AGUJEROS NEGROS

AGUJEROS
NEGROS
Introducción
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El término "agujero negro" fue inventado por
el astrofísico John Archibald Wheeler en
1969.
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.
Enfatizado sus aspectos exóticos
inapropiadamente.
Mitos y leyendas (misteriosos embudos,
túneles del tiempo, viajes a otros universos,
otras dimensiones...)
Gravedad
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El mundo físico puede ser descrito en términos de cuatro fuerzas
básicas.
– Dos de ellas están relacionadas con la estructura interna de los
átomos.
– La tercera, la fuerza electromagnética, domina la interacción de los
átomos unos con otros.
– La cuarta, y la más débil de estas fuerzas, es la gravedad. Sólo es
significativa cuando enormes números de átomos están juntos. La
gravedad es la fuerza dominante en las vidas y muertes de
estrellas y galaxias.
Cualquier átomo tiene una propiedad llamada masa, que mide cuánto
material hay en el objeto. La gravedad produce la sensación de peso.
En la Luna es de sólo un sexto del que hay en la Tierra, de modo que
el peso depende de dónde se está, mientras que la masa es una
propiedad intrínseca de todos los objetos.
Isaac Newton describió la gravedad. En 1915 Albert Einstein cambió
nuestra idea de lo que es la gravedad, pero la descripción de Newton
es adecuada.
La gravedad es una fuerza de atracción universal que causa que los
objetos "caigan" y que trata de juntar los objetos como estrellas y
galaxias. Es probable que tenga éxito, a menos que se le oponga
alguna otra fuerza.
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Fue esbozado por primera vez por el físico inglés John Michell en 1783.
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, 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 siendo aparcado en el olvido.
En la primera decada del siglo XX (1905), Albert Einstein publicó la
teoría de la relatividad, la cual brindó a los astrónomos la posibilidad de
poder entender los descubrimientos que se realizarían posteriormente.
Un de ellos fue la existencia de los agujeros negros.
Desde la perspectiva de la teoría de la relatividad, ni la física ni las
matemáticas que conocemos se cumplen.
Las cosas no funcionan siguiendo nuestra lógica, por lo que convierte a
los agujeros negros en un fenómeno más que interesante.
Imaginar
Tener un movimiento cuya distancia no
puede ser medida.
 Tener un disco compacto con cinco caras y
que pueda ser a la vez bidimensional.
 ¿Qué pasará con los agujeros negros en el
universo?
 ¿Cómo se comportan?
 ¿Qué tamaño tienen?
 ¿Acabarán con la existencia del universo?

¿Pero qué son?
¿Existen en realidad?
Definición y características
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Son lugares en el espacio donde su gravedad es tan fuerte que ni la luz no
puede escapar.
Tienen una enorme cantidad de masa concentrada en un espacio muy
reducido, como comprimir la masa de una gigantesca montaña en un
centímetro cúbico.
Un agujero negro es un cuerpo celeste con un campo gravitatorio tan fuerte
que ni siquiera la radiación electromagnética puede escapar de su
proximidad, de alta densidad con una masa pequeña, 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.
Todo agujero negro está rodeado por una frontera llamada horizonte, que es
la región de la que no se puede escapar, si algo permanece afuera del
horizonte puede evitar ser absorbido.
La luz puede entrar a través del horizonte, pero no puede salir, por lo que
parece ser completamente negro.
La gravitación modifica el espacio y el tiempo. Cuando un observador se
acerca al horizonte desde el exterior, el tiempo se retrasa con relación al de
observadores a distancia, deteniéndose completamente en el horizonte.
En la parte exterior del horizonte se forma una ergosfera, dentro de la cual
la materia se ve obligada a girar con el agujero negro. En principio, la
energía sólo puede ser emitida por la ergosfera.
Historia
Cronología de
conceptos

A finales del siglo XVII, Isaac Newton
unió el cielo y la Tierra. Basándose en
los estudios del movimiento de los
planetas hechos por Tycho Brahe y
Johannes Kepler, dedujo la existencia
de una fuerza que hacía que el Sol, la
Tierra, la Luna y todas las cosas que
contiene el cosmos se atraigan unas a
otras: ley que hace que los planetas se
muevan como se mueven y que nos
mantiene con los pies en el suelo,
impidiendo que seamos proyectados al
espacio.
 En
1783 John Michell escribió un
artículo en el que describía que estrella
que fuera suficientemente masiva y
compacta tendría un campo gravitatorio
tan fuerte que ni la luz podría escapar.
 Pocos años después, en 1796, el
científico francés Pierre Laplace incluyó
esta idea en su libro "El sistema del
mundo", sin embargo, quizás pensó
que era una locura y no volvió a
publicar documentación al respecto.
 En
1916, Karl Schwarzschild definió el
radio de Schwarzschild como el radio
del horizonte de sucesos en el que la
masa de un cuerpo puede llegar a ser
comprimida para formar un agujero
negro; la masa de un cuerpo y su radio
de Schwarzschild son directamente
proporcionales: si un agujero negro
pesa diez veces más que otro, su radio
es diez de veces más grande.


En 1963, Roy Kerr describió el comportamiento
teórico de un agujero negro en rotación. Predecía
una rotación constante en velocidad, siendo la
forma y el tamaño dependientes de la velocidad de
rotación y de la masa del agujero y una relación
directa entre la velocidad y el grado de
deformación (a mayor velocidad, mayor
deformación).
También en este año, Maarten Schmidt midió el
corrimiento rojo de un objeto. Se pensó que nada
más que un colapso gravitatorio de una región
central de una galaxia podría haber producido
dicho corrimiento de materia y energía. Sin
embargo, están demasiado lejanos y no podemos
dar una evidencia concluyente de que sea un
agujero negro.
 Desde
1965 a 1970, Stephen
Hawking y Roger Penrose definen
un agujero negro como el conjunto
de sucesos del cual nada es
posible escapar a gran distancia.
Demostraron que debe haber una
singularidad de densidad y
curvatura del espacio-tiempo
infinitas dentro de un agujero negro.
 En
1967, Jocelyn Bell descubrió que
objetos celestes emitían pulsos de
ondas, este descubrimiento lo llamaron
"Little Green Men", al pensar que se
trataba de un contacto con una
civilización extraterrestre. Pero al
estudiar dichas ondas les dieron el
nombre de pulsar y se debían a
estrellas de neutrones en rotación, fue
la primera evidencia de que las estrellas
de neutrones existían.
 En
1967, Werner Israel demostró,
basándose en la Teoría de la
Relatividad, que los agujeros negros sin
rotación eran perfectamente esféricos.
 Roger Penrose y John Wheeler,
determinaron que los movimientos en el
colapso de una estrella desprenderían
ondas gravitatorias, y por esto se haría
cada vez más esférica. Esto quiere
decir que una estrella sin rotación
después de un colapso sería
perfectamente esférica.
En
1969, John Wheeler dio el
termino de agujero negro
época en que existían dos
teorías de la luz: la
crepuscular (la luz estaba
compuesta por partículas) y
la ondulatoria. Hoy en día la
luz es considerada como
onda y como partícula.
 En
1970, Brandon Carter probó
que si un agujero negro rotando de
una manera estacionaria tuviera un
eje de simetría, su tamaño y su
forma dependerían de la masa y la
velocidad de rotación.
 En 1971, Stephen Hawking
demostró que cualquier agujero
negro rotando de manera
estacionaria tendría un eje de
simetría.
 En
1973, David Robinson demostró
la hipótesis de Kerr. Después del
colapso, el agujero negro tiende a
un estado de rotación pero sin
pulsaciones (aumento de tamaño).
En el momento del colapso
gravitatorio se pierde gran cantidad
de información, pues todo lo que
podemos medir tan solo es la masa
del cuerpo y la velocidad de
rotación.
Formación
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
Una estrella se forma al concentrarse una gran cantidad de gas
(hidrógeno primordialmente).
Debido a la gravedad estas partículas empiezan a colapsar entre sí
Al contraerse los átomos empiezan a colisionar entre sí, por lo
tanto el gas se calienta, las partículas de hidrógeno al chocar se
convierten en helio.
Ese calor hace que la estrella brille y que la presión del gas sea
suficiente para equilibrar la gravedad.
Las estrellas permanecerán estables de esta forma durante un
largo periodo.
Mientras más combustible tenga la estrella más rápido lo consume.
Cuando la estrella va agotando su combustible, llega un momento
en que el calor producido es poco para producir una dilatación y
compensar así a la fuerza de la gravedad.
Entonces, se colapsa, aumentando su densidad, siendo frenado
por la repulsión entre las capas electrónicas de los átomos.
Si la masa de la estrella es lo suficientemente elevada se vencerá
la repulsión 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, tendría una densidad
elevadísima. Esto se denomina estrella de neutrones.
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Las estrellas de neutrones no se forman tan fácilmente.
Al colapsarse, 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 lo que se denomina enanas blancas
en las que la distancia entre los núcleos atómicos a
disminuido de modo que los electrones circulan libres por
todo el material, y es la velocidad de movimiento de estos
lo que impide un colapso mayor.
La densidad es muy elevada pero sin llegar a la de la
estrella de neutrones.
Pero la velocidad de los electrones tiene un límite: la
velocidad de la luz
Cuando el equilibrio exige una velocidad de los electrones
superior a la velocidad de la luz, el colapso a neutrones es
inevitable.
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Por encima de 2'5 soles de masa, una estrella de
neutrones se colapsaría más aún fusionándose
sus neutrones.
Esto es posible debido 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 por la comunidad
científica, pero S. Hawking demostró que esta
singularidad era compatible con la teoría de la
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 (límite de Chandrasekhar).
Por debajo de este límite, nos
encontramos a las enanas blancas y las
estrellas de neutrones.

Enanas blancas
Con un radio de pocos kilómetros y una
altísima densidad (toneladas por cm3).
 Una de las primeras enanas blancas
que se descubrió es la que está girando
alrededor de Sirio.
 Se mantienen por la repulsión de
electrones.

Estrellas de neutrones
También están dentro del límite de
Chandrasekhar, pero mucho más
pequeñas que las enanas blancas.
 Se mantienen por la repulsión entre
neutrones y protones. Su densidad es
de decenas de millones de toneladas
por cm3).
 Los pulsares son estrellas de neutrones
en rotación.

Agujeros negros
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
Robert Openheimer en 1939, explicó que
sucedería si una estrella estuviera por fuera del
límite de Chandrasekhar.
El campo gravitatorio de la estrella cambia 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.
Radio de Schwarzschild para algunos objetos
astronómicos
Objeto
Masa del
objeto
(Masas
solares)
Radio
(Km)
Velocidad
de escape
(Km/seg)
Radio de
Schwarzschild
Tierra
0,00000304
6.357
11,3
9 mm
Sol
1
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
Preguntas
¿Qué pasaría
si alguien cae
en un agujero
negro?





Supongamos que un astronauta se va acercando al
agujero negro.
Al principio, no sentiría ninguna fuerza gravitacional y
carecería de peso.
Sin embargo, a medida que se acerque al centro del
agujero comenzará a sentir fuerzas gravitacionales
"de marea".
Si imaginamos que los pies del astronauta están más
cerca al centro que la cabeza, entonces la atracción
gravitatoria se irá incrementando mientras más cerca
esté del centro, de esta forma, los pies sentirán una
atracción mayor que la cabeza.
Como consecuencia, el astronauta se estirará hasta
que las fuerzas "de marea" se hagan tan intensas que
terminarán destrozándolo (efecto spaghetti).
¿Qué vería un
observador que
está afuera del
agujero negro si
alguien cae en él?



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


Lo que observaría un compañero del astronauta desde
afuera del agujero negro sería bastante diferente de lo
que se ve en su interior.
A medida que el astronauta se va acercando al
horizonte, el compañero lo ve moverse más
lentamente.
No importa cuanto espere, porque nunca lo verá
alcanzar el horizonte.
Esto se debe a una ilusión óptica.
El astronauta no tarda una cantidad infinita de tiempo
cruzar el horizonte.
Mientras se va acercando al horizonte la luz que emite
el astronauta tarda cada vez más tiempo en llegar al
compañero.
De hecho, la radiación emitida exactamente cuando se
cruza el horizonte se mantendrá allí para siempre
dando la impresión de estar congelada.
¿Cómo se
detectan?
Si en un agujero
negro nada puede
escapar de él, ni
siquiera la luz,
¿cómo podemos
darnos cuenta de su
existencia?
 Se
puede observar sistemas,
en donde una estrella visible
está girando alrededor de un
cuerpo oculto (posibilidad
que sea un agujero negro,
sin embargo, puede ser una
estrella demasiado débil).
 Es muy difícil.
Entonces,
¿cómo
detectarlos?

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



El agujero negro absorbe la materia de la estrella
cercana a él.
Describe un desplazamiento de materia en forma
de espiral y adquiere una alta temperatura.
Por lo tanto, se emiten grandes cantidades de
rayos X.
Con esto se puede concluir que es una enana
blanca, una estrella de neutrones o un agujero
negro.
Con la órbita de la estrella visible se puede
determinar la mínima masa del cuerpo invisible.
Si esta masa sobrepasa el límite de
Chandrasekhar, es demasiada grande para ser
una estrella de neutrones o una enana blanca.
Es un agujero negro.
 Los
agujeros negros que se
formaron hace miles de millones de
años atrás, podrían ser detectados
únicamente con la atracción
gravitatoria o la expansión del
universo.
 Los agujero negros irradian como un
cuerpo caliente y entre más
pequeños lo hacen más.
 Cuanto más pequeños resultan más
fáciles de detectar que los grandes.
Brillo que está distanciando del punto verde (centro galaxia M82). El patrón de
variabilidad de emisión de rayos X indica que se trata de un agujero negro
Fotos captadas por el radioscopio Chandra
Escala: 30 arcseg
¿Pueden
devorar
nuestra
galaxia?
¿Podrían
absorber toda
la materia del
universo?

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


Hay tanto espacio entre las estrellas que un
agujero negro únicamente afectaría los
objetos que están muy cerca de él.
Un agujero negro tienen un "horizonte", del
cual nada puede escapar.
Si algo o alguien cruza el horizonte será
absorbido.
Mientras esté afuera del horizonte podrá
evitarlo.
Para la materia que está lo bastante alejada
del horizonte, el campo gravitacional
alrededor de un agujero negro no es
diferente del campo alrededor de cualquier
otro objeto de la misma masa.
¿Todas las
estrellas colapsan
para convertirse
en agujeros
negros al morir?
 Sólo
estrellas masivas muy
raras terminan de esta manera.
¿El agujero negro
en Cygnus X-1
está devorando a
la supergigante
azul?
 Menos
de un milésimo de la masa
de la supergigante azul caerá al
agujero negro antes de que ella
también muera, más o menos
dentro de un millón de años.
¿Son muy
densos?

Los agujeros negros pequeños y
medianos son muy densos, pero un
agujero negro supermasivo con 100
millones de masas solares tendría la
misma densidad que el agua.
¿La materia que
cae reaparece
en alguna parte
del universo?
 La
materia permanece en el
agujero negro.
 Es la materia la que causa la
fuerza gravitacional que nos
permite descubrir estos objetos.
¿Está la Tierra
en peligro por la
presencia de
agujeros
negros?
 El
agujero negro más cercano a
nuestro planeta está bastante lejos,
al menos lo que conocemos.
 No obstante, investigadores a nivel
mundial, están a la búsqueda de
nuevos.
 Actualmente, en el centro de
nuestra galaxia, existe un agujero
negro, el cual provoca el
movimiento y la forma de ella.
¿Y qué
pasará con
nuestro Sol?




El Sol no puede convertirse en un agujero
negro debido al factor del límite de
Chandrasekhar, además de que su gravedad
es demasiado débil para que colapse sobre
sí mismo.
Sólo las estrellas más pesadas terminan su
vida como agujeros negros.
Si el Sol se convirtiera repentinamente en un
agujero negro, el efecto sería que alrededor
del Sol todo se pondría muy oscuro y muy
frio.
La Tierra y los planetas no serían absorbidos,
describiendo la mismas orbitas.
¿Por qué?
 Porque
el horizonte de sucesos
sería muy pequeño
(aproximadamente 3 Km.)
 Y siempre que se permanezca lo
bastante alejado de dicho
horizonte, la gravedad no es más
fuerte que la de cualquier objeto de
la misma masa.
Especulaciones
¿Cómo creer en
objetos cuya evidencia
son cálculos basados
en la teoría de la
relatividad?
 Un
caso que vale la pena resaltar
es la evidencia de que existe un
agujero negro con cien mil veces la
masa de nuestro sol en el centro
de nuestra galaxia.
 Cualquier estrella que se acerque
demasiado, será despedazada.
Viajes en el
espacio-tiempo



Un concepto tan extraño atrae los intereses y
la creatividad de la ciencia ficción. Un tema
favorito es el uso como una ruta a otros
lugares u otros tiempos en el universo.
Matemáticamente, un par de agujeros negros
podrían formar un "puente" en el universo,
pero no está claro cómo dicho puente podría
formarse o sobrevivir.
Sería inconveniente para viajes espaciales,
porque la materia que cayera sería aplastada
e incinerada por fuerzas de marea conforme
entrara en el agujero.




Un agujero negro supermasivo tendría fuerzas
de marea menos extremas, (el más cercano
está en el centro de nuestra galaxia).
Un agujero negro que rota tiene más
posibilidades, porque en él existe una región
llamada la ergósfera, justo afuera del horizonte
de sucesos, con la propiedad que los objetos
pueden entrar y salir de la ergósfera (si soportan
las fuerzas de marea).
Una nave espacial llena de basura podría entrar
en la ergósfera, soltar su carga dentro del
agujero negro, y salir con más energía que la
que tenía al entrar (¿se resolvería la crisis de
energía y el problema de contaminación?)
Todo esto es posible, al menos en teoría.
Agujeros
blancos





Las ecuaciones de la relatividad general tiene una
propiedad interesante, son simétricas en el
tiempo.
Se puede tomar una solución a las ecuaciones y
pensar que el tiempo va hacia atrás y, sin
embargo, las soluciones siguen siendo válidas.
Si se aplica esta propiedad a la solución de las
ecuaciones que describen los agujeros negros,
resultará un objeto llamado agujero blanco.
Puesto que un agujero negro es una región del
espacio de la cual nada puede escapar, la versión
del tiempo invertido es una región del espacio en
la que nada puede caer.
Tal como un agujero negro sólo puede absorber
cosas un agujero blanco sólo puede expulsar
cosas.
 Aunque
los agujeros blancos
son una solución
matemáticamente válidas a las
ecuaciones de la relatividad
general, no significa que
realmente existan,
 No hay forma de producir uno.
Agujeros de
gusano




Si se consideran agujeros negros que giran o
tienen carga eléctrica, es posible caer en uno de
ellos y no chocar con él, ya que el interior de
éste tipo de agujeros negros puede estar unido
con un agujero blanco, formando un camino en
el que algo cae en el agujero negro y sale en el
agujero blanco.
Estos túneles en el espacio-tiempo se llaman
agujeros de gusano.
Un agujero de gusano proveería una vía rápida
para viajar enormes distancias o para viajar a
otro Universo.
Tal vez la salida de un agujeros de gusano esté
en el pasado, de manera que se podría viajar de
regreso en el tiempo a través de ellos.





Sin embargo, seguramente no existen.
Sólo por el hecho de que los agujeros blancos
sean una solución válida a unas ecuaciones,
no significa que se encuentran en la
naturaleza.
Aun si los agujeros de gusano estuvieran
formados, no serían estables.
La más mínima perturbación causaría su
colapso.
También si los agujeros de gusanos existiesen
y fuesen estables, sería desagradable viajar a
través de ellos, porque los rayos X y gamma
destruirían al que pasara.
Teorías sobre
viajes en el
espacio-tiempo
utilizando
agujeros negros





El astrónomo inglés Ian Crawford asegura que el
hombre podría atravesar agujeros negros y llegar
en instantes a puntos remotísimos del cosmos sin
ser desintegrado por las enormes fuerzas
gravitatorias.
Se podría viajar por el espacio a velocidades
superiores a la de la luz.
se superaría una limitación marcada por la Teoría
de la Relatividad General de Albert Einstein.
"Las pruebas son complejas y matemáticas", pero
"en teoría es posible", según Crawford.
Crawford ha descubierto propiedades teóricas de
los agujeros negros que permitirían a los
hipotéticos viajeros atravesarlos sin ser destruidos
por las poderosas fuerzas gravitatorias.




El informe se llama "Algunas reflexiones sobre las
implicaciones de viajar más velozmente que la luz".
Teóricamente, nos daría la posibilidad:
– De abrir camino a contactos con civilizaciones
remotas, existencia muy probable en la inmensidad
del universo.
– Acortar los viajes espaciales por la velocidad de la
luz, (la vida humana es una limitación, ya que si una
estrella con un planeta habitado se encuentra a 30 o
40 mil años luz, para visitarla harían falta por lo
menos 30 o 40 mil años viajando casi a la velocidad
de la luz, en principio, teóricamente inalcanzable).
La hipótesis de los científicos es que los poderosos
campos gravitatorios desintegrarían a los astronautas
que se atrevieran a visitarlos.
Crawford contradice a sus colegas sosteniendo que los
viajeros podrían ser "manipulados" para evitar tragedias.
Mini agujeros
negros
Un agujero negro con masa menor de
tres masas solares no se formaría solo
 Su gravedad es demasiado débil para
causar el colapso.
 Una enorme presión externa se
necesitaría para formarlo.
 Stephen Hawking teorizó que la densa
turbulencia de la gran explosión de la
que surgió el universo, existieron esas
enormes presiones externas y formaron
muchos mini-agujeros negros.


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

Serían tan masivos como una montaña.
Tan pequeños como los protones de los que
los átomos están hechos
Radiarían energía espontáneamente.
Después de miles de millones de años,
eventualmente se evaporarían en una
violenta explosión final.
Por tanto, pueden no ser "negros" del todo.
John Wheeler calculó que si se tomara toda
el agua pesada de todos los océanos del
planeta, se podría construir una bomba de
hidrógeno que comprimiría tanto la materia
en el centro que se formaría un agujero
negro.
FIN
Realizado por:
Israel Sancho García