Agujeros Negros
Un agujero u hoyo negro es una región del espacio 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 radiaciones de rayos X, lo cual fue demostrado en 1976, con el descubrimiento de Cygnus X-1.
La gravedad de un agujero negro o curvatura del espacio-tiempo provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es previsto por las ecuaciones del 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 setenta, 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, su carga eléctrica total y su momento angular.
Los agujeros negros proceden de un proceso de colapso gravitatorio que fue ampliamente estudiado a mediados del siglo XXpor diversos científicos. Dicho proceso comienza posteriormente a la muerte de una gigante roja (estrella de gran masa). 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 dicho punto este 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 de reunir una fuerza de atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz en ésta.
El concepto de un cuerpo tan denso que ni la luz pudiese escapar de él fue descrito en un artículo enviado en 1783a 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 teoría 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 influida por la interacción gravitatoria. Unos meses después, Karl Schwarzchild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzchild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira. En 1930 SubrahmanyanChadrasekhar demostró que un cuerpo con una masa crítica y que no emitiese radiación colapsaría por su propia gravedad, porque no habría nada que se conociera que pudiera frenarla. 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 de haber algo inevitablemente pusiera freno al colapso, línea aceptada 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. En 1967 Stephan Hawling 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. En 1969 John Wheeler acuñó el término agujero negro durante una reunión de cosmólogos en Nueva York.
Según su origen, teóricamente pueden existir al menos tres clases de agujeros negros:
La gravedad de un agujero negro o curvatura del espacio-tiempo provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es previsto por las ecuaciones del 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 setenta, 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, su carga eléctrica total y su momento angular.
Los agujeros negros proceden de un proceso de colapso gravitatorio que fue ampliamente estudiado a mediados del siglo XXpor diversos científicos. Dicho proceso comienza posteriormente a la muerte de una gigante roja (estrella de gran masa). 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 dicho punto este 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 de reunir una fuerza de atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz en ésta.
El concepto de un cuerpo tan denso que ni la luz pudiese escapar de él fue descrito en un artículo enviado en 1783a 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 teoría 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 influida por la interacción gravitatoria. Unos meses después, Karl Schwarzchild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzchild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira. En 1930 SubrahmanyanChadrasekhar demostró que un cuerpo con una masa crítica y que no emitiese radiación colapsaría por su propia gravedad, porque no habría nada que se conociera que pudiera frenarla. 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 de haber algo inevitablemente pusiera freno al colapso, línea aceptada 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. En 1967 Stephan Hawling 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. En 1969 John Wheeler acuñó el término agujero negro durante una reunión de cosmólogos en Nueva York.
Según su origen, teóricamente pueden existir al menos tres clases de agujeros negros:
- Agujeros negros supermasivos: con masas mayores que varios millones de masas solares. Se hallarán 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 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 onjetos hipotéticos algo más pequeños que los estelares. Si son suficientemente pequeños pueden llegar a evaporarse en un período relativamente corto mediante emisión de radiación 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 las del Sol.
Según sus propiedades físicas se divide en:
- El agujero negro más sencillo posible es el agujero negro de Schwarzchild, que no rota ni tiene carga
- Si no gira pero posee carga eléctrica, se habla del agujero negro de Reissner Nordstrom
- Un agujero negro en rotación pero sin carga es un agujero negro de Kerr
- Si además posee carga, hablamos de un agujero negro de Kerr-Newman
En las cercanías de un agujero negro se suele formar un disco de acercamiento, 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.
En cuanto a la luz que atraviesa la zona del disco, también se ve afectada, según la teoría de la Relatividad. 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 dentro de un agujero negro, solo se puede imaginar, suponer y observar sus efectos sobre la materia y la energía en las zonas extremas y cercanas al horizonte de sucesos y 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 tiene asociado un nivel de entropía. Stephan Hawking propone de que la única forma de que no aumente 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.
Hasta 1970 se pensaba que los agujeros negros no emitían directamente ningún tipo de materia, y su destino último era seguir creciendo por la acreación de más y más materia. Sin embargo, una consideración de los efectos cuánticos en el horizonte de sucesos de un agujero negro 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 posibilidad 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 sucesos. Es de notar de 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 pueda abandonar el interior de dicho agujero.
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| Un agujero negro tragándose a una estrella |
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