Los Agujeros Negros

Introducción

Cuando en la primera década del siglo XX (1905 para ser más exactos) Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad muy pocos pudieron visualizar el gran impacto que esta teoría podría tener en la física y en el entendimiento de los fenómenos estelares. Con la observación de un eclipse solar en 1919 se corroboró que su teoría tenía grandes bases para poder entender mejor al universo. Si bien Einstein no recibió por éste trabajo el premio Nóbel de física al menos brindó a los astrónomos la posibilidad de poder entender los descubrimientos que se realizarían en las décadas posteriores. Uno de estos descubrimientos fue la existencia de los agujeros negros.

Los agujeros negros, vistos desde la perspectiva que nos brinda la teoría de la relatividad y de las teorías que de ella se derivaron nos muestran una inquietante visión de un universo que día a día nos sorprende más, con estrellas evolucionando, planetas que podrían albergar vida y un misterioso comportamiento en el interior de los agujeros negros en donde las cosas no pueden ser explicadas con los conocimientos que poseemos, pues allí dentro, ni la física ni las matemáticas que conocemos (o que estamos conociendo) se cumplen.

El sólo hecho de saber que las cosas tal como las conocemos no funcionan siguiendo nuestra lógica convierte de por sí a los agujeros negros en un fenómeno más que interesante. ¿Podemos imaginar poder tener un movimiento cuya distancia no puede ser medida? ¿O tal vez imaginar un disco compacto con cinco caras y que pueda ser a la vez bidimensional?

Cosas tan extrañas como las que han sido mencionadas son las que provocan el interés en los agujeros negros.

¿Qué pasará con los agujeros negros en el universo?, ¿cómo se comportan y qué tamaño tienen?, ¿un agujero negro acabará con la existencia del universo tal como lo conocemos? éstas preguntas frecuentes e inquietantes intentarán ser resueltas en los vínculos siguientes y tratarán de mostrarte de manera simple lo que hasta ahora conocemos acerca de los agujeros negros.

LOS AGUJEROS NEGROS

CONCEPTOS BÁSICOS.

Un agujero negro es una región finita del espacio-tiempo, con un campo gravitatorio tan fuerte que ni siquiera la radiación electromagnética puede escapar de su proximidad. Un campo de estas características puede corresponder a un cuerpo de alta densidad con una masa relativamente pequeña -como la del Sol o menor- que está condensada en un volumen mucho menor, o a un cuerpo de baja densidad con una masa muy grande, como una colección de millones de estrellas en el centro de una galaxia.

Es un "agujero" porque las cosas pueden caer, pero no salir de él, y es negro porque es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo la luz. Cualquier evento que ocurra en su interior queda oculto para siempre para alguien que lo observe desde afuera. Otra forma de decirlo es que un agujero negro es un objeto para el que la velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz, conocido como el último límite de velocidad en el universo.

La curvatura del espacio-tiempo o gravedad de un agujero negro debido a la gran cantidad de energía del objeto celeste al ser provoca una singularidad encerrada por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Dicho horizonte de sucesos separa la región de agujero negro del resto del universo. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la cual predijo la existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio.

En la década de los años 1970 Hawking y Ellis demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros, previamente en 1963 Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometría casi-esférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y su momento angular L.

El astrónomo Karl Schwarszchild demostró que el radio del horizonte de eventos, en kilómetros, es tres veces la masa expresada en masas solares; esto es lo que se conoce como el radio de Schwarszchild. Este radio es un filtro unidireccional, pues cualquier cosa puede entrar, pero no salir. La masa de un cuerpo y su radio de Schwarszchild son directamente proporcionales.

Además según la relatividad general, la gravitación modifica el espacio - tiempo en las proximidades del agujero.

Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espín y carga eléctrica. La forma de la material en un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, la materia continuaría colapsándose hasta tener radio cero, punto conocido como singularidad, de densidad infinita, con lo cual no se tiene experiencia en la Tierra.

Se cree que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros súper masivos. La existencia de agujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en especial a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas.

HISTORIA DEL AGUJERO NEGRO.

Un catedrático de Cambridge, John Michell, escribió en 1783 un artículo en el Philosophical Transactions of the Royal Society of London en el que señalaba que una estrella que fuera suficientemente masiva y compacta tendría un campo gravitatorio tan intenso que la luz no podría escapar: la luz emitida desde la superficie de la estrella sería arrastrada de vuelta hacia el centro por la atracción gravitatoria de la estrella, antes que pudiera llegar muy lejos. Michell sugirió que podría haber un gran número de estrellas de este tipo. A pesar que no seriamos capaces de verlas porque su luz no nos alcanzaría pero si notaríamos su atracción gravitatoria.

Estos objetos son los que hoy en día llamamos agujeros negros, ya que esto es precisamente lo que son: huecos negros en el espacio. Por aquel entonces la teoría de Newton de gravitación y el concepto de velocidad de escape eran muy conocidos. Michell calculó que un cuerpo con un radio 500 veces el del sol y la misma densidad tendría, en su superficie, una velocidad de escape igual a la de la luz y sería invisible.

En 1796, el matemático francés Pierre-Simón Laplace explicó en las dos primeras ediciones de su libro Exposition du Systeme du Monde la misma idea. Pero al ganar terreno la idea de que la luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores.

En 1915, Einstein desarrolló la relatividad general y demostró que la luz era influenciada por la gravedad. Unos meses después, Karl Schwarszchild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarszchild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel entonces. El propio Schwarszchild pensó que no era más que una solución matemática, no física.

En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró que un cuerpo con una masa crítica, ahora conocida como límite de Chandrasekhar, y que no emitiese radiación, colapsaría por su propia gravedad porque no había nada que se conociera que pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de atracción gravitatoria sería mayor que la proporcionada por el principio de exclusión de Pauli). Sin embargo Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzaría un tamaño nulo, lo que implicaría una singularidad desnuda de materia, y que debería haber algo que inevitablemente pusiera freno al colapso, línea adoptada por la mayoría de los científicos.

En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podría sufrir un colapso gravitatorio y por tanto los agujeros negros podrían ser formados en la naturaleza. Esta teoría no fue objeto de mucha atención hasta los años 60 porque se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica después de la guerra.

Entre 1965 y 1970, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en determinados casos no se podía impedir que de un colapso se crease un agujero negro.

En 1967, sin embargo, el estudio de los agujeros negros fue revolucionado por Israel Werner, un científico canadiense (que nació en Berlín, creció en Sudáfrica, y obtuvo el título de doctor en Irlanda). Israel demostró que, de acuerdo con la relatividad general, los agujeros negros sin rotación debían ser muy simples; eran perfectamente esféricos, su tamaño solo dependía de su masa, y dos agujeros negros cualesquiera con la misma masa serian idénticos. De hecho, podrían ser descritos por una solución particular de las ecuaciones de Einstein, solución conocida desde 1917, hallada gracias a Karl Schwarszchild al poco tiempo del descubrimiento de la relatividad general.

Al principio, mucha gente, incluido el propio Israel, argumentó que puesto que un agujero negro tenía que ser perfectamente esférico, sólo podría formarse del colapso de un objeto perfectamente esférico. Cualquier estrella real, que nunca sería perfectamente esférica, solo podría por lo tanto colapsarse formando una singularidad desnuda.

Hubo, sin embargo, una interpretación diferente del resultado de Israel, defendida, en particular, por Roger Penrose y John Wheeler.

Ellos argumentaron que los rápidos movimientos involucrados en el colapso

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