Concepción artística del horizonte de sucesos de un agujero negro. Crédito: Victor de Schwanberg / Science Photo Library
Ilustración de: ZHAOYU LI, SHANGHAI ASTRONOMICAL OBSERVATORY

¿Qué son los agujeros negros?

27-07-2015

Los agujeros negros son definidos como un horizonte de sucesos dentro del cual todo objeto sin importar su estado, es atrapado inevitablemente por una fuerza gravitatoria inmensa (casi infinita).

La denominación "Agujero negro" es atribuida a John Archibald Wheeler, y la utilizó básicamente porque dicho fenómeno traga todo lo que está próximo a él, como si fuera un hoyo al que todos caen inevitablemente, y no es visible.

Historia

En 1783 John Michell planteó la idea de lo que sucedería con una estrella súper masiva que poseería una gravedad tan grande que ni la misma luz escaparía a su gravedad. Pero no fue hasta 150 años después, que el astrónomo de origen bávaro Karl Schwarzchild consiguió explicar matemáticamente el fenómeno de los agujeros negros; para ello se apoyó de los estudios de relatividad que realizó Albert Einstein. A partir de ese estudio se creó la variable del radio de Schwarzchild el cual determina un radio de horizonte de sucesos en el que la masa de un cuerpo puede ser comprimida para formar un agujero negro. Pero el inconveniente es que con esta teoría los recientemente denominados agujeros negros sólo eran conocidos como fenómenos sin carga ni rotación.

En 1963 el físico y matemático Roy Kerr describió el comportamiento teórico de un agujero negro en rotación. Su modelo predecía una rotación constante en velocidad, siendo la forma y el tamaño dependientes de la velocidad de rotación y de la masa del agujero. El modelo indicaba también una relación directa entre la velocidad y el grado de deformación que el agujero poseía, considerando que todo cuerpo que formara el agujero negro llegaría indefectiblemente a un estado estacionario.

Stephen Hawking, junto con Roger Penrose, define al agujero negro como "un conjunto de sucesos del cual nada es posible escapar a gran distancia". Aquí se hace popular la palabra "singularidad" la cual se utiliza para describir las condiciones sumamente especiales en las que se encuentran la densidad y el espacio - tiempo. Penrose define el término "singularidad desnuda" como el estado en donde la densidad y el espacio - tiempo son infinitas, este estado sólo se da dentro de un agujero negro.

No fue hasta luego de diversos estudios e infinidad de descubrimientos que finalmente en 1969 el científico John Wheeler acuñó el término "AGUJERO NEGRO" desde el punto de vista de la naturaleza de la luz (onda - partícula). Esto debido a la fascinante idea de una gravedad casi infinita de la que no escapa nada (ni siquiera la luz).

Formación de un Agujero Negro

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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 de su campo gravitatorio, inclusive la luz no puede escapar de ella.

Para entender de una manera fácil veamos primero cómo es la formación de estrellas y el límite de Chandrasekhar. No todas las estrellas se pueden convertir en agujeros negros, pues deben de cumplir  requisitos como  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. Nuestro Sol se encuentra en equilibrio.

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, es decir, si la estrella es muy grande su gravedad podría provocar que esta "se derrumbe sobre sí misma"

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 mientras que por encima de ese límite se encuentran las estrellas de neutrones. No fue hasta 1939 que se logró explicar qué 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 cómo la estrella pierde luminosidad tornándose roja. 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.

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.

¿Cuál es la masa de un agujero negro?

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 se toma en cuenta el espacio que ocupa en el universo y la masa que posee.

Si esto se analiza, debemos de considerar que hasta el momento lo que se sabe de la masa que poseen los agujeros negros es que ésta 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. 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.

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 Tamaño de un Agujero Negro

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 sin poder escapar). 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. Se había definido un agujero negro...pero 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. ¿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.

¿Qué efectos tienen los Agujeros Negros sobre la Tierra?

El agujero negro más cercano a nuestro planeta está bastante lejos (al menos lo que conocemos), Sin embargo los investigadores a nivel mundial llevan un registro constante no solo de la actividad de los agujeros negros ya detectados sino también están a la búsqueda de nuevos agujeros negros y de estrellas moribundas que estén a punto de entrar a la fase de agujero negro.

Actualmente se presume que en el centro de nuestra galaxia existe un agujero negro, el cual provoca el movimiento y la forma de ella, esto no debe de asustarnos pues con los conocimientos actuales se ha concluido que sus efectos sobre nuestro Sistema Solar y sobre nuestro planeta son prácticamente nulos. Aunque se han encontrado evidencias de la presencia de agujeros negros fuera de los centros de galaxias, esto abre un nuevo campo de estudio pues modifica y amplia los posibles tipos de agujeros negros que pueden existir.

 

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