La teoría del Big Bang nos explica la expansión del Universo, la existencia de una radiación de fondo cósmica y la abundancia de núcleos ligeros como el helio, el helio-3, el deuterio y el litio-7, cuya formación se predice que ocurrió alrededor de un segundo después del Big Bang, cuando la temperatura reinante era de 10¹⁰ K.

Si la teoría del Bing Bang es correcta (como parece que lo es -al menos de momento-), debe de existir alguna fuerza desconocida, o quizá la misma gravedad que no hemos llegado a entender totalmente y tenga alguna parte que se nos escapa, o (como dicen), una gran proporción de “materia oscura” en forma no bariónica, quizás axiones, fotinos o neutrinos masivos, supervivientes de las etapas tempranas del Big Bang y, ¿por qué no?, también podríamos suponer que la materia oscura que tanto nos preocupa pudiera estar encerrada dentro de las singularidades de tantos y tantos agujeros negros que se han debido formar a lo largo de los 13.750 millones de años que es la edad del universo.

Los agujeros negros, cuya existencia se dedujo por Schwarzschild en 1.916 a partir de las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, son objetos super-masivos, con una singularidad que no podemos ver y el Horizonte de sucesos que cuando algo lo traspasa…¡Queda atrapado para siemre! no escapa ni la luz; tal es la fuerza gravitatoria que generan que incluso engullen la materia de sus vecinas, objetos estelares como estrellas que osan traspasar el cinturón de seguridad que llamamos horizonte de sucesos.

Pues bien, si en el universo existen innumerables agujeros negros, por qué no creer que sean uno de los candidatos más firmes para que sea la buscada “materia oscura”,(dicen algunos).

                                                        Viaje hacia la Quinta Dimensión

Para mí particularmente, sin descartar absolutamente nada de lo anterior (cualquier teoría podría ser la cierta), la denominada materia oscura (si finalmente existe), ¿estará situada en la quinta dimensión, y nos llegan sus efectos a través de fluctuaciones del “vacío” donde residen inmensas energías que rasgan el espacio-tiempo y que, de alguna manera, deja pasar a los gravitones que transportan la fuerza gravitacional que emite dicha materia y sus efectos se dejan sentir en nuestro universo, haciendo que las galaxias se alejen las unas de las otras a mayor velocidad de la que tendrían si el universo estuviera poblado sólo de la materia bariónica que nos rodea?

                                                            ¿Fluctuaciones de vacío y materia oscura?

Claro que mi pensamiento es eso, una conjetura más de las muchas que circulan. A veces me sorprendo al escuchar como algunos astrofísicos de reconocido nombre, sin pudor alguno, dogmatizan hablando de estas cuestiones sobre las que no tienen la menor certeza. Podemos hablar de la energía y materia oscura pero, siempre, dejando claro que son teorías de lo que podría ser y que, más o menos probables, aún no han sido confirmadas.

De todas las maneras, incluso la denominación dada: “materia oscura”, delata nuestra ignorancia. ¿Cómo podemos poner nombre a algo que ni sabemos si existe en realidad. Se buscó esta solución para poder cuadrar las cuentas. Las observaciones astronómicas dejaron claro que, las galaxias, se alejaban a velocidades cada vez mayores y que, de seguir así, llegaría un día en el futuro en el que, las únicas galaxias cercanas serían las del Grupo Local. Que cada vez el espacio “vacío” entre galaxias será mayor. ¿Qué fuerza desconocida empujaba a las galaxias a expandirse hacia el exterior? La materia bariónica no era la causante. Así que, se inventó la “materia oscura” y, de esa manera, el problema quedó zanjado. Claro que, no solucionado.

Mecánica cuántica, relatividad, átomos, el genoma, agujeros negros, la constante cosmológica, la constante de Planck racionalizada… Sabemos representar muchas otras cosas pero, la materia oscura, al sernos desconocida, no sabemos como puede ser y no podemos tener una imagen de lo que la materia oscura es (si es que es), así que hablamos y hablamos de ella sin cesar pero también sin, saber.

Mientras tanto, dejamos que el “tiempo” transcurra y como en todo lo demás, finalmente, alguien nos dará la respuesta, o, nos sacará del error, al demostrar que la dichosa materia oscura, nunca existió y que es, otra fuerza, la que produce los efectos observados en la expansión acelerada del Universo.

Claro que nos falta mucho…

Para que tengamos todas las respuestas que necesitamos para viajar a las estrellas, tener energía infinita obtenida de agujeros negros, lograr el traslado instantáneo de materia viva a lugares distantes, dominar toda una galaxia…, tendrán que transcurrir algunos eones de tiempo para que, algunos de estos sueños se haga realidad y, si ocurren algunas de esas cosas en el futuro…¿La haremos nosotros? ¿O, quizá para entonces sean otros los que habrán cogido la antorcha de nuestros sueños?

       ¿Alguien me podría decir quién es robot y quién humano?

Cada vez se avanza más en menos tiempo. Y, llegará el momento, cuando dentro de algunos milenios, estemos preparados para viajar a las estrellas que, estarán aquí presentes con nosotros los inevitables Robots. Según una serie de cálculos y profundos pensamientos, no podremos seguir adelante llegados a un punto de no retorno, y, nos veremos obligados a fabricar robots muy sofisticados que harán trabajos espaciales y de colonización de Planetas para preparar la posterior llegada de los Humanos. Es inevitable pero, ¿será una buena idea?

                             No creo que alguna vez puedan alcanzar la naturalidad del humano

Acordaos de que hace menos de un siglo no existían televisores, teléfonos móviles, faxes, ni aceleradores de partículas. En los últimos cien años hemos avanzado de una manera que sería el asombro de nuestros antepasados. De la misma manera pero mucho más acelerada, serán las décadas venideras y, para dentro de los próximos cien años (a finales del presente siglo), si lo pudiéramos ver, quedaríamos tan asombrados como lo estarían nuestros bisabuelos si pudieran abrir los ojos y ver el mundo actual.

¿Qué maravillas tendremos dentro de 200 años? ¿Qué adelantos científicos se habrán alcanzado? ¿Sabremos más sobre el origen de la vida? ¿Qué estadio de saber habrá alcanzado la Física, y, si para entonces hemos verificado la Teoría de cuerdas, qué nuevas teorías estarán en boga? ¿Habremos convertido Marte en una segunda Tierra al proporcionarle una atmósfera y una atmósfera terrestre?

        La verdad es que, científicamente hablando, no habría problema alguno

Dejando a un lado, a los primeros descubridores, como Ptolomeo, Copérnico, Galileo, Kepler y otros muchos de tiempos pasados, tenemos que atender a lo siguiente:

La primera revolución de la física se produjo en 1.905, cuando Albert Einstein con su relatividad especial nos ayudo en nuestra comprensión de las leyes que gobiernan el Universo. Esa primera revolución nos fue dada en dos pasos: 1905 la Teoría de la Relatividad Especial.

y en 1.915, diez años después, la teoría de la relatividad general. Al final de su trabajo relativista, Einstein concluyó que el espacio y el tiempo están distorsionados por la materia y la energía, y que esta distorsión es la responsable de la gravedad que nos mantiene en la superficie de la Tierra, la misma que mantiene unidos los planetas del Sistema Solar girando alrededor del Sol y también la que hace posible la existencia de las galaxias. La Relatividad General de Einstein, nos dice cómo la materia determina la geometría del Universo.

Un universo que se curva sobre sí mismo en presencia de la materia

Einstein nos dio un conjunto de ecuaciones a partir de los cuales se puede deducir la distorsión del tiempo y del espacio alrededor de objetos cósmicos que pueblan el universo y que crean esta distorsión en función de su masa.  Se han cumplido 100 años desde entonces y miles de físicos han tratado de extraer las predicciones encerradas en las ecuaciones de Einstein (sin olvidar a Riemann) sobre la distorsión del espacio-tiempo. Es decir, Einstein nos dijo que la materia, es la que determina la geometría del Universo.

Pero… ¿Cómo puede cambiar el perímetro de una circunferencia sin que lo haga su radio? Esto no ocurre de acuerdo con nuestras percepciones usuales del espacio, por lo que Einstein intuyó que la clave estaba en renunciar a tales nociones. La clave para permitir la ocurrencia de estos fenómenos es que el espacio esté curvado.

Un agujero negro es lo definitivo en distorsión espaciotemporal, según las ecuaciones de Einstein: está hecho única y exclusivamente a partir de dicha distorsión. Su enorme distorsión está causada por una inmensa cantidad de energía compactada: energía que reside no en la materia, sino en la propia distorsión. La distorsión genera más distorsión sin la ayuda de la materia. Esta es la esencia del agujero negro.

Si tuviéramos un agujero negro del tamaño de la calabaza más grande del mundo, de unos 10 metros de circunferencia, entonces conociendo las leyes de la geometría de Euclides se podría esperar que su diámetro fuera de 10 m / π = 3’14159…, o aproximadamente 3 metros. Pero el diámetro del agujero es mucho mayor que 3 metros, quizá algo más próximo a 300 metros. ¿Cómo puede ser esto? Muy simple: las leyes de Euclides fallan en espacios muy distorsionados.

Como podemos imaginar un objeto pesado o masivo colocado en el centro de una superficie elástica, se ha hundido a consecuencia del peso y ha provocado una distorsión que cambia completamente la medida original del diámetro de esa circunferencia que, al ser hundida por el peso, se agranda en función de éste.

Al espacio le ocurre igual.

De la misma manera se puede considerar que el espacio tridimensional dentro y alrededor de un agujero negro está distorsionado dentro de un espacio plano de dimensión más alta (a menudo llamado hiperespacio), igual que la lámina bidimensional está distorsionada como describo en la imagen anterior.

Lo más intrigante de los agujeros negros es que, si caemos en uno, no tendremos manera alguna de salir o enviar señales a los que están fuera esperándonos. Pensemos que la masa de la Tierra que es de 5’974X10²⁴ Kg  (densidad de 5’52 gramos por cm³), requiere una velocidad de escape de 11’18 Km/s, ¿cuál no será la masa y densidad de un agujero negro si pensamos que ni la luz que viaja a 299.792’458 Km/s puede escapar de su fuerza de gravedad?

                                        La Gravedad, presente en el Universo ¡de tantas maneras!

                        Algunos incluso hablan de la posibilidad de viajar en el Tiempo

Es tanta la densidad que no sólo distorsiona el espacio, sino que también distorsiona el tiempo según las ecuaciones de Einstein: el flujo del tiempo se frena cerca del agujero, y en un punto de no retorno (llamado el “horizonte” del agujero, o límite), el tiempo está tan fuertemente distorsionado que empieza a fluir en una dirección que normalmente sería espacial; el flujo de tiempo futuro está dirigido hacia el centro del agujero. Nada  puede moverse hacia atrás en el tiempo1, insisten las ecuaciones de Einstein; de modo que  una vez dentro del agujero, nos veremos arrastrados irremisiblemente hacia abajo con el flujo del tiempo, hacia una “singularidad” escondida en el corazón del agujero; en ese lugar de energía y densidad infinitas, el tiempo y el espacio dejan de existir.

Como he apuntado antes en alguna parte de este mismo trabajo, la descripción relativista del agujero negro procede de la obra de Kart Schwarzschil. En 1.916, apenas unos meses después de que Einstein formulara sus famosas ecuaciones, Kart fue capaz de resolver exactamente las ecuaciones de Einstein y calcular el campo gravitatorio de una estrella masiva estacionaria.

Así, Históricamente la primera solución importante fue obtenida por Schwarzschild en 1916, esta solución conocida posteriormente como métrica de Schwarzschild, representa el campo creado por un astro estático y con simetría esférica. Dicha solución constituye una muy buena aproximación al campo gravitatorio dentro del sistema solar, lo cual permitió someter a confirmación experimental la teoría general de la relatividad explicándose hechos previamente no explicados como el avance del perihelio de Mercurio y prediciendo nuevos hechos más tarde observados como la deflexión de los rayos de luz de un campo gravitatorio. Además las peculiaridades de esta solución condujeron al descubrimiento teórico de la posibilidad de los agujeros negros, y se abrió todo una nueva área de la cosmología relacionada con ellos. Lamentablemente el estudio del colapso gravitatorio y los agujeros negros condujo a la predicción de las singularidades espacio-temporales,  deficiencia que revela que la teoría de la relatividad general es incompleta. Quizá la teoría de cuerdas, en la que subyace ésta, nos complete el cuadro.

La solución de Schwarzschild tiene varias características interesantes:

La solución de Schwarzschild permitió aplicar los postulados de la relatividad general a disciplinas como la mecánica celeste y la astrofísica, lo cual supuso una verdadera revolución en el estudio de la cosmología: Apenas seis años después de la publicación de los trabajos de Einstein, el físico ruso Aleksander Fridman introdujo el concepto de singularidad espacio-temporal, definido como un punto del espacio-tiempo en el que confluyen todas las geodésicas de las partículas que habían atravesado el horizonte de sucesos de un agujero negro. En condiciones normales, la curvatura producida por la masa de los cuerpos y las partículas es compensada por la temperatura o la presión del fluido y por fuerzas de tipo electromagnético, cuyo estudio es objeto de la física de fluidos y del estado sólido. Sin embargo, cuando la materia alcanza cierta densidad, la presión de las moléculas no es capaz de compensar la intensa atracción gravitatoria. La curvatura del espacio-tiempo y la contracción del fluido aumentan cada vez a mayor velocidad: el final lógico de este proceso es el surgimiento de una singularidad, un punto del espacio-tiempo donde la curvatura y la densidad son infinitas.

• En primer lugar, una línea de no retorno rodea al agujero negro: cualquier objeto que se acerque a una distancia menor que este radio será absorbido inevitablemente en el agujero.
• En segundo lugar, cualquiera que cayera dentro del radio de Schwarzschild será consciente de un “universo especular”  al “otro lado” del espacio-tiempo.

Incluso surgieron agujeros de gusano que nos podían trasladar a puntos distantes tanto en el tiempo como en el espacio.

Einstein no se preocupaba por la existencia de este extraño universo especular porque la comunicación con él era imposible. Cualquier aparato o sonda enviada al centro de un agujero negro encontraría una curvatura infinita; es decir, el campo gravitatorio sería infinito y, como ya dije antes, ni la luz podría escapar a dicha fuerza, e igualmente, las ondas de radio electromagnéticas también estarían prisioneras en el interior de un agujero negro, con lo cual, el mensaje nunca llegará al exterior. Allí dentro, cualquier objeto material sería literalmente pulverizado, los electrones serían separados de los átomos, e incluso los protones y los neutrones dentro de los propios núcleos serían desgajados. Además, para penetrar en el universo alternativo, la sonda debería ir más rápida que la velocidad de la luz, lo que no es posible; c es la velocidad límite del universo.

Así pues, aunque este universo especular es matemáticamente necesario para dar sentido a la solución de Schwarzschild, nunca podría ser observado físicamente (al menos por el momento). En consecuencia, el famoso puente de Einstein-Rosen que conecta estos dos universos fue considerado un artificio matemático.

Posteriormente, los puentes de Einstein-Rosen se encontraron pronto en otras soluciones de las ecuaciones gravitatorias, tales como la solución de Reisner-Nordstrom que describe un agujero eléctricamente cargado. Sin embargo, el puente de Einstein-Rosen siguió siendo una nota a pie de página curiosa pero olvidada en el saber de la relatividad.

Las cosas comenzaron a cambiar con la solución que el trabajo matemático presentado por el neozelandés Roy Kerr, presentado en 1.963, encontró otra solución exacta de las ecuaciones de Einstein. Kerr supuso que cualquier estrella colapsante estaría en rotación. Así pues, la solución estacionaria de Schwarzschild para un agujero negro no era la solución físicamente más relevante de las ecuaciones de Einstein.

La solución de Kerr causó sensación en el campo de la relatividad cuando fue propuesta. El astrofísico Subrahmanyan Chandrasekhar llegó a decir:

“La  experiencia que ha dejado más huella en mi vida científica, de más de cuarenta años, fue cuando comprendí que una solución exacta de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, descubierta por el matemático Roy Kerr, proporciona la representación absolutamente exacta de innumerables agujeros negros masivos que pueblan el universo. Este estremecimiento ante lo bello, este hecho increíble de que un descubrimiento motivado por una búsqueda de la belleza en matemáticas encontrará su réplica exacta en la naturaleza, es lo que me lleva a decir que la belleza es aquello a lo que lleva la mente humana en su nivel más profundo“.

Un agujero negro de Kerr o agujero negro en rotación es una región de agujero negro presente en el espacio-tiempo de Kerr, cuando el objeto másico tiene un radio inferior a cierta magnitud, por encima de este radio el universo de Kerr no presenta región de agujero negro. Un agujero negro de Kerr es una región no isótropa que queda delimitada por un horizonte de sucesos y una ergo-esfera presentando notables diferencias con respecto al agujero negro de Schwarzschild. Esta nueva frontera describe una región donde la luz aun puede escapar pero cuyo giro induce altas energías en los fotones que la cruzan. Debido a la conservación del momento angular, este espacio forma un elipsoide, en cuyo interior se encuentra un solo horizonte de sucesos con su respectiva singularidad, que debido a la rotación tiene forma de anillo.

La solución de Kerr de un agujero negro giratorio permite que una nave espacial pase a través del centro del agujero por el eje de rotación y sobrevivir al viaje a pesar de los enormes pero finitos campos gravitorios en el centro, y seguir derecha hacia el otro universo especular sin ser destruida por la curvatura infinita.

Para nosotros, teniendo el concepto que tenemos de lo que un agujero negro es, es tan difícil imaginar que una nave pueda entrar en él y poder salir más tarde, como imaginar que, en mundos extraños como el de arriba, puedan existir criaturas inteligentes como en la Tierra.

El universo, como todos sabemos, abarca a todo lo que existe, incluyendo el espacio y el tiempo y, por supuesto, toda la materia está en la forma que esté constituida. El estudio del universo se conoce como cosmología. Si cuando escribimos Universo nos referimos al conjunto de todo, al cosmos en su conjunto, lo escribimos con mayúscula, el universo referido a un modelo matemático de alguna teoría física, ese se escribe con minúscula.

El vacío de Boötes o el Gran Vacío es una gigantesca región del Espacio, que contiene muy pocas galaxias. Se encuentra cerca de la constelación de Boötes de ahí su nombre. Tiene un diámetro de cerca de 250 millones de años luz. Es uno de los vacíos más grandes conocidos en el Universo, por eso lo llaman súper-vacío.

El universo real está constituido en su mayoría por espacios aparentemente vacíos, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas y gas (también planetas, quásares, púlsares, cometas, estrellas enanas blancas y marrones, estrella de neutrones, agujeros negros y otros muchos objetos espaciales). El universo se esta expandiendo, las galaxias se alejan continuamente los unas de las otras. Existe una evidencia creciente de que existe una materia oscura invisible, no bariónica, que puede constituir muchas veces la masa total de las galaxias visibles. El concepto más creíble del origen del universo es la teoría del Big Bang de acuerdo con la cual el universo se creó a partir de una singularidad infinita de energía y densidad a inmensas temperaturas de millones de grados K, hace ahora unos 15.000 millones de años.

emilio silvera

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Desde la propugnación de Einstein de la existencia de agujeros negros en la teoría de la relatividad general, físicos teóricos han propuesto distintos modelos de estructuras para varios tipo de ellos. Estos tipos varían según la información que el agujero negro retenga de los entes cósmicos que generaron su origen o de las propiedades de su anterior vida como masiva estrella.

El Modelo Kerr de agujero negro, simplificado con el objetivo de intentar lograr una mejor comprensión. En rotación alrededor del eje de rotación del agujero negro, cada región afecta a la materia y a la luz de forma diferente. La esfera fotónica exterior, por ejemplo, es un área donde la luz se ve arrastrada a una órbita inestable. La ergoesfera ofrece una última oportunidad para el escape de aquellos objetos que se muevan a velocidades muy próximas a la de la luz. Cualquier cosa que atraviesa el horizonte de sucesos, sin embargo, cae irremediablemente hacia la singularidad en la forma de un disco.

Por definición todos los agujeros negros tienen la misma estructura básica, o sea, sin excepciones poseen masa; sin embargo, teóricamente se conciben diferentes tipos de agujeros. En su forma más simple, conocida como agujero negro de Schwarzschild ( en honor al astrónomo alemán Karl Schwarzschild), la masa es la única propiedad de dicho objeto, y toda ella se encuentra concentrada en un único punto de densidad infinita denominado singularidad. Pero para un agujero negro de origen estelar, de las características que distinguen a una estrella -masa, luminosidad, color, composición química, rotación y carga eléctrica- aparte de la masa, éstos retienen las propiedades de rotación y carga eléctrica. Para otros agujeros negros con distinto origen se han desarrollado otros modelos de estructura con distintas combinaciones de las tres propiedades. Una definición simple y general para describir la estructura de un agujero negro es aquella a la cual se le asignan tres propiedades: masa, momento angular y carga eléctrica.

Debido a la manera en la que los agujeros negros se forman, en el universo real uno de estos objetos con carga eléctrica neta es un fenómeno bastante improbable, ya que masas muy masivas con un exceso de carga positiva o negativa, rápidamente se neutralizaría con la atracción de la carga opuesta. La forma de la materia en un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el observador externo, y en parte porque, en teoría, la materia continuaría su proceso colapsante hasta llegar a tener un radio cero, un punto en que matemáticamente se le conoce como «singularidad de densidad infinita», algo con lo que no tenemos experiencia aquí en la Tierra.

Roy Kerr, neozelandés, científico de la Universidad de Texas, quién, en 1963, halló una solución matemática exacta a la ecuación de Einstein que describía un agujero negro en rotación. Este notable hallazgo trascendía la anterior solución de Schwarzschild de la que ya hemos hablado alguna vez, que describía sólo masas que no se hallaban en estado de rotación. Los trabajos matemáticos de Kerr pudieron demostrar que era imposible que escapara energía de un agujero negro en rotación. Al salir energía, la rotación disminuye. Se trata de un agujero negro que tiene tanta masa como rotación. La física que se deriva del movimiento de rotación del agujero alrededor de un eje, da lugar a una singularidad que no se concentra en un punto como en el modelo de Schwarzschild, sino que toma la forma de un anillo. Además, en su movimiento de rotación, el agujero negro arrastra el espacio-tiempo consigo, en un fenómeno conocido como arrastre del sistema de referencia. Las regiones que rodean a esta singularidad anular se dividen en dominios de diferentes características. Las regiones más externas, conocidas como las esferas fotónicas e interiores, son zonas donde la luz, incidiendo con el ángulo adecuado, pasa a describir una órbita en torno al agujero negro. En la región denominada ergoesfera, cuya frontera exterior recibe el nombre de límite estático, ningún objeto puede permanecer en reposo ya que, tal como dicta el fenómeno del arrastre del sistema de referencia, el propio espacio-tiempo se encuentra en movimiento entorno a la singularidad. En el interior de la ergoesfera es todavía posible, al menos teóricamente, escapar de la atracción gravitatoria del agujero negro, pero una vez que un objeto atraviesa la frontera que delimita el horizonte de sucesos, toda posibilidad de evasión queda coartada, incluso el escape de la luz.

Los agujeros negros surgen en forma natural de las teorías físicas con las cuales se está trabajando en la actualidad. Ya hemos señalado que los agujeros negros tienen masa y que esta se encuentra afectada para generar una poderosa fuerza gravitatoria. Esta fuerza gravitacional, por su intensidad, debería afectar a los objetos cercanos. Los astrofísicos teóricos elaboran modelos para estimar cuál sería el comportamiento estructural de un agujero negro cuando este se encuentra inserto dentro de la mecánica de un sistema binario, o sea, acompañado por una estrella. Existen evidencias observacionales conseguidas a través de detecciones de emisiones de rayos X, cuyas características no se encuentran amparadas dentro de series tipificadas como comunes. Se han localizado ya más de un millar de fuentes emisoras de rayos X en el cielo. Proporcionan claves transcendentales sobre la naturaleza del universo.

Muchas de estas fuentes de rayos X son púlsares, fáciles de identificar por la regularidad que muestran en sus pulsaciones generadas por la rotación de la estrella de neutrones. Se ha determinado la posición de cerca de una docena de estos púlsares de rayos X con tanta precisión que los astrónomos ópticos pueden dirigir sus telescopios al punto indicado e identificar a la compañera visible. Los astrónomos a veces detectan que la intensidad de los rayos X y de las radioondas que emiten estos púlsares se incrementan en un factor superior a mil. Se cree que cuando ello ocurre se debe a que el «punto caliente» de la estrella de neutrones (su polo magnético sur o norte, donde cae más abundantemente la materia en el interior de la estrella) se encuentra orientado hacia la Tierra y recibimos el impacto directo del haz de rayos X y de radio-ondas.

Cualquier cosa que traspase las fronteras del horizonte de sucesos está condenada a ser aplastada y absorbida hacia las profundidades por los efectos de la inmensa fuerza gravitatoria de un agujero negro. Ni la luz visible o los rayos X o cualquier otra forma de radiación electromagnética en forma de partículas puede eludir el destino de ser atrapada por la inconmensurable fuerza gravitatoria que actúa en esa área del agujero.

Gases y partículas que se encuentran arremolinadas cerca de un agujero negro se aceleran y forman un aplanado disco. Rozaduras ocasionadas por colisiones entre las partículas hace que se calienten a temperaturas extremas. Antes que las partículas traspasen la frontera del horizonte de sucesos, su temperatura alcanza cientos de millones de grados, produciéndose violentas emisiones de rayos X.

Hay otras fuentes de rayos X que no se ajustan a tipificaciones claras. Ello ocurre en sistemas binarios cuando una de las compañeras es una estrella enana blanca, de neutrones o un agujero negro. El objeto más denso que órbita cerca de una estrella compañera común, absorbe materia de esta última y, como consecuencia de ello, hay violentas emisiones de rayos X. Según algunos modelos teóricos, que se manejan para explicar esas emisiones de rayos X, contemplan a un agujero negro cuya fuerza gravitacional que se debe dar en sus cercanías debería ser muy intensa, y podría tener efectos notables en su entorno. El agujero negro debería arrancar material desde la estrella compañera el cual sería alojado alrededor del agujero formando un «disco de acreción» similar al disco de anillos que rodea al planeta Saturno. Al ser atraído el material de acreción hacia las “fauces” del agujero negro, éste se tendería a aplastar y a calentarse a temperaturas altísimas y, cuando se va colando por la garganta del agujero, emitiría violentísimas emisiones de rayos X. El primer ejemplo de la posible existencia de un agujero negro fue descubierto precisamente por ese efecto gravitatorio en una estrella acompañante.

A la fecha, los teóricos han seguido profundizando en el estudio de los agujeros negros. Gran parte de esos trabajos los inspira Stephen Hawking, un brillante físico inglés de la Universidad de Cambridge. Se puede decir que una gran parte de su talento, Hawking lo ha destinado a la investigación de los agujeros negros. Él, e independientemente Jacob Bekenstein, físico teórico israelí, descubrieron una sorprendente relación entre los agujeros negros y la entropía, o sea, una relación de una propiedad termodinámica con una consecuencia de la teoría de la gravitación.

Para encontrarle el sentido a la relación que hemos enunciado, podemos explicarlo señalando que la entropía está referida como una medida del desorden de los sistemas físicos. Los sistemas ordenados, como el cristal con sus átomos claramente dispuestos, tienen poca o casi nada de entropía, mientras que los muy desordenados como los gases, en que los átomos se desplazan en forma indisciplinada y aleatoria de una lado para otro, tienen bastante. Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía de un sistema físico cerrado no decrece : las cosas pueden pasar a estar más desordenadas, pero jamás menos. Una consecuencia de lo anterior es que la información sobre la estructura detallada de un sistema físico tiende siempre a dañarse; de hecho, la pérdida de tal información (adecuadamente definida) en un sistema físico es exactamente proporcional al incremento de su entropía. De lo anterior se deduce el encuentro para la relación entre agujeros negros y entropía.

Ahora bien, para comprender la relación entre agujero negro y entropía podemos señalar que se ha logrado estimar que todo lo que cae en las “fauces” de un agujero negro se pierde para siempre, no existen formas para que un observador situado en los entornos del agujero pueda recuperar algo de los que cae dentro de él. La información, en particular, se perderá hasta la eternidad al caer los objetos físicos en el agujero negro y su pérdida incrementa la entropía del agujero.

Hawking y Bekenstein demostraron que la entropía en un agujero negro era proporcional al área de su horizonte de sucesos. Lo anterior implica entonces que, de acuerdo a la segunda ley de la termodinámica que nos indica que la entropía sólo se incrementa o se mantiene constante, los agujeros negros estarían aumentando permanentemente la extensión de su superficie y, en consecuencia, ser cada vez mayores, sin que existan medios para librarse de la presencia de ellos. Pero esa conclusión no es exacta. Curiosamente, si un agujero negro carece de perturbaciones al final termina desvanecido por emisiones de radiación. Pero ¿cómo se puede entender ello?

Hawking (la ecuación de arriba es suya), estudiando la termodinámica de los agujeros negros, en sus cálculos llegó a la conclusión que la temperatura de estos agujeros era inversamente proporcional a su radio, considerando para ello el hecho de que todo objeto con temperatura ha de irradiar, tal como se observa en el carbón encendido que emite luz roja. Pero toda la estructura conceptual del agujero negro se sostiene en el hecho de que nada puede escapar de él, ni siquiera la radiación. Se plantea, pues, una paradoja: ¿Cómo podían irradiar los agujeros negros?

Hawking lo resolvió en 1974, descubriendo los medios por los cuales los agujeros negros irradian una cantidad precisa determinada por una temperatura directamente proporcional a su gravedad superficial e inversamente proporcional a su masa, o sea, igual como lo hacen cualquier objeto con un cuerpo cálido.

La síntesis de la argumentación dada por Hawking para sostener lo anterior puede describirse de la siguiente manera: Reafirma que toda la radiación situada dentro del horizonte de sucesos (la superficie del agujero) no puede escapar, no obstante lo que queda inmediatamente fuera del límite, sí puede hacerlo. Hawking señala que el potente campo gravitatorio que limita con la superficie del agujero puede crear espontáneamente una partícula y su correspondiente antipartícula. Las teorías del campo cuántico de las partículas elementales establecen precisamente asimiles procesos de creación que han sido reiteradamente comprobados en experimentos de laboratorio. Según Hawking, una partícula del par creado cae en el agujero negro (se pierde para siempre), mientras la otra escapa y puede aniquilarse con otra partícula en su fuga, convirtiéndose en radiación pura. A la radiación que fluye desde un agujero negro se le ha denominado «radiación de Hawking».

Desde que Hawking demostró matemáticamente de que los agujeros negros pueden efectuar emisiones térmicas ha sido confirmada por otros investigadores con distintos enfoques. Describimos aquí uno de los tantos modos que se usan para comprender esa emisión. La mecánica cuántica implica que el conjunto del espacio se halla ocupado por pares de partículas y antipartículas« virtuales» que se materializan constantemente en parejas, separándose e integrándose para aniquilarse entre sí. Se denominan virtuales a estas partículas porque, a diferencia de las «reales», no pueden ser observadas directamente mediante un detector de partículas. Sin embargo, se pueden medir sus efectos indirectos y su existencia ha quedado confirmada por un pequeño desplazamiento, el cual lo conocemos como «corrimiento de Lamb», que originan en el espectro luminoso de átomos de hidrógeno excitados. En presencia de un agujero negro, un miembro de un par de partículas virtuales puede caer en el agujero, dejando al otro miembro sin pareja con la que aniquilarse. La partícula o antipartícula abandonada puede caer en el agujero negro tras su pareja, pero también es posible que escape al infinito donde aparece como radiación emitida por el agujero negro.

Otro modo de examinar el proceso consiste en considerar al miembro de la pareja de partículas que cae en el agujero negro, que podría ser la antipartícula, como una partícula que en realidad retrocede en el tiempo. Así cabe observar la antipartícula que cae en el agujero negro como una partícula que emerge de éste pero retrocede en el tiempo. Cuando la partícula llega al punto en que se materializó originariamente el par partícula-antipartícula, es dispersada por el campo gravitatorio y en consecuencia avanza en el tiempo.

Es la mecánica cuántica la que al fin otorga la posibilidad que una partícula pueda escapar de la parte interior de las fauces de un agujero negro, lo que no permite las posibilidades que otorga la mecánica clásica, como ocurre también en situaciones que se dan en la física atómica y nuclear en que sólo las posibilidades de la mecánica cuántica permite a partículas saltar alguna barreras.

Finalmente, señalemos que la radiación que se calcula para grandes agujeros negros que pueden formarse desde estrellas colapsadas es prácticamente insignificante. Pero los mini agujeros negros deberían ser muy “calientes”, e irradian su masa rápidamente, en un espectacular estallido de radiación de Hawking. Mini agujeros negros que pudieron formarse cuando el Big Bang podrían estar ahora estallando por ahí, pero no ha sido posible lograr ubicarlos. Quizás hoy solamente existan agujeros negros grandes y super-masivos y los muy pequeños ya hayan desaparecido sin dejar huellas apreciables, salvo la posible emisión, desde lugares relativamente cercanos de donde se hallaba, de intensas radiaciones de rayos gamma con una energía de unos 100 millones de eV. Lo último se debe a que se estima que, a medida que un agujero negro emite partículas, va disminuyendo su masa y tamaño constantemente. Esto facilita el escape de más partículas y así la emisión proseguirá a un ritmo siempre creciente hasta que el agujero negro acabe por esfumarse. En el largo plazo, cada agujero negro que esté cohabitando en el universo se extinguirá de ese modo. Pero en lo que se refiere a agujeros negros medianos, el tiempo será desde luego muy largo: uno que tenga la masa del Sol durará aproximadamente unos 1066 años. Por otro lado, los agujeros negros supermasivos también terminarían desapareciendo debido a las mismas causales que se han descrito para los otros tamaños de agujeros, pero el tiempo de vida que podrían tener por lo menos para mí es, prácticamente, inconmensurable.

Texto extraído de Astrocosmo

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