UNIVERSIDAD NACIONAL“PEDRO RUIZ GALLO”

FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS

AGUJEROS NEGROS

ASIGNATURA :

Astronomía

DOSCENTE :

Wilson A. Rodríguez La Barrera

ALUMNAS :

Armas Llontop, Karen 049070-CSantos Flores, Cristina 049076-A

CICLO :

2005-II

AGUJEROS NEGROS

Cuando el gas y el polvo interestelares de una nebulosa se condensan, se forma una protoestrella que emite chorros de materia. Ésta continúa condensándose por gravitación al tiempo que se calienta. Cuando la temperatura del núcleo de la protoestrella llega a 10 millones de grados, se inician una serie de reacciones nucleares y nace una estrella nueva. Más adelante, la corteza del astro sufre una expansión acompañada de calentamiento, lo que da lugar a la formación de una gigante roja, de diámetro entre 10 y 100 veces el del Sol. Si la gigante roja es muy grande, produce hierro y otros elementos pesados, aumenta de tamaño y se transforma en supergigante. Después estalla y libera la materia en el espacio. Si sólo estalla la parte externa y el núcleo tiene suficiente masa, se convierte en un agujero negro.

INTRODUCCION

  Vamos a estudiar un objeto que parece de reciente concepción pero que ya fue concebido hace más de dos siglos.

  En su concepción inicial, un agujero negro era un objeto con una fuerza de gravedad en su superficie tan grande que nada puede escapar de él; ni siquiera la luz si es que ésta estuviera afectada por la gravedad (cosa que hace 200 años no se sabía). Antes de medir

la velocidad de la luz y de la teoría de la relatividad, por medio de la cual se demostró que nada puede sobrepasar la velocidad de la luz, se pensaba que un cuerpo podía alcanzar una velocidad infinita y por lo tanto el agujero negro era un cuerpo en el que la velocidad de escape era infinita también. Esto sólo podía ocurrir cuando se tratara de un astro de masa infinita o de densidad infinita. Se trataba de casos fuera de la lógica y por ello no se le dio importancia al asunto siendo aparcado en el olvido por la mayoría de los científicos.

  Pero con la teoría de la relatividad especial la velocidad máxima que puede alcanzar un cuerpo es la de la luz, y entonces se puede pensar que el agujero negro ya puede tener un volumen y una masa finitas, puesto que la velocidad de escape será finita.

  Como veremos la relatividad especial nos lleva otra vez a un agujero negro puntual, debido a que la velocidad de escape desde el punto de vista relativista nunca puede superar la velocidad de la luz.

  De todos modos ya se había descubierto que la luz no es simplemente una partícula, y por ello no podemos aplicarle la idea de velocidad de escape. Pero es desde el punto de vista de la relatividad general de Einstein cuando se deducen las consecuencias más interesantes para los cuerpos de masa extrema, volviendo a ser factible la idea de un agujero negro no puntual. Aparece el llamado horizonte de sucesos, región del espacio alrededor del agujero cuya curvatura en el espacio tiempo impide que nada escape; ni siquiera la luz.

  Además ya no se piensa que el hecho de que un cuerpo colapse hasta ocupar el volumen de un punto sea algo absurdo. Para aclarar ideas comenzaremos viendo como se pueden formar los agujeros negros, continuando luego con un análisis relativista de los agujeros negros.

HISTORIA

La denominación "Agujero negro" es atribuida a John Archibald Wheeler, y la utilizó básicamente porque dicho fenómeno no es visible a la vista y a que traga todo lo que está próximo a él como si fuera un hoyo al que todos caen indefectiblemente. Antes de este nombre poseía diversas denominaciones como "estrella congelada", "ojo del diablo", entre otros.

No fue hasta luego de diversos estudios e infinidad de descubrimientos que finalmente en 1969 el científico John Weeler acuñó el término "AGUJERO NEGRO" desde el punto de vista de la naturaleza de la luz (onda - partícula). Esto debido a la fascinante idea de una gravedad casi infinita de la que no escapa nada (ni siquiera la luz).

El concepto de un cuerpo tan pesado que ni la luz pudiese escapar de él, fue descrito en un papel mandado a la Royal Society por un geólogo inglés llamado John Michell en 1783. 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 2 primeras ediciones de su libro Exposition du Systeme du Monde la misma idea. Pero 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 gravedad. 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 1920, 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 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 colpaso 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 se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica luego de la guerra.

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 de un colapso se crease un agujero negro.

La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsars. Poco después, el término "agujero negro" fue acuñado por John Weeler.

A los agujeros negros también se les conoce como estrellas negras debido a que la traducción a algunos idiomas puede sonar obsceno. También existe el término más ilustrativo, pero en desuso, "estrella muerta", utilizado por los científicos rusos en la primera época en que empezó a tomarse en serio su existencia. A los objetos newtonianos de Laplace y Michell se les conoce como "estrellas oscuras" para diferenciarlos de los "agujeros negros" de la relatividad general.

¿QUÉ ES UN AGUJERO NEGRO?

Si se lanza hacia arriba una bola de hierro desde la superficie de la Tierra, ésta alcanza cierta altura y luego cae de regreso. Al lanzarla con más fuerza, alcanza mayor altura. Laplace calculó la altura que puede alcanzar un cuerpo dada una velocidad inicial. Encontró que la altura aumenta más rápidamente que la velocidad, de modo que la altura se hace enorme para una velocidad no demasiado grande. A una velocidad de 40.000 Km/h (sólo unas veinte veces más veloz que el avión Concorde) la altura que se

alcanza se hace realmente muy grande: tiende a ser infinita, como dirían los matemáticos. A esta velocidad se le llama 'velocidad de escape' desde la superficie de la Tierra y es la velocidad que debe alcanzar una nave espacial que ha de llegar a la Luna o a cualquiera de los planetas. Siendo un matemático, Laplace resolvió el problema para todos los cuerpos esféricos, no sólo para la Tierra.

Laplace encontró una fórmula muy simple, que nos dice que la velocidad de escape, V, está dada por V=(2GM/R)1/2, donde G es una constante que define qué tan fuerte es la gravedad, M es la masa, o cantidad de material en el cuerpo, y R es su radio. Esta fórmula dice que objetos pequeños pero masivos (o sea R pequeño y M grande) tienen velocidades de escape grandes.

Esta fórmula sorprendentemente simple produce la misma respuesta que la obtenida usando la Teoría de la Relatividad.

La luz viaja a algo más de 1.000 millones de Km/h y en 1905 Albert Einstein demostró que nada puede viajar más rápido que la luz. La fórmula de arriba puede ser despejada para mostrar qué radio debe tener un objeto para que la velocidad de escape desde su superficie sea ni más ni menos que la velocidad de la luz. La respuesta es R=(2G/c2)M, donde c es la velocidad de la luz.

Este radio en particular, R, es llamado el 'radio de Schwarzschild', en honor del astrónomo alemán que lo derivó por primera vez a partir de la teoría de la relatividad de Einstein. La fórmula nos dice que el radio de Schwarzschild para una masa como la de la Tierra es de menos de un centímetro, comparado con su radio de 6.357 Km.

En la tabla de abajo se dan los valores para otros objetos astronómicos.

Radio de Schwarzschild para algunos objetos astronómicos

Objeto

Masa del Objeto(Masas Solares)

Radio(Km)

Velocidadde Escape(Km/seg)

Radio de Schwarzschild

Tierra 0,00000304 6.357 11,3 9,0 mm

Sol 1,0 696.000 617 2,95 Km

Enana Blanca 0,8 10.000 5.000 2,4 Km

Estrella de Neutrones 2 8 250.000 5,9 Km

Núcleo de una Galaxia 50.000.000 ? ? 147.500.000 Km

Notas:      La velocidad de la luz es de 299.800 Km/seg.      11,3 Km/seg es equivalente a 40.000 Km/hr.      147.500.000 Km es casi igual al radio de la órbita de la Tierra alrededor del Sol.

Podría parecer sorprendente que pueda concebirse que la luz se comporte como un cohete o una bola de billar.

Fue Einstein quien demostró que la luz puede ser considerada como una colección de partículas, llamadas fotones, que tienen masa, o más correctamente, energía, por virtud de la famosa fórmula E=Mc2, que relaciona la energía E con la masa M.

Los fotones siempre viajan a la misma velocidad, la velocidad de la luz, pero cuando se alejan de un objeto con gravedad pierden energía, y para un observador externo, parecen ser más rojos. Es este 'corrimiento hacia el rojo' lo que implica que los fotones que parten de un agujero negro pierden al fin toda su energía y se hacen completamente invisibles.

Si ni siquiera la energía de la luz viaja lo suficientemente rápido como para escapar (y nada puede viajar más rápido), entonces ninguna señal de ningún tipo puede escapar, y el objeto sería 'negro'. La única indicación de la presencia de tal objeto es su atracción gravitacional. Lejos de su superficie es como si un objeto ordinario de la misma masa estuviera allí.

La presencia de su gravedad significa que otros objetos pueden caer en él, de allí el nombre de 'agujero'.

Y así, un agujero negro es un objeto tan compacto que la velocidad de escape desde su superficie es mayor que la velocidad de la luz.

CLASIFICACIÓN TEÓRICA

Según su origen, teóricamente pueden existir al menos tres clases de agujeros negros:

Agujeros negros primordiales, creados temprano en la historia del Universo. Sus masas pueden ser variadas y ninguno ha sido observado.

Agujeros negros supermasivos, con masas de varios millones de masas solares. Son el corazón de muchas galaxias. Estos se forman en el mismo proceso que da origen a las componentes esféricas de las galaxias.

Agujeros negros de masa solar. Se forman cuando una estrella de masa 2,5 mayor que la masa del Sol se convierte en supernova y explota. Su núcleo se concentra en un volumen muy pequeño que cada vez se va reduciendo más.

COMO SE FORMAN LOS AGUJEROS NEGROS

Supongamos una estrella como el sol que va agotando su combustible nuclear convirtiendo su hidrógeno a helio y este a carbono, oxígeno y finalmente hierro llegando un momento en que el calor producido por las reacciones nucleares es poco para producir una dilatación del sol y compensar así a la fuerza de la gravedad. Entonces el sol se colapsa aumentando su densidad, siendo frenado ese colapso únicamente por la repulsión entre las capas electrónicas de los átomos. Pero si la masa del sol es lo suficientemente elevada se vencerá esta repulsión (al sobrepasar el límite de Chandrasekar) pudiéndose llegar a fusionarse los protones y electrones de todos los átomos, formando neutrones y reduciéndose el volumen de la estrella no quedando ningún espacio entre los núcleos de los átomos. El sol se convertiría en una esfera de neutrones y por lo tanto tendría una densidad elevadísima. Sería lo que se denomina "estrella de neutrones".

   Naturalmente las estrellas de neutrones no se forman tan fácilmente, ya que al colapsarse la estrella la energía gravitatoria se convierte en calor rápidamente provocando una gran explosión. Se formaría una nova o una supernova expulsando en la explosión gran parte de su material, con lo que la presión gravitatoria disminuiría y el colapso podría detenerse. Así se podría llegar a formar objetos de menos densidad que las estrellas de neutrones llamados “enanas blancas” en las que la distancia entre los núcleos atómicos a disminuido de modo que los electrones circulan libres por todo el material (es la llamada materia degenerada), y es la velocidad de movimiento de estos lo que impide un colapso mayor. Por lo tanto la densidad es muy elevada pero sin llegar a la de la estrella de neutrones. Estos electrones degenerados se repelen pero no por repulsión electromagnética sino por  porque al presionarlos se intenta que ocupen el mismo orbital más electrones de los que caben. Es la presión de Fermi de los electrones degenerados que actúa cuando las ondas asociadas a los electrones comienzan a solaparse. Pero Chandrasekhar descubrió que si la masa de la enana blanca fuera superior a 1,44 masas solares, entonces debido al límite máximo de velocidad de los electrones (la velocidad de la luz) esta presión de Fermi no sería suficiente y la estrella colapsaría a una estrella de neutrones.

  Se ha calculado que por encima de 2.5 soles de masa, una estrella de neutrones se colapsaría más aún fusionándose sus neutrones. Esto es posible debido igualmente a que el principio de exclusión de Pauli por el cual se repelen los neutrones tiene un límite cuando la velocidad de vibración de los neutrones alcanza la velocidad de la luz.

  Debido a que no habría ninguna fuerza conocida que detuviera el colapso, este continuaría hasta convertir la estrella en un punto creándose un agujero negro. Este volumen puntual implicaría una densidad infinita, por lo que fue rechazado en un principio por la comunidad científica, pero S. Hawking demostró que esta singularidad era compatible con la teoría de la relatividad general de Einstein

¿DÓNDE PODREMOS ENCONTRAR AGUJEROS NEGROS?

Es imposible observar directamente un agujero negro, de modo que cualquier candidato a ser un agujero negro tiene que ser identificado por su efecto sobre la materia que lo rodea.

Si ninguna otra explicación es válida para los fenómenos observados, entonces es probable que esté presente un agujero negro.

Hay algunos objetos que son buenos candidatos para la presencia de un agujero negro.

1. Toda estrella brilla y sobrevive debido a la fuerza de la gravedad, que está tratando de comprimirla y que balancea justo la presión generada por el horno nuclear en su centro, que está tratando de expandirla. Una vez que el horno se queda sin combustible, algo que a la fuerza ha de ocurrir con el tiempo, la presión decrece, pierde su batalla contra la gravedad y la estrella colapsa.

Los astrónomos piensan que a una estrella en esta situación sólo le puede ocurrir una de tres cosas, dependiendo de su masa. Una estrella menos masiva que el Sol colapsa hasta formar una 'enana blanca', con un radio de sólo unos pocos miles de kilómetros. Si la estrella tiene entre una y cuatro veces la masa del Sol, puede producir una 'estrella de neutrones', con un radio de unos pocos kilómetros. Tal estrella podría ser reconocida como una 'pulsar'. Las relativamente escasas estrellas que tienen masas de más de cuatro veces la masa del Sol no pueden evitar colapsar más allá de sus radios de Schwarzschild y convertirse en agujeros negros.Es decir que los agujeros negros podrían ser los cadáveres de estrellas masivas.

2. La mayoría de los astrónomos piensa que las galaxias como la Vía Láctea fueron formadas a partir de una gran nube de gas que colapsó, formando estrellas individuales. Ahora vemos a las estrellas concentradas más fuertemente en sus centros, o núcleos. Es posible que justo en el centro hubiese demasiada materia para formar una estrella ordinaria, o que las estrellas que se formaron allí estaban tan cerca unas de otras que se unieron y formaron un agujero negro. Por eso se argumenta que en los centros de algunas galaxias podrían existir agujeros negros

verdaderamente masivos, de masas equivalentes a cien millones de estrellas como el Sol.

¿CÓMO PODREMOS VER UN AGUJERO NEGRO?

Debido a que los agujeros negros son pequeños y a que ninguna señal escapa de ellos, encontrarlos podría parecer una tarea imposible. Sin embargo, la fuerza de la gravedad permanece, de modo que si detectamos gravedad donde no hay una fuente visible de luz, el responsable podría ser un agujero negro. Este tipo de argumento no es muy convincente por sí solo, de modo que debemos buscar otras pistas.

Si hay materia alrededor de un agujero negro en posición de caer en él, sin duda lo hará. Surge entonces una buena chance de que produzca alguna señal detectable mientras cae, no desde el propio agujero negro, sino desde justo fuera de él.

La mayoría de las estrellas no son individuales, como el Sol, sino que se las encuentra en parejas, pequeños grupos, o en grandes cúmulos. Si las estrellas de una pareja tienen masas diferentes, entonces la más masiva quemará su combustible con más rapidez y podría convertirse en un agujero negro, mientras que la otra permanece como una estrella normal, consumiendo su combustible más despacio. El gas de esa estrella puede ser absorbido desde la estrella hacia el agujero negro. En estas condiciones el gas se vuelve muy caliente, con una temperatura de millones de grados, por lo que brillará no con luz visible sino con rayos-X. Estos rayos-X tendrán un efecto observable en la producción de luz de la estrella ordinaria. Puesto que la estrella y el agujero negro giran uno alrededor del otro en pocos días, podríamos esperar ver variaciones regulares en el brillo y en la producción de rayos-X.

Hay algunas fuentes de rayos-X que tienen todas las propiedades descritas arriba. Desafortunadamente, es imposible distinguir entre un agujero negro y una estrella de neutrones, a menos que podamos comprobar que la masa del objeto invisible es demasiado grande como para que sea una estrella de neutrones.

Los astrónomos encontraron importante evidencia de que una de estas fuentes, llamada Cyg X-1 (lo que significa que es la primera fuente de rayos-X descubierta en la constelación de Cygnus), realmente contiene un agujero negro.

Las cosas son muy diferentes si hay un agujero negro masivo en el centro de una galaxia. Allí es posible que el agujero negro se trague una estrella. La atracción de la gravedad sobre tal estrella será tan fuerte como para desintegrarla en sus átomos componentes y para lanzarlos a altas velocidades en todas direcciones. Algunos de los fragmentos caerán en el agujero, incrementando su masa, mientras que otros producirán un estallido de ondas de radio, luz y rayos-X.

Este es exactamente el comportamiento observado en las galaxias del tipo llamado 'cuásares', y podría muy bien estar ocurriendo en una forma más moderada —cada vez hay más certeza de esto— en el centro de nuestra propia Vía Láctea.

Los astrónomos encontraron también que en la galaxia NGC 4151 hay una masa de cerca de 1.000 millones de veces la del Sol concentrada en una región central cuyo diámetro no es mayor que 4.000 veces la distancia entre la Tierra y el Sol. La explicación más plausible hoy en día es que la mayor parte de esta masa corresponde a un agujero negro ubicado en el centro.

Agujeros negros: ¿Se pueden realmente medir?

Tal como lo describe Ted Bunn en "Black Holes FAQ", no podemos hablar de una única medida de grandeza de los agujeros negros ni  en general de nada que exista; sino que debemos de tomar en cuenta el espacio que ocupa en el universo y la masa que posee.

Masa de los agujeros negros

Si analizamos la segunda propiedad debemos de considerar que hasta el momento lo que se sabe de la masa que poseen los agujeros negros es que esta no tiene límites conocidos (ningún máximo ni mínimo). Pero si analizamos las evidencias actuales podemos considerar que dado que los agujeros negros se forman a partir de la muerte de estrellas masivas debería de existir un límite máximo del peso de los agujeros negros que sería a lo mucho igual a la masa máxima de una estrella masiva. Dicha masa límite es igual a diez veces la masa del Sol (más o menos 1x1031 kilogramos o si no lo entiendes 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 kilogramos). En los últimos años se ha encontrado evidencia de la existencia de agujeros negros en el centro de galaxias masivas. Se cree a partir de esto que dichos agujeros negros poseerían una masa de un millón de soles).

Tamaño de los agujeros negros

Si analizamos el tema del espacio que ocupa un agujero negro debemos de considerar como parámetro principal una variable matemática denominada el radio de Schwarzchild el cual es el radio del horizonte de sucesos que comprende al agujero negro (dentro de este radio la luz es absorbida por la gravedad y cualquier cuerpo es absorbido con una fuerza gravitatoria infinita hacia el centro del agujero negro no pudiendo escapar de éste). Ahora bien los científicos han logrado hallar una relación directa entre la masa y el espacio ocupado de un agujero negro, esto significa que si un agujero negro es diez veces más pesado que cualquier estrella ocupará también diez veces el espacio ocupado por esa estrella. Para darnos una idea más clara compararemos el tamaño del sol con un agujero negro súper masivo, el sol posee un radio de aproximadamente 700,000 kilómetros mientras que el agujero negro súper masivo poseerá un radio de a lo más cuatro veces más grande que el del Sol.

Nota:

Esta página muestra una explicación basada en la información contenida en la web "Black Holes FAQ" de Ted Bunn.

Los agujeros negros se comerían todo el universo?

La respuesta a esto deja de ser complicada y es bastante simple... NO, y te explico por qué, habíamos definido un agujero negro... bueno Stephen Hawking lo hizo junto a Roger Penrose hace aproximadamente 40 años, como el horizonte de sucesos dentro del cual todo objeto es absorbido irremediablemente hacia el centro de dicha singularidad. Pues bien, ¿a qué nos referimos con horizonte de sucesos?, ¿recuerdas el radio de Schwarzchild? bueno, si no lo recuerdas era el radio a partir del cual un agujero negro tragaba irremediablemente a todo objeto, es decir, dicho radio definía el horizonte de sucesos, entonces dichos radios en los agujeros negros conocidos no son del tamaño del universo (es más, no se sabe a ciencia cierta el tamaño del universo aunque se tiene una idea aún vaga).

Esto significa que los agujeros negros podrán tragarse cuerpos cercanos pero no absorberán a todos los objetos del universo. A no ser que un porcentaje considerable de la materia en el universo se convierta en agujeros negros... pero eso es improbable.

El efecto es similar al de la gravedad normal, éste tiene un campo de acción luego del cual no logra alterar en gran medida a los demás objetos, por ejemplo, la atracción gravitatoria terrestre sólo afecta a los cuerpos que pasan cerca de él (la Luna y algunos planetas) pero no afectará a las estrellas que componen toda la vía láctea o menos de otra galaxia.

Especulaciones

Respecto a este tema se ha especulado mucho, se han presentado una serie de teorías, algunas disparatadas y otras no tanto, se dice de los agujeros negros que son la puerta al cielo, mientras que otros plantean que los agujeros negros podrían ser una especie de tele transportadores de la materia (esta visión fue presentada inicialmente hace más de 25 años en la serie "Star Trek") pero todas ellas no son mas que conjeturas sin base plenamente demostrable. Lo único cierto es que, hablando respaldados por la ciencia, un agujero negro posee un límite en su radio de acción, así que calma, que hasta donde sabemos el universo va a seguir su marcha inexorable.

En esta fotografía podemos apreciar cómo un agujero negro empieza a absorber a un objeto cercano, en este caso se trata de una estrella que poco a poco va siendo absorbida por un agujero negro cercano a ella, éste agujero posee una distancia de alcance considerable, pero no podría afectar a otros objetos fuera de esa distancia.

La foto fue captada por el radio telescopio Chandra en 1999 y forma parte de una serie de imágenes que poco a poco va demostrando que los agujeros negros cumplen ciertas características planteadas

inicialmente con el uso de las matemáticas y los conocimientos derivados de la teoría de la relatividad.

Nota importante: Es necesario recalcar que hace tan sólo unos meses científicos norteamericanos lograron demostrar que la velocidad de la luz no es la máxima posible, sino que con un túnel cuántico lograron movilizar fotones a una velocidad igual y mayor. Si bien este resultado pone en tela de juicio ciertos parámetros considerados por la relatividad no la descalifica (aún) del todo.

Qué efectos tiene sobre nuestro planeta la existencia de los agujeros negros?

Calma, el agujero negro más cercano a nuestro planeta está bastante lejos (al menos lo que conocemos), sin embargo los investigadores a nivel mundial llevan un registro constante no solo de la actividad de los agujeros negros ya detectados sino también están a la búsqueda de nuevos agujeros negros y de estrellas moribundas que estén a punto de entrar a la fase de agujero negro. 

¿Y qué pasará con nuestro Sol?

Si queda alguna duda no queda sino mencionar que el Sol de nuestro sistema no puede convertirse en un agujero negro debido al factor del límite de Chandrasekhar, el cual requeriría que sus dimensiones fueran de 1,5 veces los actuales. Por cierto, la estrella que nos dá calor tiene 5'000,000 de años de vida.

Actualmente se presume que en el centro de nuestra galaxia existe un agujero negro, el cual provoca el movimiento y la forma de ella, esto no debe de asustarnos (por el momento) pues con los conocimientos actuales se ha concluido que sus efectos sobre nuestro Sistema Solar y sobre nuestro planeta son prácticamente nulos. Aunque se han encontrado evidencias de la presencia de agujeros negros fuera de los centros de galaxias, esto abre un nuevo campo de estudio pues modifica y amplia los posibles tipos de agujeros negros que pueden existir.

La imagen mostrada a la izquierda ha sido difuminada para poder mostrar con mayor nitidez la emisión de rayos X de una extensión de nubes de gas a altas temperaturas rodeando al posible agujero negro súper masivo Sagitario A. La temperatura ha sido calculada en aproximadamente varios millones de grados y ha sido producida probablemente por ondas de choque generadas por la explosión de una supernova y quizás por la colisión de vientos provenientes de jóvenes estrellas masivas. El probable agujero negro se encuentra a unos 10 años luz del centro de nuestra galaxia.

Imagen tomada con un espectrómetro de imágenes avanzado (ACIS)

Escala: Imagen está a 1.3 arcmin sobre un lado.

Dos imágenes mostrando lo mismo, a la izquierda de la foto tenemos una imagen tomada con rayos X mientras que la de la derecha ha sido tomada con una cámara óptica . Ambas fueron captadas por el Observatorio de rayos X Chandra y por el telescopio espacial Hubble respectivamente. El primero muestra un punto del cual emana una cantidad enorme de rayos X mientras que el segundo muestra una galaxia en espiral asociada con la fuente de rayos X: la fuente de dichos rayos está localizada en el centro de dicha galaxia y posee una emisión energética baja de rayos X ésta es consistente con la absorción de una fina nube de gases. La combinación de una emisión poderosa de rayos X, absorción de rayos X de baja energía y la relativamente apariencia óptica normal de la galaxia sugiere que la fuente es un tipo raro de agujero negro denominado un "quasar Tipo 2".

Chandra X-ray Observatory Advanced CCD Imaging Spectrometer Image (ACIS) of CXOUJ215334.0+174240

Escala: La imagen está a 10 arcsec sobre un lado.

¿Existen los agujeros blancos?

Si se analizan en detalle las ecuaciones de las que se derivan las propiedades relativistas vamos a encontrar siempre que teóricamente existe una solución simétrica para cada una de ellas, es decir, así como tenemos la idea de que para la materia existe la antimateria, o a lo negro se opone lo blanco, de igual manera podemos deducir teóricamente que debe de existir algo que posea características completamente opuestas a la de los agujeros negros.

Para este caso, sabemos que los agujeros negros son definidos como un horizonte de sucesos dentro del cual todo objeto no importando su estado es atrapado indefectiblemente por una fuerza gravitatoria inmensa (casi infinita), por oposición podemos entender que debe de existir (al menos teóricamente) un agujero blanco con un horizonte de sucesos en donde todo lo que esté dentro de él será violentamente repelido, tal vez con una fuerza inmensa (casi infinita) esto nos lleva a pensar en las ideas (nuevamente las cito) de la materia y la antimateria. Pero lo interesante está en que si bien las matemáticas efectivamente pueden darnos una respuesta simétrica tan controversial, también es cierto que un horizonte de sucesos con esas características es improbable y hasta el momento no ha habido descubrimiento que contradiga su no existencia real.

Esquema gráfico de un agujero negro tomado dehttp://www.geocities.com/CapeCanaveral/Hangar/8084

Y los agujeros de gusano?

Los agujeros de gusano son consecuencia de un agujero negro que se encuentra girando con cargas determinadas, esto provocaría que esté simultáneamente interactuando con un agujero blanco, la combinación de ambos es denominado un agujero de gusano.

Sin embargo, como hemos visto, los agujeros blancos no existen y si alguien cae en un agujero negro llegará a dirigirse hacia el centro de la singularidad pero no atravesará un agujero de gusano pues este requiere que exista un agujero blanco. Pero teóricamente se piensa que si éste existiera habría una conexión entre la ubicación del agujero negro y como salida se tendría al lugar en donde está ubicado el agujero blanco. (Si viste la película Contacto con Jodie Foster te puedes dar una idea cabal de lo que se dice líneas arriba)

¿ QUÉ PASA CON EL TIEMPO?

El tiempo también es afectado en los agujeros negros; éste experimenta deformaciones extrañas. Un observador, siempre que no se desintegre, que cayese en las fauces de uno de estos "bichos" podría observar cómo a su alrededor el tiempo se aminora, pero claro, que la historia no la podrá contar a sus amigos y colegas del exterior. El observador que contemplase desde el exterior la caída

del desdichado amigo en el agujero le vería tardar muchísimo en cruzar el horizonte de sucesos. Dentro de las fenomenales características para los agujeros negros que se han logrado deducir desde la teoría, sin duda alguna, la más inquietante es quizás los efectos que éstos generan sobre la materia y el tiempo, al menos desde el punto de vista de un observador que se encuentre a una distancia segura de sus horizontes de sucesos. Las

leyes de la mecánica clásica que nos legó Newton establecen que un objeto sin distinción debe acelerarse hacia el agujero negro hasta desaparecer tras traspasar el horizonte de sucesos. De acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein, sin embargo, las leyes clásicas de la física, que han sido elaboradas para explicarnos las visiones que percibimos sobre el comportamiento de la naturaleza, son tan sólo aproximaciones que deben mantenerse en suspenso, por lo menos en este caso. Un observador frente a la visión de un agujero negro puede ver, tal como es de esperar, como un objeto se empieza a mover aceleradamente hacia el agujero. No obstante, a medida que su velocidad se aproxima a la de la luz, los llamado efectos relativistas empiezan a reconocerse. En vez de ir cada vez en forma más acelerada precipitando su caída, el objeto parece frenarse justo encima del horizonte de sucesos. Desde el punto de vista del observador exterior, el tiempo se detiene en el horizonte de sucesos y el objeto queda allí suspendido eternamente. Para ese observador exterior el objeto nunca llega a destino. Sin embargo, si otro hipotético observador acompaña en su viaje al objeto en cuestión, la percepción que éste recibe es totalmente distinta. Ello es debido a que ese observador comparte con el objeto su mismo sistema de referencia, el tiempo transcurre normalmente para él, y el objeto se acelera de acuerdo con las leyes de Newton. Sin embargo, a medida que las distancias hacia el horizonte de sucesos se estrechan, el espaciotiempo se ve fuertemente deformado por la acción de la creciente gravedad del agujero negro. Inmerso en lo que implica ese entramado, el poco feliz objeto se estira desde el extremo delantero hacia el trasero y se comprime por ambos lados. Mucho antes de que alcance el horizonte de sucesos, el objeto se desintegra en pedazos debido a las poderosas fuerzas de marea que emanan de las fauces del agujero negro. Los desagregados pedazos en que se convirtió el objeto continuarán alargándose de punta a punta mientras progresan en su caída hacia el agujero negro, pero el compañero observador no apreciará ningún cambio repentino que le permita identificar el momento en el que atraviesa el horizonte de sucesos. A medida que los restos del objeto se acercan a la velocidad de la luz, las estrellas del universo colindante aparecen más y más deformadas, y su imágenes tienden a contraerse frente a él. Los agujeros negros con masas mayores son también más grandes y menos densos. Si existiesen de masas de alrededor de trillones de masas solares, podríamos desplazarnos por encima del horizonte de sucesos sin mayores consecuencias. Pero igual se tendría que tener cuidado de no traspasar la frontera, ya que de hacerlo el desastre ocurriría en breves momentos y quedaríamos atrapados. Llegaríamos a una singularidad espaciotemporal (punto de densidad infinita) que se cree que existe en el mismo centro del agujero. Podemos imaginar incluso agujeros negro mayores aún. Es posible que todo el universo se halle inmerso en el proceso de convertirse en un agujero negro gigante y que estemos viviendo en su interior, dentro de un universo que dejará algún día de expandirse y se desplomará sobre sí mismo. Basados en la última ideas es que los astrónomos Mitchell Begelman, de Estados Unidos, y sir Martin Rees, de Gran Bretaña, elaboraron la propuesta sobre las condiciones recicladoras de los agujeros negros que describimos más adelante, en capítulos posteriores. A pesar de la evidencia a su favor, la existencia de los agujero negros depende sustancialmente de la validez de las teorías de Einstein. De hecho, el escenario de la última etapa de la evolución estelar, por no decir la cosmología entera, debería reescribirse si la teoría de la relatividad no fuera acertada en su predicciones para entender la mecánica del universo. Por ello, quizás sea importante, para lograr un comprensión más profunda sobre los agujeros negros, haber previamente alcanzado alguna familiarización sobre las ideas básicas de la relatividad general.

Por qué es oscuro un agujero negro?

O mas bien, ¿Qué le sucede a la parte energética del fotón, la onda luminosa, cuando quiere escapar del agujero negro a 299.792 kilómetros por segundo?.

En primer lugar, no sabemos ni sabremos qué imágenes puede mostrar un agujero negro por dentro, ya que es un viaje sin billete de vuelta. Ni aún llevándonos un móvil conseguiríamos informar de lo que vemos dentro, pues las radioondas tampoco saldrían del agujero. Recuerdo un sugestivo pensamiento que decía: «Tal vez, sí queremos ver que aspecto tiene el interior de un agujero negro, quizás, debamos mirar a nuestro alrededor, pues tampoco en este Universo la materia y la luz tienen billete de salida», un Universo en expansión, que sin limites ni bordes definidos, se mantiene cerrado por la gravedad de toda la materia existente. Sin duda, los agujeros negros son un producto de la evolución estelar, las leyes de la gravitación llevadas a su máxima consecuencia. Según la Relatividad General, en la superficie de cualquier objeto masivo como una estrella, el tiempo fluye más lentamente que estando muy lejos de ella, a esto le llamamos dilatación gravitatoria del tiempo, a mayor gravedad más se congela y se detiene el tiempo. En la circunferencia crítica o horizonte del agujero negro son tan intensas las fuerzas gravitatorias que el tiempo está totalmente dilatado, parado. Sí el tiempo en el horizonte del agujero negro está congelado, implica esto, que la frecuencia de propagación de cualquier onda electromagnética (luz) también estará congelada. Puesto que la frecuencia siempre tiene que oscilar sobre un tiempo y, por tanto, donde no hay tiempo no hay frecuencia (ciclos por segundos). Con todo ello, deja de existir cualquier tipo de onda electromagnética, tanto en la banda visible como en la no visible. El agujero negro nunca emite ningún tipo de radiación, luz o imagen, es la oscuridad total. La onda ha perdido toda su energía al carecer de frecuencia, y una onda sin crestas es una onda inexistente. El fotón manifiesta una onda plana (muerta), como cuando decimos que un cerebro presenta encefalograma plano al carecer de actividad energética. Por tanto, en el horizonte del agujero, más que frenar e impedir que salga la onda luminosa u otro tipo de onda electromagnética, lo que sucede es que la intensa fuerza gravitatoria de varios miles de millones de ges, anula y sustrae la energía de cualquier onda. Científicamente se dice, que la onda de luz o fotón, a medida que intenta salir del intenso campo gravitatorio para cruzar la circunferencia crítica del agujero negro la onda sufre progresivamente un desplazamiento total hacia el extremo rojo del espectro, donde la longitud de onda se alarga al infinito y la luz se oscurece.

 

De estrella, a agujero negro

Pero, la vida de las estrellas es un continuo y difícil equilibrio entre, por un lado, su tendencia a colapsar hacia el centro por efecto de la atracción gravitatoria de su propia masa y, por el otro, la presión hacia fuera ejercida por la radiación generada por el descomunal reactor de fusión, que en sí, es el núcleo de una estrella. Hoy día, en la edad de oro de los agujeros negros sabemos que las estrellas masivas de como mínimo 15 masas solares y de vida corta, cuando agotan su ciclo energético y todavía les queda una masa residual mayor de 2,2 masas solares, son candidatas a implosionar en agujeros negros. Estas grandes estrellas después de haber quemado el hidrógeno y los últimos «cartuchos» de helio las reacciones nucleares de fusión entran en notable recesión y la presión ejercida por esta radiación, es ya incapaz de sostener las capas externas de la estrella. La contracción gravitatoria vence y estas capas externas de la estrella se derrumban (implosionan) hacia su centro, la explosión de supernova está servida. El denso núcleo de masa residual que queda, irremisiblemente también se derrumba gravitacionalmente hacia su centro. La estructura del átomo ha quedado rota, la corteza exterior de electrones desapareció y la misma densidad ha combinado electrones y protones originando neutrones. Pero ni siquiera la presión de los neutrones estrechamente empaquetados consigue evitar este último colapso o desplome de toda la masa residual, confinándose en una reducida circunferencia. La materia ha sido destruida y condensada en una papilla de neutrones y otras partículas, situada en la singularidad o centro del agujero negro, donde la llamada gravedad de marea y la curvatura espacio-tiempo son allí infinitamente intensas.

ZONAS OBSERVABLES

Agujero negro con disco de acreción

En las cercanías del horizonte de sucesos se suele formar un disco de acrecimiento y la materia que disipa su momento angular en el disco va cayendo al agujero negro (Véase también: Acreción).

La ergosfera es la parte exterior al horizonte de sucesos de la que, en teoría, aún se puede escapar. El horizonte de sucesos es la superficie que marca el límite desde el que ya no se puede escapar.

Describir lo que sucede en el interior de un agujero negro es difícil, ya que nos encontramos ante una singularidad. En principio, al engullir materia un agujero negro está recibiendo masa, carga eléctrica, momento angular y entropía, y debería poder ser definido y clasificado en virtud de estas aportaciones. Un agujero negro sin carga y sin momento angular es un agujero negro de Schwarzschild, mientras que un agujero negro rotatorio (con momento angular mayor que 0), se denomina agujero negro de Kerr.

LA TEORIA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL Y LOS AGUJEROS NEGROS

  Es posible hallar la relación entre la masa y el radio de un agujero negro esférico teniendo en cuenta que la velocidad máxima que puede alcanzar un objeo, según la teoría d ela relatividad, es la velocidad de la luz.

  La velocidad de escape en la superficie de un astro esférico será la velocidad máxima que puede alcanzar un objeto para mantenerse en órbita alrededor del astro. Esto ocurrirá cuando la energía cinética del objeto sea igual a la energía potencial debida a la atracción gravitatoria del astro.

  La energía cinética según la mecánica clásica es

  Ec=½ mv² (1)

y la energía potencial es Ep=GmM/r (2)

siendo v la velocidad del objeto en órbita, m la masa del objeto en órbita, M la masa del astro, r la distancia desde el centro del astro hasta el punto donde se encuentra el objeto en órbita y G la constante de gravitación universal.

  Igualando la energía potencial con la energía cinética y despejando la velocidad obtenemos la ecuación de la velocidad de escape:

(3)

 

entonces para una velocidad de escape igual a la velocidad de la luz c y despejando M/r de la anterior fórmula obtenemos

(4)

como c=2.99793 x 108 m/s y G=6.6732 x 10-11 Nm²/kg² obtenemos que

  M/r=6.734 x 1026 kg/m

que será la relación entre la masa y el radio de un cuerpo esférico para que sea un agujero negro. Con esta relación podemos hallar el radio que deberían tener diversos objetos estelares para ser un agujero negro aunque no se colapsaran en un punto.

TABLA DE RADIOS QUE DEBERÍAN TENER DIFERENTES OBJETOS PARA SER AGUJEROS NEGROS    

MASA RADIO

1 sol (2 x 1030 Kg)  3 Km

25 soles (gigantes azules) 75 Km

1000 soles 3000 Km

107 soles (núcleo galáctico) 3 x 107 Km

1011 soles (galaxia) 3 x 1011Km

  Así podemos ver que si el Sol pudiera ser comprimido hasta ser una esfera de 3 Km de radio se convertiría en un agujero negro.

  Pero esto es mezclar la teoría de relatividad con la mecánica clásica, ya que la ecuación de la energía cinética de un cuerpo según la relatividad especial es diferente a la clásica:

(5)

  Así se obtiene una velocidad de escape relativista (Ver):

(6)

 

  Se observa en esta fórmula que la velocidad de escape nunca podrá alcanzar la velocidad de la luz mas que en un astro de masa infinita o radio cero.

  Pero esto es considerando únicamente la teoría de la relatividad especial. Si tenemos en cuenta la teoría de la relatividad general de Einstein, aparecen unas nuevas consecuencias muy interesantes.

LA RELATIVIDAD GENERAL Y LOS AGUJEROS NEGROS (© Angel Torregrosa Lillo)

  Según la teoría de la relatividad general de Einstein, en las cercanías de una gran masa el tiempo transcurre más despacio debido a la acción gravitatoria.

  Einstein dedujo (como podemos leer en su libro "El significado de la relatividad") la siguiente fórmula

(7)

  siendo x=8 G/c²

  t'= tiempo transcurrido a una distancia r del centro de gravedad de la masa (un astro) productora del campo gravitatorio

  t= supuesto tiempo objetivo (transcurrido en las lejanías del campo gravitatorio)

= densidad del astro

  V0 = Volumen del astro

  r = distancia desde el centro del astro hasta el punto del espacio que estamos analizando.

  Entonces sustituyendo x por su valor se obtiene

(8)

  y como  es la masa M del astro dividida por el radio r, se obtiene

(9)

(ecuación que suele ser deducida actualmente a partir de la métrica de Schwarzschild para la relatividad general)

  y como según la ecuación (3) 2GM/r = ve2 , siendo ve la velocidad de escape clásica a

la distancia r del centro del astro, obtenemos

(10)   (Se puede hacer otra deducción de esta fórmula, más didáctica, por medio del principio de equivalencia)

  De aquí se deduce que a medida que un cuerpo se acerca a un astro el tiempo transcurre más despacio para éste cuerpo, en función de la velocidad de escape del astro (desde un punto de vista clásico), de modo que cuando se llegue a una distancia tal

que la velocidad de escape clásica sea igual a la velocidad de la luz, el tiempo se detendrá para el objeto situado en ese lugar. O sea para r=2GM/c2 que es el llamado radio de Schwarchild. Podemos ver que si de esta expresión despejamos M/r se obtiene la misma relación que obtuvimos por medio de la física clásica y límite de velocidad de la luz en el apartado sobre la relatividad especial y los agujeros negros. Por esto los valores de la tabla de dicho apartado son válidos.

  Aparece así una superficie esférica alrededor del agujero negro en la cual el tiempo se detiene. Esta superficie esférica es el llamado horizonte de sucesos del agujero negro.

  Al atravesar este horizonte el tiempo vuelve a existir pero con componentes imaginarias (el cálculo del tiempo transcurrido en el interior del horizonte de sucesos nos lleva a una raíz cuadrada de un numero negativo), lo cual nos lleva a pensar que el tiempo transcurre en el interior de un agujero negro tal vez en una quinta dimensión perpendicular tanto a las tres espaciales como a la temporal normal.

  Además la teoría de la relatividad general nos dice que el espacio se curva alrededor de una masa de tal forma que un rayo de luz que pasara rozando esa masa se desviaría el doble de lo que lo haría si estuviera afectado por la gravedad desde un punto de vista clásico (como partícula). Así Einstein obtuvo realizando algunas aproximaciones que la desviación era:

(11)

que nos proporciona un ángulo de 1,75 segundos de grado en un rayo de luz que pase rozando el sol. Esto fue comprobado mediante la observación de eclipses.

También se obtiene que la luz emitida por una estrella debe tener un espectro algo desplazado hacia el rojo, o sea que la luz emitida tendrá una frecuencia menor de lo normal debido a que todos sus electrones vibrarán con más lentitud a causa de sea detención parcial del tiempo obteniendo la fórmula:

Podemos apreciar que si el radio fuera 2GM/c2 (radio del horizonte de sucesos) la frecuencia sería cero y por lo tanto no veríamos la luz procedente de la estrella, un motivo más para que algo sea llamado "agujero negro".

Se calcula que para dicho radio la curvatura del espacio sería tal que la luz quedaría atrapada en el agujero. De esta forma al acercarnos al horizonte de sucesos las tres coordenadas espaciales normales se curvan de tal forma que cualquier movimiento en el interior del agujero se produciría en dirección hacia el centro de éste.

  De este modo todo lo que traspase el horizonte de sucesos no podrá salir jamás.

LA ENTROPÍA EN LOS AGUJEROS NEGROS

Según 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.

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

Los agujeros negros son esa quimera que la ciencia aun no ha conseguido dilucidar.

Se explican los fenómenos físicos mediante dos teorías que se contradicen entre ellas; la mecánica cuántica, que explica la naturaleza de lo muy pequeño donde manda el caos y la estadística. Y la relatividad general, que explica la naturaleza de lo muy pesado y que afirma que en todo momento se puede saber con exactitud donde esta un cuerpo.

Cualquiera de estas teorías están experimentalmente confirmadas pero ¿qué que pasa al intentar explicar la naturaleza de un agujero negro? ¿Se aplica la cuántica por ser algo muy pequeño o la relatividad por ser algo tan pesado?

Esta claro que hasta que no se tenga una física mas avanzada no se conseguirá explicar realmente la naturaleza de este fenómeno.

CONCLUSIONESLos agujeros negros son cuerpos con un campo gravitatorio extraordinariamente grande.No puede escapar ninguna radiación electromagnética ni luminosa, por eso son negros.

Están rodeados de una "frontera" esférica que permite que la luz entre pero no salga.

Hay dos tipos de agujeros negros: cuerpos de alta densidad y poca masa concentrada en un espacio muy pequeño, y cuerpos de densidad baja pero masa muy grande, como pasa en los centros de las galaxias.

Si la masa de una estrella es más de dos veces la del Sol, llega un momento en su ciclo en que ni tan solo los neutrones pueden soportar la gravedad. La estrella se colapsa y se convierte en agujero negro.

Si un componente de una estrella binaria se convierte en agujero negro, toma material de su compañera. Cuando el remolino se acerca al agujero, se mueve tan deprisa que emite rayos X. Así, aunque no se puede ver, se puede detectar por sus efectos sobre la materia cercana

Los agujeros negros no son eternos. Aunque no se escape ninguna radiación, parece que pueden hacerlo algunas partículas atómicas y subatómicas.

Alguien que observase la formación de un agujero negro desde el exterior, vería una estrella cada vez más pequeña y roja hasta que, finalmente, desaparecería. Su influencia gravitatoria, sin embargo, seguiría intacta.

Como en el Big Bang, en los agujeros negros se da una singularidad, es decir, las leyes físicas y la capacidad de predicción fallan. En consecuencia, ningún observador externo puede ver qué pasa dentro.

Las ecuaciones que intentan explicar una singularidad de los agujeros negros han de tener en cuenta el espacio y el tiempo. Las singularidades se situarán siempre en el pasado del observador (como el Big Bang) o en su futuro (como los colapsos gravitatorios). Esta hipótesis se conoce con el nombre de "censura cósmica".