Agujeros Negros

Agujeros Negros
Los agujeros negros -- que no son tan negros-- son una predicción
derivada de la teoría de la relatividad general de Einstein, la teoría
moderna de la gravedad. Los agujeros negros son singularidades que
para los cálculos físicos y matemáticos tradicionales no tienen un
comportamiento predecible, únicamente la teoría de la relatividad se
asemeja a dicho comportamiento. Pueden haber más agujeros negros
que estrellas visibles en nuestro universo. Los agujeros negros pudieron
ser formados por las irregularidades en la expansión de nuestro
universo o por el colapso gravitacional de una estrella muy masiva.
Debido a las propiedades de los agujeros negros, se han creado muchas
teorías y especulaciones sobre la posibilidad de viajar en el tiempo y el
espacio a otro universo (una región del espacio-tiempo diferente de la
nuestra) a través de ellos.
¿QUÉ ES UN AGUJERO NEGRO?
Un agujero negro es un cuerpo celeste con un campo gravitatorio tan
fuerte que ni siquiera la radiación electromagnética puede escapar de su
proximidad. Un campo de estas características puede corresponder a un
cuerpo de alta densidad con una masa relativamente pequeña - como la
del Sol o menor- que está condensada en un volumen mucho menor, o a
un cuerpo de baja densidad con una masa muy grande, como una
colección de millones de estrellas en el centro de una galaxia.
Es un “agujero” porque las cosas pueden caer, pero no salir de él, y es
negro porque ni siquiera la luz puede escapar. Otra forma de decirlo es
que un agujero negro es un objeto para el que la velocidad de escape es
mayor que la velocidad de la luz, conocido como el ultimo límite de
velocidad en el universo.
Todo agujero negro está rodeado por una frontera llamada “horizonte de
eventos”, de la cual no se puede escapar. Cualquier evento que ocurra
en su interior queda oculto para siempre para alguien que lo observe
desde afuera. El astrónomo Karl Schwarzschild demostró que el radio
del horizonte de eventos, en kilómetros, es tres veces la masa
expresada en masas solares; esto es lo que se conoce como el radio de
Schwarzschild. Este radio es un filtro unidireccional, pues cualquier cosa
puede entrar, pero no salir. La masa de un cuerpo y su radio de
Schwarzschild son directamente proporcionales.
Además según la relatividad general, la gravitación modifica el espacio tiempo en las proximidades del agujero.
Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espín
y carga eléctrica. La forma de la material en un agujero negro no se
conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte
porque, en teoría, la material continuaría colapsándose hasta tener radio
cero, punto conocido como singularidad, de densidad infinita, con lo cual
no se tiene experiencia en la Tierra.
En teoría, los agujeros negros vienen en tres tamaños: mini agujeros
negros, agujeros negros medianos y agujeros negros supermasivos.
En 1971, Stephen Hawking teorizó que en la densa turbulencia creada
por el fenómenos conocido como Big Bang, se formaron presiones
externas las cuales ayudaron en la formación de los mini agujeros
negros. Éstos serían tan masivos como una montaña, pero tan pequeños
como un protón; radiarían energía espontáneamente, y después de
miles de millones de años finalizarían con una violenta explosión.
Por otro lado, hay buena evidencia de que los agujeros negros medianos
se forman como despojos de estrellas masivas que colapsan al final de
sus vidas; y de que existen agujeros negros supermasivos en los
núcleos de muchas galaxias, incluyendo, de la nuestra, el cual se ha
establecido que tiene una masa de 2.5 millones de veces la del Sol.
Estos agujeros negros supermasivos tienen un horizonte de eventos mas
o menos igual al tamaño del Sistema Solar.
Contradiciendo al mito popular, un agujero negro no es una depredador
cósmico, ni de carroñas, ni de exquisiteces espaciales. Si el Sol se
pudiera convertir en un agujero negro de la misma masa, la única cosa
que sucedería sería un cambio de la temperatura de la Tierra. La
frontera de un agujero negro no es una superficie de material real, sino
una simple frontera matemática de la que no escapa nada, ni la luz que
atraviese sus límites, se llama el horizonte de eventos; cualquier
fenómeno que ocurra pasada esa frontera jamás podrá verse fuera de
ella. El horizonte de suceso es unidireccional: se puede entrar, pero
jamás salir
FORMACIÓN DE UN AGUJERO NEGRO
Para entender la formación de un agujero negro, es importante entender
el ciclo de formación de una estrella. Una estrella se forma al
concentrarse una gran cantidad de gas, principalmente hidrógeno, las
cuales, por gravedad empiezan a colapsarse entre si. Los átomos
comienzan a chocar unos con otros, lo cual hace que el gas se caliente,
tanto que luego de un tiempo las partículas de hidrógeno forman
partículas de helio por fusión nuclear. Este calor hace que la estrella
brille y que la presión del gas sea suficiente para equilibrar la gravedad
y el gas deja de contraerse. Las estrellas permanecerán estables de esta
forma por un largo periodo de tiempo, y mientras mas combustible
tenga la estrella, más rápido se consume, debido a que tiene que
producir mas calor.
Subrahmanyan Chandrasekhar, calculó lo grande que podría llegar a ser
una estrella que fuera capaz de soportar su propia gravedad, antes de
que se acabe su combustible. Descubrió una masa (aproximadamente
1.5 veces la masa del Sol) en la que una estrella fría no podría soportar
su gravedad. Esto es lo que se conoce como el límite de Chandrasekhar.
Si una estrella posee una masa menor a la del limite de Chandrasekhar,
puede estabilizarse y convertirse en una enana blanca, con un radio de
pocos kilómetros y una densidad de toneladas por cm3. Las estrellas de
neutrones también están dentro del límite de Chandrasekhar, siendo
para estas 3 masas solares, y se mantienen por la repulsión de
electrones. Su densidad es de millones de toneladas por cm3 , aquí se
incluyen los púlsares, los cuales son estrellas de neutrones en rotación.
En 1939, Robert Openheimer describió lo que le sucedería a una estrella
si estuviera por fuera del límite de Chandrasekhar. El campo gravitatorio
de la estrella cambia los rayos de luz en el espacio - tiempo, ya que los
rayos de luz se inclinan ligeramente hacia dentro de la superficie de la
estrella. Cada vez se hace más difícil que la luz escape, y la luz se
muestra más débil y roja para un observador. Cuando la estrella alcanza
un radio crítico, el campo gravitatorio crece con una intensidad que la
luz ya no puede escapar. Esta región es llamada hoy un agujero negro.
Si entendemos lo que significa la gravedad como 4ª dimensión y
entendemos la curvatura del universo, un agujero negro sería un lugar
en el cual la curvatura sería infinita.
Dentro del horizonte de eventos, el espacio está tan curvo que nada se
puede escapar.
¿CÓMO PUEDE OBSERVARSE UN AGUJERO
NEGRO?
Los agujeros negros tienen masa, la cual produce una fuerza
gravitacional que afecta a objetos cercanos. La fuerza gravitacional debe
ser muy intensa cerca de los agujeros negros, y podrían verse los
efectos en su ambiente. El material que cae dentro del agujero negro, y
sería aplastado y calentado al tratar de colarse en la pequeña garganta
del agujero negro, por lo que produciría rayos-X. El primer ejemplo de
un agujero negro fue descubierto precisamente por ese efecto
gravitacional en una estrella acompañante, en 1971.
La explicación o "modelo" que mejor se ajusta a estos hechos es que la
compañera es un agujero negro de cerca de 10 masas solares, el
cadáver de una estrella masiva que alguna vez fue la compañera de
HDE 226868. Los rayos X son producidos conforme el gas de la
atmósfera de la supergigante azul cae hacia el objeto colapsado y se
calienta. El objeto colapsado no puede ser una enana blanca o una
estrella de neutrones, porque estos objetos no pueden tener masas
mayores de 1.44 y 3 masas solares, respectivamente. Nunca podremos
"probar" esta teoría de Cygnus X-1 "viendo" el agujero negro, pero la
evidencia circunstancial es fuerte. Otros tres objetos: LMC X-3 en la
Nube Mayor de Magallanes, y A0620-00 y V404 Cygni en nuestra
galaxia, también se cree que tienen agujeros negros como una de sus
componentes.
A pesar de la dificultad al descubrir los agujeros negros, se estima con
certeza que muchas estrellas a través del tiempo en el universo han
perdido toda su energía y han tenido que colapsarse. Tal vez el número
de agujeros negros es más grande que el número de estrellas visibles.
El horizonte de eventos esta formado por los caminos en el espacio tiempo de los rayos de luz que no alcanzan a escapar. Los rayos de luz
que están en esta frontera se moverán eternamente, sin embargo no
podrían chocar entre sí por que los dos rayos de luz serían absorbidos
por el agujero, así los "caminos luminosos" se mueven en forma
paralela, al nunca acercarse entre sí, el horizonte permanece constante
o va aumentando con el tiempo. Al caer materia dentro del agujero
negro el área del horizonte de eventos aumenta.
EVIDENCIA
Diferentes equipos de astrónomos han anunciado haber encontrado
evidencias que permiten casi, prácticamente, asegurar la existencia de
los agujeros negros en el universo. Junto a las detecciones de rayos X y
gamma, se ha sumado el monitoreo que ha efectuado el Hubble Space
Telescope (HST), con los nuevos instrumentos instalados en él sobre 27
galaxias cercanas, en las cuales, en algunas de ellas, se han podido
detectar rastros de la desaparición de un sinnúmero de estrellas y otras
que están siguiendo el mismo destino, como si fueran engullidas por un
poderoso motor termonuclear. También, se ha podido comprobar en el
espacio la existencia muy precisa de un disco de acreción de un
diámetro de un quinto de año luz --prueba sólida de la existencia de un
agujero negro-- ubicado en la galaxia 3C390.3, situada a 1.000 millones
de años luz de la Tierra. El satélite IUE de exploración ultravioleta de la
Agencia Europea del Espacio fue el que hizo el hallazgo y además pudo
medirlo. En nuestra galaxia, La Vía Láctea, desde el año 1990 sabemos
de evidencias de contar con un cohabitante agujero negro, ubicado a
unos 300 años luz desde la Tierra; lo detectó el telescopio Sigma y por
su magnitud se le llamó "el gran aniquilador". Recientemente se han
descubierto pruebas concluyentes de la existencia de un inmenso
agujero negro en el centro de la galaxia elíptica gigante M87, que se
encuentra a unos 57 millones de años luz de la Tierra en la constelación
de Virgo. Se estima que este agujero negro tiene una masa equivalente
a la de 3.000 millones de soles, compactada en un espacio de unas 11
horas-luz de diámetro.
Pero mayores evidencias sobre posibles agujeros negros siguen
apareciendo. Una de las más relevantes registrada recientemente es la
encontrada en la galaxia activa NGC 6251, ubicada a 300 millones de
años luz desde la Tierra en la constelación de Virgo. Una sorprendente
visión reportada por el Telescopio Espacial Hubble de un disco o anillo
de polvo, urdido por efectos gravitatorios, que se trasluce a través de la
emisión de un chorro de luz ultravioleta que estaría emanando desde un
posible agujero negro.
Se trata de un fenómeno nuevo para los investigadores observadores
del cosmos. Anteriormente, todo lo que se había podido detectar como
evidencia de la existencia de un agujero negro era la detección de los
efectos gravitatorios que éste genera en los objetos que van siendo
atraídos a traspasar el horizonte de eventos, formando en ello una
especie de disco de circunvalación constituido como una “dona” que
conforma un capullo que rodea a algo gravitatoriamente poderoso, pero
que de ello solamente era factible distinguir la luz intensiva que emana
desde los gases calientes que ya se encuentran atrapados por la
gravedad del agujero negro, el cual se hallaría empotrado en medio de
la “dona”.
Pero lo que encontró el Hubble, es bastante más de lo que
anteriormente habíamos podido ver sobre un agujero negro. En esta
ocasión, se ha podido observar como ese agujero ilumina el disco de
circunvalación que lo rodea, cuestión esta última, no muy extraña para
una gran mayoría de físicos teóricos. En las tomas del Hubble se puede
distinguir luz ultravioleta reflejándose sobre un lado del disco, el cual se
encontraría urdido como la parte superior de un sombrero.
Tal urdidura podría ser producto de perturbaciones gravitacionales que
se estuvieran generando en el núcleo de la galaxia que almacena el
disco, o bien, al pressing que genera el eje de rotación del agujero
negro sobre el de la galaxia.
Si bien todavía no se conocen las posibles medidas de este agujero
negro, las evidencias de su existencia se encuentra en la poderosa
emisión que se detecta en la eyección de radiaciones que alcanza un
espacio de tres millones de años luz y de las partículas que se han visto
emanar desde la ubicación del agujero negro en el eje mismo de esta
galaxia activa elíptica. Se piensa que muchas galaxias denominadas
activas son la cuna de una apreciable cantidad de agujeros negros.
Dentro del horizonte de eventos, el espacio está tan curvo que nada se puede
escapar.