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¿Qué es un Agujero Negro?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Agujeros negros    ~    Comentarios Comments (10)

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Representar un Agujero negro no resulta nada fácil y, se hace de manera que aparezca en la imagen lo que se cree que podríamos ver en el caso de estar allí cerca, contemplando a uno de ellos, y, como existen varias formas teóricamente posibles de agujero negro, las representaciones que podemos contemplar pueden ser distintas las unas de las otras.

Según sean estrellas medianas como nuestro Sol, grandes o muy grandes, lo que antes era una estrella, cuando finaliza el derrumbe o implosión, cuando la estrella es aplastada sobre sí misma bajo su propio peso, cuando finalice su ciclo y consuma todo el combustible nuclear que la hace brillar, tendremos una estrella enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro.

Alrededor del agujero negro puede formarse un disco de acreción cuando cae materia sobre él desde una estrella cercana que, para su mal,  se atreve a traspasar el horizonte de sucesos. Es tan enorme la fuerza de gravedad que genera el agujero negro que, en tal circunstancias, literalmente hablando se come a esa estrella compañera próxima. En ese proceso, el agujero negro produce energía predominantemente en longitudes de onda de rayos X a medida que la materia está siendo engullida hacia la singularidad.  De hecho, estos rayos X pueden ser detectados por satélites en órbita. Se ha localizado una enorme fuente de rayos X en el centro mismo de nuestra galaxia. En realidad han sido varias las fuentes localizadas allí, a unos 30.000 años luz de nosotros. Son serios candidatos a agujeros negros, siendo el más famoso Cygnus X-1.

Existen varias formas teóricamente posibles de agujeros negros.

  • Un agujero negro sin rotación ni carga eléctrica (Schwarzschild).
  • Un agujero negro sin rotación con carga eléctrica (Reissner-Nordström).

En la práctica es más fácil que los agujeros negros estén rotando y que no tengan carga eléctrica, forma conocida como agujero negro de Kerr. Los agujeros negros no son totalmente negros; la teoría sugiere que pueden emitir energía en forma de radiación Hawking.

La estrella supermasiva, cuando se convierte en un agujero negro se contrae tanto que realmente desaparece de la vista, de ahí su nombre de “agujero negro”. Su enorme densidad genera una fuerza gravitatoria tan descomunal que la velocidad de escape supera a la de la luz, por tal motivo, ni la luz puede escapar de él. En la singularidad, dejan de existir el tiempo y el espacio; podríamos decir que el agujero negro está fuera, apartado de nuestro universo, pero en realidad deja sentir sus efectos ya que, como antes dije, se pueden detectar las radiaciones de rayos X que emite cuando engulle materia de cualquier objeto estelar que se le aproxime más allá del punto límite que se conoce como horizonte de sucesos.

Con la explicación anterior he querido significar que, de acuerdo con la relatividad de Einstein, cabe la posibilidad de que una masa redujera sin límite su tamaño y se autoconfinara en un espacio infinitamente pequeño y que, alrededor de esta, se forme una frontera gravitacional a la que se ha dado el nombre de horizonte de sucesos. He dicho al principio de este apartado que en 1.916, fue Schwarzschild el que marca el límite de este horizonte de sucesos para cualquier cuerpo celeste, magnitud conocida como radio de Schwarzschild que se denota por:

Donde M es la masa del agujero negro, G es la constante gravitacional de Newton, y c2 es la velocidad de la luz elevada al cuadrado. Así, el radio de Schwarzschil para el Sol que tiene un diámetro de 1.392.530 Km, sería de sólo tres kilómetros, mientras que el de la Tierra es de 1 cm: si un cuerpo con la masa de la Tierra se comprimiera hasta el extremo de convertirse en una singularidad, la esfera formada por su horizonte de sucesos tendría el modesto tamaño de una bolita o canica de niños. Por otro lado, para una estrella de unas 10 masas solares el radio de Schwarzschild es de unos 30 kilómetros. Que para nuestro Sol, como he dicho antes, se quedaría en sólo tres kilómetros, tal es su grado de encogimiento sobre sí mismo.

Por otra parte, los acontecimientos que ocurren fuera del horizonte de sucesos en un agujero negro, tienen un comportamiento como cualquier otro objeto cósmico de acuerdo a la masa que presente. Por ejemplo, si nuestro Sol se transformara en un agujero negro, la Tierra seguiría con los mismos patrones orbitales que antes de dicha conversión del Sol en agujero negro.

Ahora bien, y en función de la fórmula anteriormente descrita, el horizonte de sucesos se incrementa en la medida que crece la masa del agujero a medida que atrae masa hacia él y se la traga introduciéndola en la singularidad. Las evidencias observacionales nos invitan a pensar que en muchos centros de galaxias se han formado ya inmensos agujeros negros supermasivos que han acumulado tanta masa (absorciones de materia interestelar y estrellas) que su tamaño másico estaría bordeando el millón de masas solares, pero su radio de Schwarzschil no supera ni las 20 UA (unidad astronómica = 150 millones de Km), mucho menor que nuestro sistema solar.

Comprender lo que es una singularidad puede resultar muy difícil para una persona alejada de la ciencia en sí.

Es un asunto bastante complejo el de la singularidad en sí misma, y para los lectores más alejados de los quehaceres de la física, será casi imposible aceptarla. En el pasado, no fue fácil su aceptación, a pesar de las conclusiones radicales que expuso Kart Schwarzschild en su trabajo inspirado en la teoría y ecuaciones de Einstein. De hecho, hasta el mismo Einstein dudó de la existencia de tales monstruos cosmológicos. Incluso durante largo tiempo, la comunidad científica lo consideró como una curiosidad teórica. Tuvieron que transcurrir 50 años de conocimientos experimentales y observaciones astronómicas para empezar a creer, sin ningún atisbo de duda, que los agujeros negros existían realmente.

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.

                                                                           En el Universo existen aún muchos misterios que debemos desvelar

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.

Oppenheimer 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 Malher (que los bautizó como agujeros negros), Roger Reyrose, 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.

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.

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.

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 creemos que  es un agujero negro y el origen del mismo, está sobradamente cumplido. De todas las maneras, no sería yo el que me presentara voluntario para visitar a uno de estos monstruos estelares de cuyas inmediaciones…hay que mantenerse alejados.

emilio silvera

 

  1. 1
    enrique montiel
    el 5 de febrero del 2009 a las 10:19

    Hola, me puedes ayudar diciendome como puedo calcular el radio de la esfera de fotones para las imágenes relativistas de un agujero negro de Reissner-Nordstrom, por favor?
    Gracias, espero respuesta.

    Responder
  2. 2
    enrique montiel
    el 5 de febrero del 2009 a las 10:20

    Me puedes ayudar diciendome como calcular el radio de la esfera de fotones para las imagenes relativistas de un agujero negro de reissner-nordstrom por favor?
    Gracias, espero respuesta

    Responder
  3. 3
    emilio silvera
    el 9 de agosto del 2011 a las 11:01

    Amigo mío, cuando puse por primera vez esta entrada, no leí tu pregunta y, desde luego lo siento. Han pasado 2 años y, a estas alturas, no creo que te pudiera servir para nada la respuesta que, de seguro, encontraste por otra parte.
    Lo siento.

    Responder
    • 3.1
      emilio silvera
      el 9 de agosto del 2011 a las 12:23

      De todas las maneras, y, por si acaso pasas por aquí, te dejo lo que dice sobre tu pregunta la Wikipedia:
      Agujero negro de Reissner-Nordström

      De Wikipedia, la enciclopedia libre
      (Redirigido desde Agujero negro de Reissner-Nordstrøm)
      Saltar a navegación, búsqueda
      Un agujero negro de Reissner-Nordstrøm es un agujero negro estático, con simetría esférica y con carga eléctrica, viene definido por dos parámetros: la masa M y la carga eléctrica Q. Su solución fue obtenida en 1918 por el matemático Hans Reißner y el físico teórico Gunnar Nordstrøm a las ecuaciones de campo de relatividad en torno a un objeto masivo eléctricamente cargado y carente de momento angular. Los agujeros de Reissner-Nordstrøm son un tipo de agujero negro de Kerr-Newman.
      [editar] Descripción geométrica
      El agujero negro de Reissner-Nordstrøm es una región isótropa que queda delimitada por dos horizontes de sucesos: uno externo llamado sin más horizonte de sucesos, y otro interno llamado horizonte de Cauchy. Dichos espacios forman una esfera perfecta, debido a la carencia de momento angular, en cuyo centro se encuentra una singularidad espaciotemporal simple, a diferencia del caso más general de un agujero negro de Kerr-Newman que puede presentar singularidades en forma de anillo.
      La fórmula que determina la distancia de esta con respecto a los respectivos horizontes de sucesos depende únicamente de la masa y la carga del agujero, en unidades del sistema internacional:

      (1)

      Donde r es la distancia de cada horizonte de sucesos, M es la masa, Q es la carga eléctrica y el signo determina el horizonte de sucesos en cuestión, siendo el valor positivo (r + ) para el horizonte externo y el negativo (r − ) para el horizonte de Cauchy.
      Relación el parámetro de carga Q y la masa M
      Los valores que toman la carga eléctrica y la masa son muy importantes en la anatomía de un agujero negro de Reissner-Nordstrøm, debido a que es su relación la que determina el límite concreto entre sus horizontes de sucesos. Existen básicamente tres relaciones:

      |Q/2c\sqrt{\pi\epsilon_0}|” /> o, como es usual, <img class="tex" src="http://upload.wikimedia.org/math/2/1/5/21566cc5b33a59803c64c983a02a6233.png&quot; alt="|Q/2\sqrt{\pi\epsilon_0}c^2| < : se parece mucho al caso del agujero negro de Schwarzschild pero con dos horizontes de sucesos a una distancia razonable el uno del otro.
      : para este caso los horizontes de sucesos se fusionan, formando un horizonte continuo que rodea a la singularidad.
      <img class="tex" src="http://upload.wikimedia.org/math/b/a/9/ba91a66eee0636ffcf622e5fd885b160.png&quot; alt="M : se supone que este caso no existe en la naturaleza, debido a que no es común que la carga eléctrica neta, dividida del factor del denominador, supere a la masa total de un cuerpo, pues con ello los horizontes se anulan dejando visible a la singularidad.

      Además, existe la llamada hipótesis de la censura cósmica, propuesta por el matemático Roger Penrose en 1965, que no permite la existencia de singularidades desnudas en el universo.
      Véase también

      Métrica de Reissner-Nordström

      Con todo esto no creo que tengas ningún problema, y, si necesitas más,,,a tu disposición tienes lo que puedas necesitar.

      Un saludo

      Responder
  4. 4
    emilio silvera
    el 9 de agosto del 2011 a las 12:24

    Mira directamente veo que las ecuaciones se han esfumado.

    Responder
  5. 5
    kike
    el 9 de agosto del 2011 a las 16:35

      Leyendo el siempre interesante tema de los agujeros negros, que parecen existir en al menos cada centro de galaxia, se me ocurre que al igual que otras teorías han sido al final demostradas, la de los agujeros de gusano o blancos tal vez algún día se puedan comprobar, tal y como se han comprobado los negros.

      En tal caso, ¿Como sería la galaxia que albergara uno de esos agujeros blancos?

     Si en una galaxia normal toda la materia y hasta la luz es engullida por el a.n., y aún así la galaxia suele crecer o unirse a otras para formar una más grande, en el caso de las hipotéticas galaxias con un a.b., supongo que irian aumentando contínuamente su materia, materia que saldría del a.b. como si de un grifo se tratara.

     Entonces esas galaxias aumentarían su tamaño rápidamente y serían activas en grado sumo por la intreracción de la materia libre que fuera siendo expelida; hasta sería posible que en las cerecanias de esos a.b., se formara rápidamente una gran estrella, que en poco tiempo explotara creando un agujero negro cercano al blanco.

      Y entonces, ¿Que pasaría?, ¿sería esa la condición determinante para la conexión de ambos agujeros, creándose el agujero de gusano?

     No me extrañaría que pronto saltara la noticia del descubrimiento de un agujero blanco; al fin y al cabo casi cada día nos maravillamos con las últimas noticias, como puedan ser el hallazgo de un asteroide troyano de nuestro planeta o la comprobación de la existencia de un anillo de antimateria que nos rodea siguiendo las lineas del campo magnético terrestre.

     Respecto a este último tema, me parece curioso que hayan salido al espacio gran cantidad de sondas en todas direcciones sin que ninguna haya tenido contaacto con el anillo de antimateria; quizás el motivo sea que las naves suelen salir de zonas cercanas al ecuador.
     
     Saludos a los “Emilistas”

    Responder
    • 5.1
      emilio silvera
      el 10 de agosto del 2011 a las 6:52

      Es verdad lo que apuntas de la inversión temporal del colapso de un objeto en un agujero negro. Las ecuaciones de la relatividad general que describen dicho colapso son simétricas en el tiempo, de manera que no existe ninguna razón teórica por la que no podría invertirse. Un Agujero Blanco sería, por tanto, un lugar de donde aparecería espontáneamente materia en nuestro Universo. No obstante no se ha podido (hasta el momento)m detectasr ninguna “criatura” de estas características pero, como nos dice Kike…sólo hay que esperar, el Universo es grande, muy grande.
      Según parece, el agujero blanco sería el anti del agujero negro y, por alguna razón que se nos escapa, ambos estarían dentro de una misma conformación, es decir, el agujero negro y el Blanco son el mismo objeto y, simplemente se trata de que, atendiendo a circunstancias especiales, podría actuar de las dos maneras, es decir, tragándose todo la materia circundante o, en su fase de agujero balnco, devolviendo toda a esa materia. Sería simplemente una inversión temporal de la mecánica cotidiana del A.N.
      El Agujero de Gusano es otra cosa, en cosmología cuántica se piensa que, a escalas del orden de 10-35 metros, el espacio-tiempo tiene una estructura muy complicada y múltiplemente conexa en la que “túneles” y “asas” constituyen atajos entre puntos distantes, En principio los agujeros de gusano suficientemente grandes podrían permitir viajar a una parte distante del universo mucho más rápidamente que la luz y, en algunas circunstancias, viajar en el tiempo. Como sabeis, la existencia de los agujeros de gusano es, no obstante, muy especulativa.
      Yo no me atrevo a negar la existencia ni de los agujeros Blancos ni de los de Gusano…¡Hemos visto tantas cosas! que a estas alturas nada bnos puede extrañar, si acaso, maravillarnos un poco más,
      Un abrazo amigo.
      ¡AH! Gracias por saludar a los “Emilistas” en la parte que me toca.
       

      Responder
  6. 6
    Wilfredo
    el 9 de agosto del 2011 a las 17:50

    Quizá los agujeros negros en el centro de una galaxia vendría a ser como el “mediador de la materia”, de un lado esta nuestro Universo en nuestra dimensión, donde todo es materia y su correspondiente energía, del otro lado tal vez haya un universo muy similar al nuestro o igual con la misma cantidad de galaxias y estrellas, solo que creado de antimateria, el papel que representaría entonces estos agujeros negros al devorar materia de nuestro Universo sería expulsar antimateria por un agujero blanco en una dimensión-universo que estaría del otro, y en el intercambio de información expulsaría materia ordinaria al nuestro, manteniendo así una simetría constante entre ambos universos.
    Claro que esto es solo una especulación de un simple aficionado.
    Saludos cordiales.
    Willy.

    Responder
    • 6.1
      emilio silvera
      el 10 de agosto del 2011 a las 6:58

      Amigo Wilfredo, como todas las especulaciones, ésta te hizo pensar, imaginar sobre esos dos universos paralelos uno de materia y el otro de anti-materia y conectados a través de ese agujero negro aquí y el blanco allí. Esa misma especulación la hicieron antes otros muchos y, como podrás comprender, al no haber podido ir nadie a ese otro universo paralelo para ver que pasaba, se ha quedado sólo en eso: ¡Una especulación! que, desde luego, nosm habla a tu favor, toda vez que, nos dejas al descubierto tu tendencia a imaginar y hacer ejercicios mentales que, de todas las maneras, son buenos en el sentido de tener despierta la Mente.
      Un saludo amigo

      Responder
  7. 7
    Fandila
    el 23 de septiembre del 2012 a las 3:01

     
     
     
    Sitios interesantes sobre agujeros negros:

    Agujeros negros, ¿el fluido de baja viscosidad más perfecto? http://www.solociencia.com/fisica/05042507.htm
     
     
    Teoría de agujeros negros y contracción del universo http://www.molwick.com/es/astrofisica/110-agujeros-negros.html
     
     

    Responder

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