción gravitatoria. Por ello, lo que entra en un agujero negro, no sale.

1 — Dentro no es lo mismo que fuera

Si bien es verdad que desde nuestra perspectiva sólo podemos observar un agujero negro desde su exterior, las leyes de la física son capaces de predecir qué ocurriría en el interior de uno de estos monstruos siderales.

Cuando uno contempla un AN desde la teoría de la Relatividad General, lo primero que se encuentra es que el horizonte no es un lugar especial desde el punto de vista de la atracción gravitatoria, que ni siquiera tiene que ser especialmente intensa en este lugar ni producir ningún fenómeno particular. Este hecho, unido a la universalidad de las leyes de la física nos indica que nuestra teoría ha de ser válida también en el interior del agujero (al menos en aquellos en los que los efectos cuánticos no son dominantes) y, por tanto, podemos predecir lo que un aguerrido astronauta observaría al cruzar el horizonte de sucesos de un AN.

Pongámonos en el papel de este viajero del cosmos que, quizás por aburrimiento o por desengaño amoroso, decide lanzarse a una muerte segura. Abandonamos nuestra nave y nos dejamos caer hacia el gigante negro. Conforme nos vamos acercando, nuestro reloj interno se retrasa respecto al de los observadores que se mantienen en el interior de la nave debido a que nuestro cono de luz, que no es más que una forma de representar en un diagrama espacio-tiempo el hecho de que no podamos ir más rápido que la luz, se está inclinando con respecto al de los observadores de la nave. Si nuestro cono se inclina, el tiempo que nosotros medimos siempre se mantendrá en su vertical, por lo que respecto al medido por nuestros colegas de la nave, será menor (o lo que es lo mismo, nuestro reloj se acelera) cuanto más cerca estemos del horizonte, llegando a volcarse completamente (90º) en el momento en que cruzamos el horizonte.

Pero, según las leyes de la Relatividad, el eje más horizontal siempre es espacio, mientras que el más vertical siempre es tiempo. Por tanto, al cruzar el horizonte lo que nosotros entendemos por tiempo y espacio ¡habrán intercambiado sus papeles! Puede sonar raro y, definitivamente, es algo completamente anti intuitivo, pero es la clave de que los agujeros negros sean como son y jueguen el papel tan importante que juegan en la física teórica actual. Al fin y al cabo, dentro no es lo mismo que fuera… y vaya si no lo es.

En el siguiente video se trata sobre la Teoria Especial, bueno no tiene mucho que ver resulta evidente que la RE de Einstein trata sobre c…pero aun asi la pongo. No deja se ser el inicio de la Relatividad General.

2 — ¿Dónde está la singularidad?

En el intercambio de papeles entre espacio y tiempo radica un problema conceptual importante. Desde fuera predecimos que en el centro del agujero negro existe lo que conocemos por singularidad, un punto del espacio donde la gravedad se vuelve infinita y nuestra capacidad de predicción explota. Ahora bien, al pasar el espacio a ser tiempo ¿dónde vemos la singularidad desde dentro del AN?

Las reglas de transformación que se aplican sobre el espacio y el tiempo al cruzar al horizonte hacen que la singularidad que desde fuera vemos en su centro pase a situarse tanto en el pasado como en el futuro infinito. Es decir, vemos un “espacio” que en el pasado infinito presenta una singularidad, luego se expande hasta ser el interior del agujero negro y en el futuro infinito vuelve a otra singularidad. Este hecho, unido al hecho de que no podemos salir del AN implica que lo que vemos desde su interior es una cosmología, un Universo completo con su Big Bang y su Big Crunch, representados por las singularidades pasada y futura. Algo ciertamente inesperado y sorprendente. En este sentido, entrar en un AN sería como cruzar la puerta a otro Universo.

3 — Los agujeros negros no tienen pelo

Cuando definimos lo que era un agujero negro, mencionamos que su característica principal era el hecho de que no permitían que nada escapase de su irresistible atracción gravitatoria. Este hecho hace que, desde fuera, un AN sea igual ya lo haya formado una estrella al colapsarse o una nube de televisores de tubo, aspecto que se conoce con el nombre de Teorema de No Pelo y que establece que un AN viene descrito únicamente por tres magnitudes: su masa, su momento angular y su carga eléctrica. Sin embargo, cuando uno se sale del mundo de la relatividad y contempla otras teoría físicas, la calvicie de los AN conlleva terribles problemas, algunos de los cuales podemos entender con un sencillo experimento mental.

Supongamos que tenemos una caja cúbica, la cual hemos llenado de un gas perfecto que, calentado a cierta temperatura, la mantendrá indefinidamente puesto que la caja está lo suficientemente aislada como para evitar cualquier fuga de calor. Si lanzamos dicha caja a un AN, su masa pasará a formar parte de este una vez cruce el horizonte de sucesos pero… ¿qué ha pasado con la energía térmica? La única opción posible es que el agujero negro se caliente, pero si se calienta tiene que radiar en el espectro electromagnético y, claro, un agujero negro no radia, pues ni la luz puede escapar de él. Luego, la energía térmica contenida en la caja, o bien ha desaparecido, o bien se ha transformado en masa. Vale, aceptemos esta última posibilidad, pero seamos más quisquillosos… supongamos que dentro de la caja no hay gas, si no el puzle 3D de 1000 piezas que todos guardamos (nunca montado) debajo de la cama. Este puzle contiene un grado de desorden bastante alto (tantas piezas distintas mezcladas, un horror) pero, cuando cruza el horizonte pasa a ser parte del agujero negro, y este es extremadamente uniforme. Luego, ¿dónde está este desorden? ¿Está violando el agujero la segunda ley de la termodinámica?

4 — Los agujeros negros son grises

La solución más obvia al dilema anterior es que, irremediablemente, los agujeros negros deben radiar. Esta es la conclusión a la que llegó el físico inglés Stephen Hawking y por la que puede que algún día gane el premio Nobel.

El argumento de Hawking es el siguiente. En el vacío, debido a efectos cuánticos, están generándose continuamente pares de partículas y antipartículas que posteriormente se destruyen en un proceso continuo conocido como polarización del vacío; por lo que podría ocurrir que, en un momento dado, uno de estos pares se generase en el horizonte, de tal manera que una de las partículas cayese al agujero negro y la otra fuese emitida, llevándose, de manera efectiva, parte de la masa del AN. Así, sería posible preservar la segunda ley de la termodinámica y se introduce un mecanismo de evaporación para los agujeros negros.

Siendo quisquillosos descubrimos que este fenómeno tiene mucho que ver con el hecho de que al entrar en un AN el tiempo y el espacio se intercambien. Visto desde el exterior, el campo gravitatorio del agujero negro no varía con el tiempo, si no sólo con la distancia al centro de este. Pero, al entrar en él e intercambiarse los papeles, lo que antes era una dependencia espacial se convierte en una temporal. Y debido a que el campo gravitatorio varía con el tiempo, hay fluctuaciones de energía gravitatoria que se presentan precisamente como emisiones de partículas.

Pero el asunto no se queda ahí, puesto que los AN no sólo tienen que radiar, si no que radian de todo, no contentándose con el pequeño espectro electromagnético. Debido al hecho de que todo interactúa gravitatoriamente, en el horizonte de un agujero negro se generan pares de todos los tipos de partículas conocidas, desde fotones a protones, pasando por quarks o bosones W; por lo que, paradójicamente, mientras que clásicamente un agujero negro es el objeto más sencillo que conocemos, cuánticamente se revela como el más complicado de aquellos cuantos hemos contemplado.

En resumen, los agujeros negros ya no son tan negros.

5 — El secreto está en el área

Como hemos dicho anteriormente, un agujero negro es capaz de radiar cualquier tipo de partícula conocida debido a procesos cuánticos en su horizonte. Pero ¿cuál es la condición que discrimina cuándo se radia cada tipo de partícula? Pues ni más ni menos que la Termodinámica.

Consideremos un sistema clásico y típico, como puede ser una caja conteniendo un gas. Si estudiamos la termodinámica y la estadística de este sistema nos encontramos con una propiedad muy importante, y es que lo que coloquialmente definimos como temperatura no es más que una forma de medir cuánto se mueven las moléculas del gas en el interior de la caja, estando este más caliente cuanto más se muevan sus constituyentes.

Así mismo, esa magnitud tan extraña que nos parece la entropía resulta ser simplemente una cuenta del número de posibles formas en las que se pueden mezclar y distribuir en el interior de la caja las moléculas individuales del gas, una magnitud que obviamente será proporcional al volumen de la caja, pues cuanto más espacio, de más formas se podrán reposicionar las moléculas. Pero esto no es lo que ocurre en un agujero negro, pues en uno de estos objetos la entropía no depende del volumen, si no del área del horizonte, haciendo que los agujeros negros sean radicalmente distintos a cualquier sistema físico conocido hasta ahora. Así mismo, encontramos que debido a esta propiedad, un agujero negro resulta ser más frío cuanto más grande y más masivo sea.

Esta relación entre el tamaño y la temperatura se cumple también para la energía disponible para ser radiada en partículas elementales. Debido a que esta es menor cuanto más grande sea un agujero, uno de estos monstruos galácticos comenzará radiando partículas ligeras tales como fotones, electrones o quarks de la primera generación. Conforme su masa se fuese evaporando debido a estas emisiones, su temperatura crecería y se abriría un rango de energía más amplio. En etapas sucesivas de su vida, un AN comenzaría a radiar protones, neutrones, otros tipos de quarks, bosones Z y W e incluso bosones de Higgs y quarks top, hasta que finalmente se evaporase. Puesto que cuanto más pequeño es, más pesadas son las partículas que emite, esto implica que también se evaporará más rápido.

Por ello, cuando en el 2008 dos locos promulgaron a voz en grito los peligros de generar agujeros negros microscópicos en el LHC, la comunidad científica (por desgracia, no la periodística, sic) les ignoró, pues un AN de esas características se evaporaría al instante sin provocar catástrofe alguna.

6 — Violadores en potencia

El hecho de que cuanto más pequeño sea un AN más pesadas sean las partículas que radie conlleva grandes problemas a la hora de formular una teoría cuántica de la gravedad. Hasta el momento, todas las interacciones conocidas a nivel cuántico conservan lo que venimos a llamar simetrías globales, cantidades que antes y después de un proceso cualquiera han de tomar el mismo valor, como la carga eléctrica, el número de fermiones o el número de bariones.

Tomemos como ejemplo el número de bariones, llamado número bariónico. Supongamos que en un momento dado creamos un AN a base de juntar protones (bariones) en un cierto punto del espacio. Llegado a cierto valor de masa, el conjunto de protones colapsará sobre sí mismo formando un agujero negro, que comenzará a radiar.

Si suponemos que hacemos engordar los suficiente al agujero, este comenzará radiando partículas ligeras como fotones y comenzará a evaporarse poco a poco, de manera que no será hasta el final de sus días, cuando su temperatura sea alta, que comenzará a emitir protones como parte de su radiación. Nos encontramos por tanto que tenemos un proceso (creación y evaporación del AN) que comenzamos con un número ingente de bariones y terminamos con sólo unas pocas de estas partículas. Por tanto, este proceso ha violado la conservación del número bariónico, una simetría global de la naturaleza.

En general, esto es un problema para poder formular una teoría coherente de la gravedad cuántica, debido a que todas nuestras teorías hasta el momento requieren de ciertas condiciones matemáticas básicas (como la hermiticidad del Hamiltoniano) que se ven rotas por el hecho de violar simetrías globales. Sin embargo, a día de hoy algunos sistemas en teorías de cuerdas son capaces de reproducir estos resultados con una base matemática sólida, denotando nuevamente que estas teorías son rematadamente eficaces.

Y muchas cosas más

Estas son sólo algunas de las curiosas propiedades que los agujeros negros poseen y que han hecho que se conviertan en objeto central de todas nuestras especulaciones a la hora de cuantizar esa esquiva interacción que es la gravedad. Podríamos seguir hablando de ellos durante horas, discutiendo apasionantes conceptos como la aparición de un agujero de gusano en su interior, el cómo llevaron a Maldacena en los años 90 a formular la correspondencia AdS/CFT o su papel en teoría de cuerdas.

http://amazings.es

Original de Fooly Cooly

 

Relacionados:

 

Un agujero negro u hoyo negro es una región del espacio-tiempo cuya enorme densidad, provocada por una gran concentración de masa en su interior, genera un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella. Sin embargo, los agujeros negros pueden ser capaces de emitir radiación de rayos X, lo cual fue conjeturado por Stephen Hawking en los años 1970 y demostrado en 1976 con el descubrimiento de Cygnus X-1.

La curvatura del espacio-tiempo o «gravedad de un agujero negro» provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es previsto por las ecuaciones de campo de Einstein. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo los fotones. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio. En los años 70, Hawking, Ellis y Penrose demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros. Previamente, en 1963, Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometría cuasi-esférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y su momento angular L.

Se conjetura que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos. La existencia de agujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en especial a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas.

El núcleo de la galaxia elíptica gigante M87, donde hay evidencia de un agujero negro supermasivo. También se observa un potente chorro (jet) de materia eyectada por los poderosos campos magnéticos generados por éste. Imagen tomada por el Telescopio espacial Hubble

English: Streaming out from the center of the galaxy M87 like a cosmic searchlight is one of nature’s most amazing phenomena, a black-hole-powered jet of electrons and other sub-atomic particles traveling at nearly the speed of light. In this Hubble telescope image, the blue jet contrasts with the yellow glow from the combined light of billions of unseen stars and the yellow, point-like clusters of stars that make up this galaxy. Lying at the center of M87, the monstrous black hole has swallowed up matter equal to 2 billion times our Sun’s mass. M87 is 50 million light-years from Earth.
Instrument: WFPC2; Time: February 1998, 55 minutes of exposure; Principal astronomers: J.A. Biretta, W.B. Sparks, F.D. Macchetto, E.S. Perlman (STScI).

Los agujeros negros proceden de un proceso de colapso gravitatorio que fue ampliamente estudiado a mediados de siglo XX por diversos científicos, particularmente Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking entre otros. Hawking en su libro divulgativo de 1988 titulado en español Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros repasa algunos de los hechos bien establecidos sobre la formación de agujeros negros.

Dicho proceso comienza posteriormente a la muerte de una gigante roja (estrella de gran masa), llámese muerte a la extinción total de su energía. Tras varios miles de millones de años de vida, la fuerza gravitatoria de dicha estrella comienza a ejercer fuerza sobre sí misma originando una masa concentrada en un pequeño volumen, convirtiéndose en una enana blanca. En este punto dicho proceso puede proseguir hasta el colapso de dicho astro por la auto atracción gravitatoria que termina por convertir a esta enana blanca en un agujero negro. Este proceso acaba por reunir una fuerza de atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz en éste.

En palabras más simples, un agujero negro es el resultado final de la acción de la gravedad extrema llevada hasta el límite posible. La misma gravedad que mantiene a la estrella estable, la empieza a comprimir hasta el punto que los átomos comienzan a aplastarse. Los electrones en órbita se acercan cada vez más al núcleo atómico y acaban fusionándose con los protones, formando más neutrones mediante el proceso:

p^+ + e^- to n^0 + {nu}_e

Por lo que este proceso comportaría la emisión de un número elevado de neutrinos.El resultado final, una estrella de neutrones. En este punto, dependiendo de la masa de la estrella, el plasma de neutrones dispara una reacción en cadena irreversible, la gravedad aumenta enormemente al disminuirse la distancia que había originalmente entre los átomos. Las partículas de neutrones implotan, aplastándose más, logrando como resultado un agujero negro. El agujero es una región del espacio-tiempo limitada por el llamado horizonte de sucesos. Los detalles de qué sucede en última instancia con la materia que cae más allá de este horizonte dentro de agujero negro no se conocen porque para escalas pequeñas sólo una teoría cuántica de la gravedad podría explicarlos adecuadamente, pero no existe una formulación completamente consistente para de dicha teoría.

El concepto de un cuerpo tan denso que ni la luz pudiese escapar de él, fue descrito en un artículo enviado en 1783 a la Royal Society por un geólogo inglés llamado John Michell. Por aquel entonces la teoría de Newton de gravitación y el concepto de velocidad de escape eran muy conocidas. Michell calculó que un cuerpo con un radio 500 veces el del Sol y la misma densidad, tendría, en su superficie, una velocidad de escape igual a la de la luz y sería invisible. En 1796, el matemático francés Pierre-Simon Laplace explicó en las dos primeras ediciones de su libro Exposition du Systeme du Monde la misma idea aunque, al ganar terreno la idea de que la luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores.

En 1915, Einstein desarrolló la relatividad general y demostró que la luz era influenciada por la interacción gravitatoria. Unos meses después, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel entonces. El propio Schwarzschild pensó que no era más que una solución matemática, no física. En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar 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 había 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). Sin embargo, Eddington se opuso 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, línea adoptada por la mayoría de los científicos.

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. Esta teoría no fue objeto de mucha atención hasta los años 60 porque, después de la Segunda Guerra Mundial, se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica.

En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en determinados casos no se podía impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso. La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsares. Poco después, en 1969, John Wheeler acuñó el término “agujero negro” durante una reunión de cosmólogos en Nueva York, para designar lo que anteriormente se llamó “estrella en colapso gravitatorio completo”.

Según la masa

Agujeros negros supermasivos: con masas de varios millones de masas solares. Se hallarían en el corazón de muchas galaxias. Se forman en el mismo proceso que da origen a los componentes esféricos de las 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.

Según sus propiedades físicas

Para un agujero negro descrito por las ecuaciones de Albert Einstein, existe un teorema denominado de sin pelos (en inglés No-hair theorem), que afirma que cualquier objeto que sufra un colapso gravitatorio alcanza un estado estacionario como agujero negro descrito sólo por 3 parámetros: su masa M, su carga Q y su momento angular J. Así tenemos la siguiente clasificación para el estado final de un agujero negro:

Zonas observables

 
En las cercanías de un agujero negro se suele formar un disco de acrecimiento, compuesto de materia con momento angular, carga eléctrica y masa, la que es afectada por la enorme atracción gravitatoria del mismo, ocasionando que inexorablemente atraviese el horizonte de sucesos y, por lo tanto, incremente el tamaño del agujero.

Véase también: Acreción
En cuanto a la luz que atraviesa la zona del disco, también es afectada, tal como está previsto por la Teoría de la Relatividad. El efecto es visible desde la Tierra por la desviación momentánea que produce en posiciones estelares conocidas, cuando los haces de luz procedentes de las mismas transitan dicha zona.

Hasta hoy es imposible describir lo que sucede en el interior de un agujero negro; sólo se puede imaginar, suponer y observar sus efectos sobre la materia y la energía en las zonas externas y cercanas al horizonte de sucesos y la ergosfera.

Uno de los efectos más controvertidos que implica la existencia de un agujero negro es su aparente capacidad para disminuir la entropía del Universo, lo que violaría los fundamentos de la termodinámica, ya que toda materia y energía electromagnética que atraviese dicho horizonte de sucesos, tienen asociados un nivel de entropía. Stephen Hawking propone en uno de sus libros que la única forma de que no aumente la entropía sería que la información de todo lo que atraviese el horizonte de sucesos siga existiendo de alguna forma.

Otra de las implicaciones de un agujero negro supermasivo sería la probabilidad que fuese capaz de generar su colapso completo, convirtiéndose en una singularidad desnuda de materia.

 

Visión de un artista de un agujero negro con disco de acreción.

Representación artística de un agujero negro con una estrella del compañero de cerca que se mueve en órbita alrededor que excede su límite de Roche. La materia en que cae forma un disco de acrecimiento, con algo de la materia que es expulsada en chorros polares colimados altamente energéticos.

La entropía en los agujeros negros

Según Stephen Hawking, en los agujeros negros se viola el segundo principio de la termodinámica, lo que dio pie a especulaciones sobre viajes en el espacio-tiempo y agujeros de gusano. El tema está siendo motivo de revisión; actualmente Hawking se ha retractado de su teoría inicial y ha admitido que la entropía de la materia se conserva en el interior de un agujero negro (véase enlace externo). Según Hawking, a pesar de la imposibilidad física de escape de un agujero negro, estos pueden terminar evaporándose por la llamada radiación de Hawking, una fuente de rayos X que escapa del horizonte de sucesos.

El legado que entrega Hawking en esta materia es de aquellos que, con poca frecuencia en física, son calificados de bellos. Entrega los elementos matemáticos para comprender que los agujeros negros tienen una entropía gravitacional intrínseca. Ello implica que la gravedad introduce un nivel adicional de impredictibilidad por sobre la incertidumbre cuántica. Parece, en función de la actual capacidad teórica, de observación y experimental, como si la naturaleza asumiera decisiones al azar o, en su efecto, alejadas de leyes precisas más generales.

La hipótesis de que los agujeros negros contienen una entropía y que, además, ésta es finita, requiere para ser consecuente que tales agujeros emitan radiaciones térmicas, lo que al principio parece increíble. La explicación es que la radiación emitida escapa del agujero negro, de una región de la que el observador exterior no conoce más que su masa, su momento angular y su carga eléctrica. Eso significa que son igualmente probables todas las combinaciones o configuraciones de radiaciones de partículas que tengan energía, momento angular y carga eléctrica iguales. Son muchas las posibilidades de entes, si se quiere hasta de los más exóticos, que pueden ser emitidos por un agujero negro, pero ello corresponde a un número reducido de configuraciones. El número mayor de configuraciones corresponde con mucho a una emisión con un espectro que es casi térmico.

Físicos como Jacob D. Bekenstein han relacionado a los agujeros negros y su entropía con la teoría de la información.

Los agujeros negros en la física actual

Se explican los fenómenos físicos mediante dos teorías en cierto modo contrapuestas y basadas en principios incompatibles: la mecánica cuántica, que explica la naturaleza de «lo muy pequeño», donde predomina el caos y la estadística y admite casos de evolución temporal no-determinista, y la relatividad general, que explica la naturaleza de «lo muy pesado» y que afirma que en todo momento se puede saber con exactitud dónde está un cuerpo, siendo esta teoría totalmente determinista. Ambas teorías están experimentalmente confirmadas pero, al intentar explicar la naturaleza de un agujero negro, es necesario discernir si se aplica la cuántica por ser algo muy pequeño o la relatividad por ser algo tan pesado. Está claro que hasta que no se disponga de una física más avanzada no se conseguirá explicar realmente la naturaleza de este fenómeno.

En 1995 un equipo de investigadores de la UCLA dirigido por Andrea Ghez demostró mediante simulación por ordenadores la posibilidad de la existencia de agujeros negros supermasivos en el núcleo de las galaxias. Tras estos cálculos mediante el sistema de óptica adaptativa se verificó que algo deformaba los rayos de luz emitidos desde el centro de nuestra galaxia (la Vía Láctea). Tal deformación se debe a un invisible agujero negro supermasivo que ha sido denominado Sgr.A (o Sagittarius A). En 2007-2008 se iniciaron una serie de experimentos de interferometría a partir de medidas de radiotelescopios para medir el tamaño del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, al que se le calcula una masa 4’5 millones de veces mayor que la del Sol y una distancia de 26.000 años luz (unos 255.000 billones de km respecto de la Tierra). El agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia actualmente sería poco activo ya que ha consumido gran parte de la materia bariónica, que se encuentra en la zona de su inmediato campo gravitatorio y emite grandes cantidades de radiación.

Por su parte, la astrofísica Feryal Özel ha explicado algunas características probables en torno a un agujero negro: cualquier cosa, incluido el espacio vacío, que entre en la fuerza de marea provocada por un agujero negro se aceleraría a extremada velocidad como en un vórtice y todo el tiempo dentro del área de atracción de un agujero negro se dirigiría hacia el mismo agujero negro.

En el presente se considera que, pese a la perspectiva destructiva que se tiene de los agujeros negros, éstos al condensar en torno a sí materia sirven en parte a la constitución de las galaxias y a la formación de nuevas estrellas.

En junio de 2004 astrónomos descubrieron un agujero negro súper masivo, el Q0906+6930, en el centro de una galaxia distante a unos 12.700 millones de años luz. Esta observación indicó una rápida creación de agujeros negros súper masivos en el Universo joven.

La formación de micro agujeros negros en los aceleradores de partículas ha sido informada, pero no confirmada. Por ahora, no hay candidatos observados para ser agujeros negros primordiales.

El mayorDejando a un lado los agujeros negros supermasivos que suelen estar en el núcleo de las galaxias y cuya masa son de millones de veces nuestro Sol, el mayor agujero negro de masa estelar conocido hasta la fecha, se descubrió el año 2007 y fue denominado IC 10 X-1. Está en la galaxia enana IC 10 situada en la constelación de Casiopea, a una distancia de 1,8 millones de años luz (17 billones de kilómetros) de la Tierra, con una masa de entre 24 y 33 veces la de nuestro Sol.

Posteriormente, en abril de 2008, la revista Nature publicó un estudio realizado en la Universidad de Turku (Finlandia). Según dicho estudio, un equipo de científicos dirigido por Mauri Valtonen descubrió un sistema binario, un blazar, llamado OJ 287, en la constelación de Cáncer. Tal sistema parece estar constituido por un agujero negro menor que orbita en torno a otro mayor, siendo la masa del mayor de 18.000 millones de veces la de nuestro Sol, lo que lo convierte en el mayor agujero negro conocido. Se supone que en cada intervalo de rotación el agujero negro menor, que tiene una masa de 100 millones de soles, golpea la ergosfera del mayor dos veces, generándose un quásar. Situado a 3500 millones de años luz de la Tierra,[9] está relativamente cerca de la Tierra para ser un quásar.

El menor

Sin contar los posibles microagujeros negros que casi siempre son efímeros al producirse a escalas subatómicas; macroscópicamente en abril de 2008 el equipo coordinado por Nikolai Saposhnikov y Lev Titarchuk ha identificado el más pequeño de los agujeros negros conocidos hasta la fecha; ha sido denominado J 1650, se ubica en la constelación Ara (o Altar) de la Vía Láctea (la misma galaxia de la cual forma parte la Tierra). J 1650 tiene una masa equivalente a 3,8 soles y tan solo 24 km de diámetro se habría formado por el colapso de una estrella; tales dimensiones estaban previstas por las ecuaciones de Einstein. Se considera que son prácticamente las dimensiones mínimas que puede tener un agujero negro ya que una estrella que colapsara y produjera un fenómeno de menor masa se transformaría en una estrella de neutrones. Se considera que pueden existir muchos más agujeros negros de dimensiones semejantes.

Chorros de plasma

En abril de 2008 la revista Nature publicó un estudio realizado en la Universidad de Boston dirigido por Alan Marscher donde explica que chorros de plasma colimados parten de campos magnéticos ubicados cerca del borde de los agujeros negros. En zonas puntuales de tales campos magnéticos los chorros de plasma son orientados y acelerados a velocidades cercanas a c (velocidad de la luz), tal proceso es comparable a la aceleración de partículas para crear una corriente de chorro (jet) en un reactor. Cuando los chorros de plasma originados por un agujero negro son observables desde la Tierra tal tipo de agujero negro entra en la categoría de blazar.

Que un agujero negro “emita” radiaciones parece una contradicción, sin embargo esto se explica: todo objeto (supóngase una estrella) que es atrapado por la gravitación de un agujero negro, antes de ser completamente “engullido”, antes de pasar tras el horizonte de sucesos, se encuentra tan fuertemente presionado por las fuerzas de marea del agujero negro en la zona de la ergosfera que una pequeña parte de su materia sale disparada a velocidades próximas a la de la luz (como cuando se aprieta fuertemente una naranja: parte del material de la naranja sale eyectado en forma de chorros de jugo, en el caso de los objetos atrapados por un agujero negro, parte de su masa sale disparada centrífugamente en forma de radiación fuera del campo gravitatorio de la singularidad).

Formación de estrellas por el influjo de agujeros negrosNuevas estrellas podrían formarse a partir de los discos elípticos en torno a agujeros negros; tales discos elípticos se producen por antiguas nubes de gas desintegradas previamente por los mismos agujeros negros; las estrellas producidas por condensación o acreción de tales discos elípticos al parecer tienen órbitas muy elípticas en torno a los agujeros negros supermasivos.

Radiación de Hawking.

Hasta principios de 1970 se pensaba que los agujeros negros no emitían directamente ningún tipo de materia, y su destino último era seguir creciendo por la acreción de más y más materia. Sin embargo, una consideración de los efectos cuánticos en el horizonte de sucesos de un agujero llevó a Hawking a descubrir un proceso físico por el cual el agujero podría emitir radiación. De acuerdo con el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica existe la posbilidad de que en el horizonte se formen pares de partícula-antipartícula de corta duración, dado que la probabilidad de que uno de los elementos del par caiga dentro del agujero de manera irreversible y el otro miembro del par escape, el principio de conservación requiere que el agujero disminuya su masa para compensar la energía que se lleva el par que escapa de los aledaños del horizonte de suscesos. Nótese que en este proceso el par se forma estrictamente en el exterior del agujero negro, por lo que no contradice el hecho de que ninguna partícula material puede abandonar el interior. Sin embargo, sí existe un efecto neto de transferencia de energía del agujero negro a sus aledaños, que es la radiación Hawking, cuya producción no viola ningún principio físico.

Bibliografia Wikipedia.org

Una respuesta a “Sobre agujeros negros

  1. Pingback: Agujeros negros « Portalhispano's Weblog

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s