Agujeros Negros (Interesante)

Agujeros Negros

DEFINICIÓN:

Considerando lo complicado que podría resultar el intentar explicar la naturaleza de los agujeros negros utilizando las matemáticas (puesto que habría que entender la teoría general de la relatividad de Albert Einstein) esta explicación es mucho más sencilla de este fenómeno considerando a la gravedad con un comportamiento clásico (el efecto de la manzana de Newton). 

Siempre que el profesor de física nos aburría en su clase, a alguno que otro osado no se le ocurría mejor cosa en que entretenerse que el tirarle trozos de tiza a sus compañeros o si era demasiado intrépido lo dirigía hacia adelante. Era típico ver que en ocasiones la tiza llegaba a su destino alcanzando en ocasiones mayor o menor altura. Ahora bien, asumamos que el chiste hubiera consistido en ver quien lanzaba la tiza más alto, lo que esperaríamos es que quien la lance con menor fuerza no sólo perdería sino que en su intento la tiza sólo se elevaría unos cuantos centímetros y rápidamente perdería velocidad hacia arriba y empezaría a caer, lo primero que se nos vendría a la mente es que empezaría a caer con una aceleración igual a la de la gravedad (que en nuestro planeta es de 9,81 m./s2). Hasta aquí no hay nada de otro mundo, todo sigue las reglas físicas que nos han enseñado (o que nos quisieron enseñar). Aja, pero aquí surge la posibilidad de que alguien pueda lanzarla muy fuerte, tan fuerte que no llegaría a caer (si, no te asustes, ahora te lo explico), si alguien lograra lanzarla tan fuerte que lograra escapar al campo de acción de la fuerza gravitatoria entonces la tiza nunca caería hacia la tierra, este es el principio de los lanzamientos de transbordadores espaciales, la velocidad que requieres para lograr esto se denomina "velocidad de escape" y lógicamente necesitarías mucha ayuda para alcanzarla con sólo tu brazo. 

Ahora bien, esta velocidad de escape dependerá fuertemente de la masa del planeta y de su densidad (no me preguntes por qué, asúmelo nomás), de manera que, si la masa posee una alta densidad (es decir posee mayor cantidad de kilogramos por centímetro cúbico) entonces la gravedad será mayor, un planeta con menor densidad tendrá entonces una menor fuerza gravitatoria. Ahora, volviendo a la velocidad de escape, ésta variará dependiendo de cuan lejos te encuentres del centro del cuerpo o planeta (por ejemplo no es lo mismo lanzar la tiza en Viña del Mar, Chile al nivel del mar que hacerlo en Cerro de Pasco, Perú a 4400 metros sobre el nivel del mar, como supones en Cerro de Pasco será más fácil porque estarás más lejos del centro de la tierra y la velocidad de escape será un poco menor). Otra cuestión adicional, para que te des una idea de las diferencias entre velocidades de escape en la tierra es de 11,2 Km./s mientras que en la luna (menos denso) es de 2,4 Km./s (¡una relación de casi 5 a 1!) por ello cuando vemos alguna películas o documentales vemos que las misiones a la Luna llevaban pesadísimos uniformes que compensaban esta baja velocidad, de lo contrario con un salto fuerte hubieran salido despedidos de la luna rumbo al infinito (y mas allá...sic!). 

Entonces imaginemos ahora que existe un cuerpo (y de hecho existe), que posee un radio diminuto pero con una gran concentración de masa (por ejemplo, imagínate inicialmente un botón de tu camisa o tu polo y haz de cuenta que pesa tanto como un camión de carga, digamos 6 toneladas, definitivamente no lo podrías cargar, es más no podrías ni andar ni siquiera ponerte la camisa), pues bien, si esa te parece una idea extremista imagínate un cuerpo en el espacio, con un radio diminuto y a este cuerpo otórgale una concentración de masa tan grande que la velocidad de escape que de ella se origine sea igual o mayor a la velocidad de la luz. ¿Crees que algún rayo de luz escapará a esta velocidad de escape, es decir algún objeto podrá romper la gravedad de este cuerpo?... IMPOSIBLE, porque la velocidad de escape necesaria es la mayor conocida hasta la actualidad: la de la luz, nada puede viajar más rápido, entonces, este cuerpo que haz imaginado pasa a no poder emitir ni reflejar luz, ¿qué ocurre entonces? desaparece de la vista humana, pero al poseer una enorme gravedad empieza a atraer hacia si a los cuerpos que estén en sus proximidades. Bueno, si hasta aquí entendiste entonces, no necesito decirte que ese cuerpo se ha convertido en un AGUJERO NEGRO. 

¿POR QUE ESE NOMBRE?

La denominación "Agujero negro" es atribuida a John Archibald Wheeler, y la utilizó básicamente porque dicho 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 indefectiblemente. Antes de este nombre poseía diversas denominaciones como "estrella congelada", "ojo del diablo", entre otros. 

¿COMO SE FORMAN LOS AGUJEROS NEGROS?

Los agujeros negros se forman a partir de estrellas moribundas las cuales luego de un proceso natural empiezan a acumular una enorme concentración de masa en un radio mínimo de manera que la velocidad de escape de esta estrella es mayor que la velocidad de la luz. A partir de esto la ex estrella no permite que nada se escape a su campo gravitatorio, inclusive la luz no puede escapar de ella. Para entender con mayor claridad lo anteriormente escrito es conveniente que estudiemos las fases en la formación de una estrella: 

Formación de estrellas - El límite de Chandrasekhar 

Para empezar, no todas las estrellas se pueden convertir en agujeros negros, para ello deben de cumplir ciertos requisitos como por ejemplo el tamaño, tiempo de vida, entre otras características. 

Las estrellas se forman a partir de grandes concentraciones de gas, principalmente hidrógeno, por efectos gravitatorios los átomos que conforman estos gases empezarán a colapsar unos contra otros contrayéndose y generando un calentamiento del gas, el calor poco a poco se incrementará llegando a generarse reacciones importantes entre los átomos (transformación de moléculas de Hidrógeno en Helio). Estas reacciones provocan emanaciones de energía altísimas que le dan a las estrellas la luminosidad característica. Todo esto ocurre hasta un momento en que los átomos llegan a alcanzar un equilibrio a partir del cual dejan de contraerse. El Sol se encuentra en estos momentos en este equilibrio, en el que no existe ningún tipo de contracción por parte de sus componentes. 

Ahora bien, durante el período de tiempo que toma el proceso de contracción de los átomos la estrella sigue acumulando más gases y crece en tamaño, este tamaño fue estudiado por Subrahmanyan Chandrasekhar, quien indicó el tamaño máximo que una estrella puede alcanzar antes de llegar a consumir todo su combustible natural. Chandrasekhar descubrió el límite al cual una estrella puede crecer de manera que su masa pueda llegar a ser tal que la estrella llegue al límite de soporte de su gravedad. (Esto puede resultar un poco complicado de explicar así que tómalo con calma). ¿Qué significa lo anterior? que si la estrella es muy grande su gravedad podría provocar que esta "se derrumbe sobre sí misma" (para entenderlo piensa en un huevo cayendo a 400 metros de profundidad bajo el mar, lo que sucedería es que el huevo se rompería por efecto de la presión del agua la cual se ejerce de manera perpendicular sobre la superficie del huevo antes de caer al fondo del mar). 

Bueno, sucede entonces que este señor Chandrasekhar calculó matemáticamente que la masa crítica de una estrella sería igual a 1,5 veces la masa del sol a ésta masa se le denomina el límite de Chandrasekhar, por debajo de éste límite encontramos a las enanas blancas y las estrellas de neutrones mientras que por encima de ese límite... bueno no fue hasta 1939 que se logró explicar que sucedería con una estrella con una masa mayor a la del límite de Chandrasekhar, esa estrella poseería un campo gravitatorio tan fuerte que los rayos de luz emanados de la estrella empiezan a irradiarse hacia la superficie (como un boomerang), poco a poco los rayos de luz se inclinan con mayor fuerza hacia la misma estrella de la cual emanan. A lo lejos un observador contemplará como la estrella pierde luminosidad tornándose roja (un efecto parecido a cuando las baterías de una lámpara se van acabando de a pocos), Cuando la estrella llegue a alcanzar un radio crítico el campo gravitatorio crecerá de manera exponencial llegando finalmente a atrapar a la misma luz dentro de ella. 

En este instante el agujero negro ha sido creado y su presencia sólo puede ser notada por la emisión de rayos X que provoca. 

¿COMO LOS DETECTAMOS?

Bueno, no existen registros de que alguien haya podido detectar un agujero negro con telescopios comunes, lo que se hace normalmente es utilizar medidores de rayos X para detectarlos pues los agujeros negros son grandes emisores de estos rayos debido a la pérdida superficial de materia por parte de un cuerpo que es absorbido por un agujero negro, también son detectados debido al efecto que tienen sobre los cuerpos visibles que se encuentran alrededor de estos agujeros negros. 

Detectando un Agujero Negro 

En la foto arriba mostrada apreciamos como puede ser detectado un agujero negro; Nota el brillo que está distanciado del punto verde (centro de la galaxia M82) en la zona central izquierda de la foto, a 600 años luz. El patrón de variabilidad de emisión de rayos X por parte de la fuente indica que se trata de un agujero negro. 

La foto es la primera evidencia tangible de la presencia de agujeros negros fuera del centro de cualquier galaxia, y se cree que representa una nueva especie de agujero negro formado por el colapso de una "hiperestrella" (estrella masiva) formada por la coalición de varias estrellas. 

Estas fotos fueron captadas por el radioscopio Chandra, el cual tuvo captado el objetivo (galaxia M82) por aproximadamente 30 horas. 

¿Se pueden realmente medir?

Tal como lo describe Ted Bunn en "Black Holes FAQ", no podemos hablar de una única medida de grandeza de los agujeros negros ni en general de nada que exista; sino que debemos de tomar en cuenta el espacio que ocupa en el universo y la masa que posee. 

Masa de los agujeros negros 

Si analizamos la segunda propiedad debemos de considerar que hasta el momento lo que se sabe de la masa que poseen los agujeros negros es que esta no tiene límites conocidos (ningún máximo ni mínimo). Pero si analizamos las evidencias actuales podemos considerar que dado que los agujeros negros se forman a partir de la muerte de estrellas masivas debería de existir un límite máximo del peso de los agujeros negros que sería a lo mucho igual a la masa máxima de una estrella masiva. Dicha masa límite es igual a diez veces la masa del Sol (más o menos 1x1031 kilogramos o si no lo entiendes 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 kilogramos). En los últimos años se ha encontrado evidencia de la existencia de agujeros negros en el centro de galaxias masivas. Se cree a partir de esto que dichos agujeros negros poseerían una masa de un millón de soles). 

Tamaño de los agujeros negros 

Si analizamos el tema del espacio que ocupa un agujero negro debemos de considerar como parámetro principal una variable matemática denominada el radio de Schwarzchild el cual es el radio del horizonte de sucesos que comprende al agujero negro (dentro de este radio la luz es absorbida por la gravedad y cualquier cuerpo es absorbido con una fuerza gravitatoria infinita hacia el centro del agujero negro no pudiendo escapar de éste). Ahora bien los científicos han logrado hallar una relación directa entre la masa y el espacio ocupado de un agujero negro, esto significa que si un agujero negro es diez veces más pesado que cualquier estrella ocupará también diez veces el espacio ocupado por esa estrella. Para darnos una idea más clara compararemos el tamaño del sol con un agujero negro súper masivo, el sol posee un radio de aproximadamente 700,000 kilómetros mientras que el agujero negro súper masivo poseerá un radio de a lo más cuatro veces más grande que el del Sol. 

¿Los agujeros negros se comerían todo el universo?

La respuesta a esto deja de ser complicada y es bastante simple... NO, y te explico por qué, habíamos definido un agujero negro... bueno Stephen Hawking lo hizo junto a Roger Penrose hace aproximadamente 40 años, como el horizonte de sucesos dentro del cual todo objeto es absorbido irremediablemente hacia el centro de dicha singularidad. Pues bien, ¿a qué nos referimos con horizonte de sucesos?, ¿recuerdas el radio de Schwarzchild? bueno, si no lo recuerdas era el radio a partir del cual un agujero negro tragaba irremediablemente a todo objeto, es decir, dicho radio definía el horizonte de sucesos, entonces dichos radios en los agujeros negros conocidos no son del tamaño del universo (es más, no se sabe a ciencia cierta el tamaño del universo aunque se tiene una idea aún vaga). 

Esto significa que los agujeros negros podrán tragarse cuerpos cercanos pero no absorberán a todos los objetos del universo. A no ser que un porcentaje considerable de la materia en el universo se convierta en agujeros negros... pero eso es improbable. 

El efecto es similar al de la gravedad normal, éste tiene un campo de acción luego del cual no logra alterar en gran medida a los demás objetos, por ejemplo, la atracción gravitatoria terrestre sólo afecta a los cuerpos que pasan cerca de él (la Luna y algunos planetas) pero no afectará a las estrellas que componen toda la vía láctea o menos de otra galaxia. 

Especulaciones 

Respecto a este tema se ha especulado mucho, se han presentado una serie de teorías, algunas disparatadas y otras no tanto, se dice de los agujeros negros que son la puerta al cielo, mientras que otros plantean que los agujeros negros podrían ser una especie de tele transportadores de la materia (esta visión fue presentada inicialmente hace más de 25 años en la serie "Star Trek" pero todas ellas no son mas que conjeturas sin base plenamente demostrable. Lo único cierto es que, hablando respaldados por la ciencia, un agujero negro posee un límite en su radio de acción, así que calma, que hasta donde sabemos el universo va a seguir su marcha inexorable. 

En esta fotografía podemos apreciar cómo un agujero negro empieza a absorber a un objeto cercano, en este caso se trata de una estrella que poco a poco va siendo absorbida por un agujero negro cercano a ella, éste agujero posee una distancia de alcance considerable, pero no podría afectar a otros objetos fuera de esa distancia. 

La foto fue captada por el radio telescopio Chandra en 1999 y forma parte de una serie de imágenes que poco a poco va demostrando que los agujeros negros cumplen ciertas características planteadas inicialmente con el uso de las matemáticas y los conocimientos derivados de la teoría de la relatividad. 

¿Existen los agujeros blancos? 

Si se analizan en detalle las ecuaciones de las que se derivan las propiedades relativistas vamos a encontrar siempre que teóricamente existe una solución simétrica para cada una de ellas, es decir, así como tenemos la idea de que para la materia existe la antimateria, o a lo negro se opone lo blanco, de igual manera podemos deducir teóricamente que debe de existir algo que posea características completamente opuestas a la de los agujeros negros. 

Para este caso, sabemos que los agujeros negros son definidos como un horizonte de sucesos dentro del cual todo objeto no importando su estado es atrapado indefectiblemente por una fuerza gravitatoria inmensa (casi infinita), por oposición podemos entender que debe de existir (al menos teóricamente) un agujero blanco con un horizonte de sucesos en donde todo lo que esté dentro de él será violentamente repelido, tal vez con una fuerza inmensa (casi infinita) esto nos lleva a pensar en las ideas (nuevamente las cito) de la materia y la antimateria. Pero lo interesante está en que si bien las matemáticas efectivamente pueden darnos una respuesta simétrica tan controversial, también es cierto que un horizonte de sucesos con esas características es improbable y hasta el momento no ha habido descubrimiento que contradiga su no existencia real. 

¿Y los agujeros de gusano? 

Los agujeros de gusano son consecuencia de un agujero negro que se encuentra girando con cargas determinadas, esto provocaría que esté simultáneamente interactuando con un agujero blanco, la combinación de ambos es denominado un agujero de gusano. 

Sin embargo, como hemos visto, los agujeros blancos no existen y si alguien cae en un agujero negro llegará a dirigirse hacia el centro de la singularidad pero no atravesará un agujero de gusano pues este requiere que exista un agujero blanco. Pero teóricamente se piensa que si éste existiera habría una conexión entre la ubicación del agujero negro y como salida se tendría al lugar en donde está ubicado el agujero blanco. (Si viste la película Contacto con Jodie Foster te puedes dar una idea cabal de lo que se dice líneas arriba)