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¡Una Singularidad! Extraño Objeto

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Relativista    ~    Comentarios Comments (10)

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El concepto mismo de “singularidad” desagradaba a la mayoría de los físicos, pues la idea de una densidad infinita se alejaba de toda comprensión.  La naturaleza humana está mejor condicionada a percibir situaciones que se caracterizan por su finitud, cosas que podemos medir y pesar, y que están alojadas dentro de unos límites concretos; serán más grande o más pequeñas pero, todo tiene un comienzo y un final pero… infinito, es difícil de digerir.  Además, en la singularidad,  según resulta de las ecuaciones, ni existe el tiempo ni existe el espacio. Parece que se tratara de otro universo dentro de nuestro universo toda la región afectada por la singularidad que, eso sí, afecta de manera real al entorno donde está situada y además, no es pacífica, ya que se nutre de cuerpos estelares circundantes que atrae y engulle.

La noción de singularidad empezó a adquirir un mayor crédito cuando Robert Oppenheimer, junto a Hartlan S. Snyder, en el año 1.939 escribieron un artículo anexo de otro anterior de Oppenheimer sobre las estrellas de neutrones. En este último artículo, describió de manera magistral la conclusión de que una estrella con masa suficiente podía colapsarse bajo la acción de su propia gravedad hasta alcanzar un punto adimensional; con la demostración de las ecuaciones descritas en dicho artículo, la demostración quedó servida de forma irrefutable que una estrella lo suficientemente grande, llegado su final al consumir todo su combustible de fusión nuclear, continuaría comprimiéndose bajo su propia gravedad, más allá de los estados de enana blanca o de estrella de neutrones, para convertirse en una singularidad.

Los cálculos realizados por Oppenheimer y Snyder para la cantidad de masa que debía tener una estrella para terminar sus días como una singularidad estaban en los límites másicos de M =~ masa solar, estimación que fue corregida posteriormente por otros físicos teóricos que llegaron a la conclusión de que sólo sería posible que una estrella se transformara en singularidad, la que al abandonar su fase de gigante roja retiene una masa residual como menos de 2 – 3 masas solares.

Modelo OS
La figura de la izquierda representa a la nube de polvo en colapso de Oppenhieimer y Snyder, que ilustra una superficie atrapada.
El modelo de Oppenhieimer y Snyder posee una superficie atrapada, que corresponde a una superficie cuya área se iOppenheimer y Snyder desarrollaron el primer ejemplo explícito de una solución a las ecuaciones de Einstein que describía de manera cierta a un agujero negro, al desarrollar el planteamiento de una nube de polvo colapsante. En su interior, existe una singularidad, pero no es visible desde el exterior, puesto que está rodeada de un horizonte de suceso que no deja que nadie se asome, la vea, y vuelva para contarlo. Lo que traspasa los límites del horizonte de sucesos, ha tomado el camino sin retorno. Su destino irreversible, la singularidad de la que pasará a formar parte.

Desde entonces, muchos han sido los físicos que se han especializado profundizando en las matemáticas relativas a los agujeros negros. John Wheeler (que los bautizó como agujeros negros), Roger Penrose, Stephen Hawking, Kip S. Thorne, Kerr y muchos otros nombres que ahora no recuerdo, han contribuido de manera muy notable al conocimiento de los agujeros negros, las cuestiones que de ellas se derivan y otras consecuencias de densidad, energía, gravedad, ondas gravitacionales, etc, que son deducidas a partir de estos fenómenos del cosmos.

Se afirma que las singularidades se encuentran rodeadas por un horizonte de sucesos, pero para un observador, en esencia, no puede ver nunca la singularidad desde el exterior. Específicamente implica que hay alguna región incapaz de enviar señales al infinito exterior. La limitación de esta región es el horizonte de sucesos, tras ella se encuentra atrapado el pasado y el infinito nulo futuro. Lo anterior nos hace distinguir que en esta frontera se deberían reunir las características siguientes:

  • Debe ser una superficie nula donde es pareja, generada por geodésicas nulas;
  • contiene una geodésica nula de futuro sin fin, que se origina a partir de cada punto en el que no es pareja, y que
  • el área de secciones transversales espaciales jamás pueden disminuir a lo largo del tiempo.

Pueden existir agujeros negros  supermasivos (de 105 masas solares) en los centros de las galaxias activas. En el otro extremo, mini agujeros negros con un radio de 10-10 m y masas similares a las de un asteroide pudieron haberse formado en las condiciones extremas que se dieron poco después delBig Bang. Diminutos agujeros negros podrían ser capaces de capturar partículas a su alrededor, formando el equivalente gravitatorio de los átomos.

Todo esto ha sido demostrado matemáticamente por Israel, 1.967; Carter, 1.971; Robinson, 1.975; y Hawking, 1.978 con límite futuro asintótico de tal espaciotiempo como el espaciotiempo de Kerr, lo que resulta notable, pues la métrica de Kerr es una hermosa y exacta formulación para las ecuaciones de vacío de Einstein y, como un tema que se relaciona con la entropía en los agujeros negros.

No resulta arriesgado afirmar que existen variables en las formas de las singularidades que, según las formuladas por Oppenheimer y su colaborador Snyder, después las de Kerr y más tarde otros, todas podrían existir como un mismo objeto que se presenta en distintas formas o maneras.

Ahora bien, para que un ente, un objeto o un observador pueda introducirse dentro de una singularidad como un agujero negro, en cualquiera que fuese su forma, tendría que traspasar el radio de Schwarzschild (las fronteras matemáticas del horizonte de sucesos), cuya velocidad de escape es igual a la de la luz, aunque esta tampoco puede salir de allí una vez atrapada dentro de los límites fronterizos determinados por el radio. Este radio de Schwarzschild puede ser calculado usándose la ecuación para la velocidad de escape:

Para el caso de fotones u objeto sin masa, tales como neutrinos, se sustituye la velocidad de escape por la de la luz c2. “En el modelo de Schrödinger se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al núcleo, … Es cierto que en mecánica cuántica quedan muchos enigmas por resolver. Pero hablando de objetos de grandes masas, veámos lo que tenemos que hacer para escapar de ellos.

Podemos escapar de la fuerza de gravedad de un planeta pero, de un A.N., será imposible.

La velocidad de escape está referida a la velocidad mínima requerida para escapar de un campo gravitacional. El objeto que escapa puede ser cualquier cosa, desde una molécula de gas a una nave espacial. Como antes he reflejado está dada por , donde G es la constante gravitacional, M es la masa del cuerpo y R es la distancia del objeto que escapa del centro del cuerpo del que pretende escapar (del núcleo). Un objeto que se mueva a velocidad menor a la de escape entra en una órbita elíptica; si se mueve a una velocidad exactamente igual a la de escape, sigue una órbita parabólica, y si el objeto supera la velocidad de escape, se mueve en una trayectoria hiperbólica.

Así hemos comprendido que, a mayor masa del cuerpo del que se pretende escapar, mayor será la velocidad que necesitamos para escapar de él. Veamos algunas:

Objeto

Velocidad de escape

La Tierra

………….11,18 Km/s

El Sol

………….617,3 Km/s

Júpiter

………….59,6 Km/s

Saturno

………….35,6 Km/s

Venus

………….10,36 Km/s

Agujero negro

…….+ de 299.000 Km/s

Como se ve en el cuadro anterior, cada objeto celeste, en función de su masa, tiene su propia velocidad de escape para que cualquier cosa pueda salir de su órbita y escapar de él. El caso de la singularidad, es decir, la inmensa masa que está presente en las entrañas de un Agujero negro, genera una fuerza de gravedad tal que, nada está a salvo en sus inmediaciones, cualquier objeto, sea estrella, polvo estelar, planeta o lo que pudiera ser, será engullido por el “monstruo”, sin que nada pueda evitarlo.

La excepción está en el último ejemplo, la velocidad de escape necesaria para vencer la fuerza de atracción de un agujero negro que, siendo preciso superar la velocidad de la luz 299.792’458 Km/s, es algo que no está permitido, ya que todos sabemos que conforme determina la teoría de la relatividad especial de Einstein, la velocidad de la luz es la velocidad límite en nuestro universo; nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz, entre otras razones porque el objeto sufriría la transformación de Lorentz y su masa sería infinita.

Podría continuar explicando otros aspectos que rodean a los agujeros negros, pero estimo que el objetivo que perseguía de hacer conocer lo que es un agujero negro y el origen del mismo, está sobradamente cumplido.

Existen aspectos del A.N. que influyen en el mundo cuántico, y, por ejemplo, el máximo radio que puede tener un agujero negro virtual está dado aproximadamente por

que equivale a unos 10-³³ centímetros. Esta distancia se conoce como longitud de Planck y es la única unidad de distancia que se puede construir con las tres constantes fundamentales de la naturaleza: G, h y c. La longitud de Planck es tan extremadamente pequeña (10²° veces menor que el radio de un electrón) que debe ser la distancia característica de otro nivel de la naturaleza, subyacente al mundo subatómico, donde rigen las leyes aún desconocidas de la gravedad cuántica.

Así como el océano presenta un aspecto liso e inmóvil cuando se observa desde una gran distancia, pero posee fuertes turbulencias y tormentas a escala humana, el espacio-tiempo parece “liso” y estático a gran escala, pero es extremadamente turbulento en el nivel de la longitud de Planck, donde los hoyos negros se forman y evaporan continuamente. En el mundo de Planck, las leyes de la física deben ser muy distintas de las que conocemos hasta ahora.

La estructura macroscópica del espacio-tiempo parece plana, pero éste debe ser extremadamente turbulento en el nivel de la escala de Planck. Escala en la que parece que entramos en otro mundo… ¡El de la mecánica cuántica! que se aleja de ese mundo cotidinao que conocemos en el que lo macroscópico predomina por todas partes y lo infinitesimal no se deja ver con el ojo desnudo.

¡Existen tántos secretos! ¡Es tan grande nuestra ignorancia!

emilio silvera

 

  1. 1
    Fandila Soria
    el 2 de julio del 2016 a las 17:25

    Una buena exposición del concepto de singularidad en el tiempo y las distintas opiniones científicas.
     
    Se olvida que el fraccionamiento no tiene porqué  tener fin. No hay ningún elementos o conjunto de elementos límite para la existencia.
    Igual ha de ocurrir para el espacio-tiempo en que los elementos fraccionados subsisten y se transforman.
    El tamaño mínimo del ser ni está definido ni puede definirse.
    La presión gravitatoria en el centro de un A.N se presentaría de forma radial y se iría icrementando cada vez más con el incremento de su propia masa.
    Los elementos se fraccionarían y fraccionarían ad infinitum, como se fracciona una roca bajo un prensa. A medida que incrementa la potencia de la máquina, el fraccionamiento es mayor, hasta que. si la potencia lo permitiera quedara reducida a polvo y casi que cabría en la palma de la mano. Pero la prensa del A.N. es total, radial sobre su volumen, no hay forma de que se dé el aplastamiento parcial o en superficie que se da en el plano de la prensa.
    El número de componentes de los subcomponentes, los subcomponentes de estos y así sucesivamente, es inmenso. Las  potencias negativas de 10 crecen desmesuradamente, lo no parece que tenga fin, por muy asintótico que pueda ser (Todo ello teóricamente).
    Cualquier fraccionamiento supone la disminución del espacio ocupado por los fragmentos, respecto del elemento fraccionado sin solución de continuidad. A esas dimensiones es la gravedad y su su presión la que impera. No existirán fuerzas capaces de limitar a un tamaño determinado la existencia material de un componente mínimo.
    Sin embargo la uniformidad total de lo fragmentado no podrá darse, el resto de fuerzas aunque en intensidades tenues harán que exista cierta diversidad, donde la información puede conservarse aunque cada vez más comprimida
    Qué ocurriría con el movimiento en los espacios mínimos. Que sería trasvasado cada vez al interior de los corpúsculos “fragmentos” en forma de giros y pequeñas traslaciones internas, y así sucesivamente. Una acumulación de energía progresiva.
    Hay parámetros, que ya pueden imaginarse, que no son válidos más allá del fotón, y que habrían de ser variables.
    Es a grandes rasgos lo que yo opino sobre la singularidad. Y no nos olvidemos, o la transformación es infinita hacia abajo o hacia arriba o el ser no tiene sentido. Por qué la manía que llegado a un punto, ese punto es cero.
    Volvemos al concepto de energía pura, que de qué. Que más da un espacio tiempo por pequeño que sea, pues con su expansión da lugar a uno mayor que le es equivalente. No hablamos aquí de otros universos y si este nuestro forma parte de otro u otros.
     

    Responder
  2. 2
    kike
    el 2 de julio del 2016 a las 23:04

    Hombre, si el fraccionamiento es por la presión de la gravedad, se detiene en el momento en que se produce la fusión nuclear, puesto que la fusión impide a la gravedad seguir avanzando y establece un equilibrio, pero en los agujeros negros, es que ni siquiera sabemos lo que pasa con los átomos, suponiéndose que no pueden ni siquiera fusionarse; quizás por desaparecer y convertirse en vete a saber que.

     Pero, a ciencia cierta, pese a que  parece que ya sabemos mucho de los agujeros negros, no podemos asegurar que existan.

    ¡¡Mira que si de repente nos dijeran que no existen!! 

    Responder
  3. 3
    Fandila Soria
    el 3 de julio del 2016 a las 6:03

    Es una buena objección. Pero no no nos referimos a estrellas. Tampoco sabemos que pasa por ejemplo, en un agujero negro o por qué se produce la supuesta inflacción.
    Nos referimos a esos puntos singulares en que parece que todo termina (O empieza).
    Y es lo que cualquiera se pregunta. ¿Y si se tratara de un universo oscilante?
    Me viene a la mente Manuel Toharia cuando hablaba de la “casi nada”, que no la nada.
    Los pensamientos son tan elásticos como las personas puedan serlo. Mis “indicios” personales apuntan por las explicaciones del anterior comentario, y los puntos singulares lo son todos, solo depende de en que dimensión se hallen y su evolución.
    Existe una matemática, ciertamente complicada, que presenta muchos errores, porque como suele decir Emilio no podemos saberlo todo y todo es demasiado complicado. Solo podemos simplificar con arreglo a lo que somos.
    Cuánto te atraen estos temas, kike. Y es que filosofar es el principio del saber. Cada cual piensa a su manera es algo singular e inevitable.

    Responder
    • 3.1
      kike
      el 3 de julio del 2016 a las 11:19

      Si amigo Fandila; sobre todo ante una “singularidad”, y dado que es un asunto tan complejo, del que no sabemos nada a ciencia cierta, es lógico que se disparen imaginaciones de todo tipo.

       Y ahí subyace ese gran misterio al que haces referencia, “la casi nada”.

       Pudiera ser que esa casi nada contuviera en su origen todo lo que existe; esas partículas “virtuales que aparecen y desaparecen”, dan la impresión de ser partículas que atraviesan dimensiones diferentes, lo que por muy extraño que nos parezca sería la solución más lógica. Pero claro, más lógica según nuestra forma de pensar, que sobre todo respecto a la cuántica, no parece ser la más acertada.

       Y el asunto considero que es de primordial importancia, pues si la “nada” estuviera en realidad repleta de energía, esas singularidades tan extrañas ya no lo serían.

       Un simple ejemplo (Que seguramente no será el verdadero, precisamente por su simplicidad), sería que dos universos diferentes tuvieran un amplio campo de contacto; vamos, que literalmente se encontraran pegados uno a otro, lo que daría la posibilidad de intercambio de energía y partículas de todo tipo, supongo que dependiendo de la necesidad en un área concreta.

       Una forma de comprobar esos extremos sería que alguna vez se descubriera algún cuerpo celeste que irradiara una energía tan enorme, que fuera imposible  haber sido creada antes, con lo que a lo peor podríamos descubrir la “puerta trasera” de los agujeros negros.  Y es que particularmente, nunca he creído eso de la densidad infinita de los a.n.; siempre he pensado que toda esa energía se escapa por algún sitio.

       Bueno, perdona mis “elucubraciones”, de aficionado.

       Un abrazo. 

      Responder
  4. 4
    emilio silvera
    el 3 de julio del 2016 a las 6:55

    El amigo Fandila, como por otra parte es lo normal en él, nos hace una buena reflexión sobre el tema que aquí tratamos. Hablamos de la singiularidad como el punto matemático en el que ciertas cantidades fisicas alcanzan valores infinitos. La curvatura del espacio-tiempo en un agujero negro, por ejemplo, creemos que se hace infinita. En la Teoría del Big Bang, el Universo nace de una singularidad en la que la densidad y la temperatura de la materia eran infinitas. El amigo Fandila nos dice:

    “Nos referimos a esos puntos singulares en que parece que todo termina (O empieza).
    Y es lo que cualquiera se pregunta. ¿Y si se tratara de un universo oscilante?”

    Está claro que las ideas que fluyen a las mentes que han profundizado en temas tan complejos como éste, dejan ver su amplitud y exponen conceptos de una rica diversidad, también, al enfrentarnos con dichos temas complejos, en nuestras mentes surgen las dudas y, no pocas veces, dudamos de que, el personaje principal de la obra (singularidad o agujero negro), pueda existir. Sin embargo, al punto al que hemos podido llegar, debemos creer que sí, una estrella hipermasiva, cuando agota su combustible nuclear, no puede tener otro destino, ya que, la ingente masa queda a merced de la fuerza de Gravedad que la comprime más y más hasta hacerla desaparecer de nuestra vista y, de aquel lugar, ni la luz puede escapar.
    ¿En qué se convertirá la materia que conforma esa singularidad?
    Es posible, sólo posible, que algún día lejos aún en el futuro, podamos tener los medios para poder profundizar mucho más en estos singulares objetos que llamamos agujeros negros y, cuando eso suceda, es posible también que, veámos el Universo con otros “ojos”, desde una nueva perspectiva. Creo que ahí están muchas de las repuestas que buscamos y que, hasta el momento, nadie nos ha sabido dar.
    Buen domingo amigos.
     

    Responder
  5. 5
    Fandila Soria
    el 3 de julio del 2016 a las 18:49

    La conversión de la materia de una singularidad habría de ser en materia más fragmentada en un tiempo ilimitao donde el espacio tiempo sería menor cada vez. Salvo que haya un límite en el número de fraccionados (Cuantos) que procure la transformación en estructuras mayores hasta invertir el proceso hacía la expansión. En cuanto tiempo ocurriría tal cosa. Cualquiera sabe. ¿La radiación de Hawking es suficiente para evaporar el A.N antes que eso ocurriera? ¿O dependerá de lo masivo que sea? ¿Esa radiación es algo uniforme en la superficie del A.N o probabilística?
    No sé en que se vasan esas afirmaciones de que los agujeros negros explosionan, aunque parece ser que se hayan observado. De ser cierto, habría algún proceso íntimo, y bien intino, de la materia que procure la reversión.
    Lo que dice Kike, tampoco es muy desacertado, en el sentido que llegado a cierto límite la singularidad sea tan sutíl que pueda escapar del A.N. y reagruparse en otro sitio.
    Para confirmaciones teóricas al menos, es preciso perfeccionar las teorías del presente, erradicando los pesados lastres que las hacen inviables no ya  para un punto singular sino para la Cuantica menos profunda. Y eso no es fácil. Aunque parezca extraño, nuestra materia normal, por muy bien que nos vaya con ella, y tenga sus peculiaridades, es un pequeño porcentaje de la Cuantica y ha de cumplir sus leyes.
    Contertulios todos, no dejen de participar, que más ven cuatro ojos que dos (Sin contar las gafas).

    Responder
  6. 6
    emilio silvera
    el 4 de julio del 2016 a las 7:13

    Lo dicho, aquí aprende uno una barbaridad ¡qué gente! ¡qué imaginación!

    Responder
  7. 7
    fandila
    el 10 de enero del 2017 a las 2:03

     
    Vuelvo a releer el artículo y sus comentarios porque indagando por internet me indica este sitio.
     
    Quería hacer una puntualización sobre lo que se se llama el “punto” singular dentro del agujero negro.
    No creo que en la singularidad del aguejero negro, cuyas constante físicas son al fin y al cabo de naturaleza concreta conretas, se llegue a una densidad infinita. Y me baso, en la consideración de que nuestro Universo proceda de un inmenso agujero nero.
    Dicho agujero negro ha de proceder y desarrollarse en un universo mayor. Me refiero a que dicho evento se ha de desarrollar a partir de otro que lo abarca y dento de su “vacio”. Con lo que lleva consigo de velocidades supraluminícas, si se ha de admitir que el agujero negro tambien es permeado por ciertos campos oscuros.
    El nacimiento o explosión de tal agujero negro origen, ocurriría cuando su singularidad alcanza un grado de fragmentación límite, cuando los menores fragmentos se hacen iguales o equivalentes a los mínimos, o grupos menores de universo base. En ese momento la singularidad se desace tumultuosamente entre los subyacentes de universo mayor.
    Es cuando se diría que ocucrre la gran “explosión”.
    Naturalmente todo es un supuesto, pero no anda lejos de la lójica si estudiamos los distintos conceptos sobre agujeros negros.
     
    Participar de nuevo, es todo un placer.
    Pese a todo mi tiempo disponible es limitado.
     
    Saludos

    Responder
    • 7.1
      Emilio Silvera
      el 10 de enero del 2017 a las 7:33

      “….
      Naturalmente todo es un supuesto, pero no anda lejos de la lójica si estudiamos los distintos conceptos sobre agujeros negros.”

      Ahí está el quid de la cuestión, todo es un supuesto lógico al que se ha llegado después de muchos estudios sobre lo que hemos podido conseguir y llegado a “saber” sobre el tema de los agujeros negros. No cabe duda alguna de que, lo de la densidad y enegías “infinitas” es una manera de expresar más gráficamente hasta que alto punto de densidad llega el objeto que se forma, y, desde luego, lo dices bien, ¡que se forma en un espacio mayor, en este caso, seguramente otro universo en el que se produce una gran fluctuación de vacío de la que aparece éste universo nuestro. ¿Qué podemos saber nosotros de la complejidad en la que andamos inmersos? Algunos darían años de su vida por conocer esa “verdad”.

      También es un placer el recibir tu visita estimado amigo, y, desde luego, el lugar se enriquece con ella, ya que, tus pensamientos siempre resultan sugestivos.

      Un abrazo.

      Responder
  8. 8
    fandila
    el 10 de enero del 2017 a las 2:13

     
    Para estos temás se pueden aportar teorías sin limite, que no infinitas. Pero de una forma u otra, sería como enredar más aún algo tan terriblemente “oscuro”.
    Se dice que en una singularidad, que por eso se llama así, las leyes físicas no son aplicables, lo cual pudiera indicarnos, más bien, que las propias teorías que de eso se ocupan no son validas. ¿Y no sería más cierto decir, que su concepción, la de las singularidades, no es real en absoluto?

    Responder

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