Los Agujeros Negros : Explicados de una manera simple
En un enfoque de la física clásica, los agujeros negros u hoyos negros son objetos celestes con una masa muy grande -algunos de ellos con cientos de veces la masa del Sol- que ocupan un espacio muy pequeño.
Su campo gravitacional es tan intenso que ni siquiera la velocidad de la luz es mayor que su velocidad de escape.
Con esto, la luz que entra en un hoyo negro ya no puede salir, por lo que no puede ser observada por las técnicas habituales que analizan la luz emitida o reflejada por los objetos celestes.
Un físico y astrónomo alemán llamado Karl Schwarzschild propuso la versión moderna de un agujero negro en 1915 después de encontrar una solución exacta a las aproximaciones de la relatividad general de Einstein.
¿Y qué es la velocidad de escape?
Llamamos velocidad de escape a aquella cuya intensidad es suficiente para que un objeto «escape» de la acción del campo gravitacional. La velocidad de escape en la superficie de la Tierra es de aproximadamente 11,2 km/s; para que un objeto se libere de la acción de la gravedad en nuestro planeta, debe ser lanzado a una velocidad mayor que ésta.
Si no se puede ver el agujero negro, ¿cómo se detecta?
La observación de un hoyo negro ocurre de manera indirecta, porque lo que podemos ver son los efectos que causa en regiones cercanas. Debido a su inmenso campo gravitacional, otros cuerpos tienden a ser atraídos por él. Medir la velocidad con la que los objetos se mueven hacia ellos en regiones vecinas es posible para descubrir su masa.
Cuando un hoyo negro absorbe materia de cuerpos cercanos, esta materia se comprime, se calienta significativamente y emite una gran cantidad de radiación de rayos X. Las primeras detecciones de los agujeros negros se hicieron con sensores que capturaron esta emisión de rayos X.
Ya hay fuertes indicios de que hay agujeros negros supermasivos en el centro de algunas galaxias espirales, incluyendo algunos científicos que creen que hay uno de estos agujeros negros en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Tipos de agujeros negros
Hay cuatro tipos de agujeros negros: estelares, intermedios, supermasivos y en miniatura.
Sin embargo, el físico teórico alemán Albert Einstein formuló un conjunto de hipótesis relacionadas con la gravitación que sirvieron de base para el surgimiento de la física moderna. Este conjunto de ideas se denominó Teoría de la Relatividad General, en la que el científico realizó varias observaciones innovadoras sobre los efectos gravitacionales de los agujeros negros.
Para Einstein, los hoyos negros son «deformaciones en el espacio-tiempo causadas por la enorme cantidad de materia concentrada». Sus teorías promovieron un rápido progreso en el campo y permitieron la clasificación de diferentes tipos de agujeros negros, según Einstein:
El Agujero Negro de Schwarzschild
Los agujeros negros de Schwarzschild son aquellos que no tienen carga eléctrica ni impulso angular, es decir, que no giran alrededor de su eje.
El agujero negro de Kerr
Los agujeros negros de Kerr no tienen carga eléctrica pero giran alrededor de su eje.
El agujero negro de Reissner-Nordstrom
Los agujeros negros de Reissner-Nordstrom están cargados eléctricamente pero no giran alrededor de su eje.
El agujero negro de Kerr-Newman
Los hoyos negros de Kerr-Newman están cargados eléctricamente y giran alrededor de su eje.
En teoría, todos los tipos de agujeros negros eventualmente se convierten en agujeros negros de Schwarzschild (estáticos y sin carga) cuando pierden suficiente potencia y dejan de girar. Este fenómeno se conoce como el Proceso Penrose. En tales casos, la única manera de diferenciar un agujero negro de Schwarzschild de otro es midiendo su masa.
¿Cómo se forma un agujero negro?
Los agujeros negros se forman a partir de los colapsos gravitacionales de los cuerpos celestes. Estos fenómenos ocurren cuando la presión interna de un cuerpo (normalmente estrellas) es insuficiente para mantener su propia masa. Así, cuando el núcleo de la estrella colapsa debido a la gravedad, el cuerpo celeste explota liberando grandes cantidades de energía en un evento conocido como supernova.
Durante la supernova, en una fracción de segundo, toda la masa de la estrella se comprime en su núcleo a medida que se mueve a aproximadamente 1/4 de la velocidad de la luz (incluyendo, que es en este mismo momento cuando se crean los elementos más pesados del universo).
Entonces, la explosión dará lugar a una estrella de neutrones o, si la estrella es lo suficientemente grande, el resultado será la formación de un agujero negro, cuya cantidad astronómica de masa concentrada crea el mencionado campo gravitacional. En ella, la velocidad de escape (la velocidad necesaria para que alguna partícula o radiación resista la atracción) debe ser al menos mayor que la velocidad de la luz.
Tamaños de agujeros negros: ¿Qué tan grande es un agujero negro?
Hay un par de maneras diferentes de conceptualizar lo «grande» que es algo. La primera es la masa de un objeto (cuánta materia contiene) y la segunda es su volumen (cuánto espacio ocupa). Sin embargo, el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro depende directamente de su masa, por lo que en este caso podemos responder a la pregunta «¿Qué tan grande es un agujero negro?
Diferentes tipos de agujeros negros tienen masas muy diferentes. Los agujeros negros de masa estelar están típicamente en el rango de 10 a 100 masas solares, mientras que los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias pueden ser millones o miles de millones de masas solares. El agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, Sagitario A*, es de 4,3 millones de masas solares. Este es el único agujero negro cuya masa se ha medido directamente observando la órbita completa de una estrella en círculo. Los agujeros negros crecen al acumular la materia circundante y al fusionarse con otros agujeros negros.
Debido a que hay un salto tan grande en el tamaño de los agujeros negros, entre la masa estelar y los agujeros negros supermasivos, se ha formulado la hipótesis de que también existe una clase de agujeros negros de masa intermedia. Los agujeros negros serían cientos o miles de masas solares. Hay un par de posibles agujeros negros de masa intermedia, como el HLX-1, que se estima en 20.000 masas solares.
Otra clase hipotética de agujeros negros son los agujeros negros primordiales, que se habrían formado a partir de las fluctuaciones de densidad en el universo primitivo. Generalmente, habrían sido tan pequeñas (la masa mínima sería la masa de Planck) que sólo pueden ser descritas apropiadamente usando la mecánica cuántica. Pero los agujeros negros se evaporan a través de un proceso llamado Radiación Hawking. La rapidez de evaporación de un agujero negro depende de su masa: cuanto menos masivo sea un agujero negro, más rápidamente se evapora. Para que un agujero negro primordial haya sobrevivido hasta el día de hoy, tendría que contener unos pocos miles de millones de toneladas de masa, con un radio comparable al de un núcleo atómico.
Bebés y gigantes
Aunque se entiende el proceso de formación básica, un misterio perenne en la ciencia de los agujeros negros es que parecen existir en dos escalas de tamaño radicalmente diferentes. En un extremo están los innumerables agujeros negros que son los remanentes de las estrellas masivas.
Esparcidos por todo el Universo, estos agujeros negros de «masa estelar» son generalmente de 10 a 24 veces más masivos que el Sol. Los astrónomos los ven cuando otra estrella se acerca lo suficiente para que parte de la materia que la rodea quede atrapada por la gravedad del agujero negro, produciendo rayos X en el proceso. La mayoría de los agujeros negros estelares, sin embargo, llevan vidas aisladas y son imposibles de detectar. Sin embargo, a juzgar por el número de estrellas lo suficientemente grandes como para producir tales agujeros negros, los científicos estiman que sólo en la Vía Láctea hay entre diez millones y mil millones de tales agujeros negros.
Estructura de un agujero negro
Los hoyos negros son invisibles ya que su campo gravitacional es ineludible incluso en la luz. Así, un agujero negro tiene la apariencia de una superficie oscura desde la cual nada se refleja y no hay evidencia de lo que sucede con los elementos que son absorbidos por él. Sin embargo, a partir de la observación de los efectos que provocan en su entorno, la ciencia estructura los agujeros negros en el horizonte de eventos, la singularidad y la ergosfera.
¿Que es el Horizonte de eventos?
El límite del campo gravitacional del agujero negro desde el que no se observa nada se denomina horizonte de sucesos o punto de no retorno.
A pesar de ser, de hecho, sólo consecuencias gravitacionales, el horizonte de los acontecimientos se considera parte de la estructura de un agujero negro porque es el comienzo del área observable del fenómeno.
Se sabe que su forma es perfectamente esférica en agujeros negros estáticos y oblicuos en agujeros negros giratorios.
Debido a la dilatación gravitacional del tiempo, la influencia que la masa del agujero negro ejerce sobre el espacio-tiempo hace que el horizonte de los acontecimientos, incluso fuera de su radio de alcance, provoque los siguientes efectos:
- Para un observador distante, un reloj cerca del horizonte de sucesos se movería más lentamente que un reloj más lejos. Por lo tanto, cualquier objeto que sea succionado en el agujero negro parecería ralentizarse hasta que aparezca paralizado en el tiempo.
- Para un observador distante, el objeto que se aproxima al horizonte de sucesos asumiría un tono rojizo, consecuencia del fenómeno físico conocido como desviación al rojo, ya que la frecuencia de la luz se reduce por el campo gravitacional del agujero negro.
- Desde el punto de vista del objeto, el tiempo pasaría a una velocidad acelerada para todo el universo, mientras que para sí mismo, el tiempo pasaría normalmente.
La Singularidad
El punto central de un agujero negro, donde la masa de la estrella se ha concentrado infinitamente, se llama singularidad, de la que se sabe poco. En teoría, la singularidad contiene la masa total de la estrella que colapsó, sumada a la masa de todos los cuerpos aspirados por el campo gravitacional, pero no tiene volumen ni superficie.
Ergosfera
La ergosfera es una zona que elude el horizonte de los acontecimientos en los agujeros negros giratorios, en los que es imposible que un cuerpo celeste permanezca inmóvil.
Aún así, según la relatividad de Einstein, cualquier objeto giratorio tiende a arrastrar el espacio-tiempo cerca de él. En un agujero negro giratorio, este efecto es tan fuerte que sería necesario que un cuerpo celeste se moviera en la dirección opuesta a una velocidad mayor que la de la luz para permanecer inmóvil.
Es importante no confundir los efectos de la ergosfera con los efectos del horizonte de sucesos. La ergosfera no atrae objetos con el campo gravitacional. Así, cualquier cosa que entre en contacto con él sólo será desplazada en el espacio-tiempo y sólo será atraída si cruza el horizonte de sucesos.
Un agujero negro no es como los otros
Los agujeros negros supermasivos, predichos por la teoría general de la relatividad de Einstein, pueden tener masas iguales a miles de millones de soles; estos monstruos cósmicos probablemente se esconden en los centros de la mayoría de las galaxias. La Vía Láctea alberga su propio agujero negro supermasivo en su centro conocido como Sagitario A* (pronunciado «ay star») que es más de cuatro millones de veces más masivo que nuestro sol.
Los miembros más pequeños de la familia de los agujeros negros son, hasta ahora, teóricos. Estos pequeños vórtices de oscuridad pueden haberse arremolinado a la vida poco después de que el universo se formó con el Big Bang, hace unos 13.700 millones de años, y luego se evaporaron rápidamente. Los astrónomos también sospechan que una clase de objetos llamados agujeros negros de masa intermedia existen en el universo, aunque la evidencia para ellos es hasta ahora discutible.
Y para finalizar…
Los agujeros negros tienen su opuesto, y son los Agujeros Blancos.
Donde el horizonte de sucesos de un agujero negro es el límite en el que su fuerza gravitacional impide que la luz alcance la velocidad de escape, el horizonte de sucesos de un agujero blanco impide que entre algo.
No puedes escapar de un agujero negro. No puedes entrar en un agujero blanco. Así que, donde un agujero negro está absorbiendo materia, un agujero blanco la está expulsando.
