Antes de que todo acabe...: Algo de ciencia para recordar nuesra absurda e insignsificante existencia..

AGUJEROS NEGROS (1/3)

INTRODUCCION

La Física es una de las ciencias que más se ha desarrollado en los últimos tiempos, debido a esto múltiples científicos han investigado en diversos campos de la Física, como la astronomía, la cual es un área muy extensa que día a día sorprende a científicos con su comportamiento; una de estas singularidades son los agujeros negros. Este trabajo busca brindar una información clara sobre dichos fenómenos, que relativamente son nuevos y aún más sus estudios y teorías. Estas teorías ayudan a explicar muchos fenómenos del cosmos, por lo tanto este trabajo debe ser tomado como una fracción de un conjunto llamado universo. Los agujeros negros son singularidades que para los cálculos físicos y matemáticos tradicionales no tienen un comportamiento predecible, únicamente la teoría de la relatividad se asemeja a dicho comportamiento. Son lugares en el espacio donde su gravedad es tan fuerte que aun la luz, teniendo la mayor velocidad del universo, no podría escapar. Un agujero negro es una región que tienen una enorme cantidad de masa concentrada en un espacio muy reducido con respecto a ella, sería como comprimir la masa de una gigantesca montaña en un centímetro cúbico. Es interesante anotar, que pueden haber más agujeros negros que estrellas visibles en nuestro universo. Los agujeros negros pudieron ser formados por las irregularidades en la expansión de nuestro universo o por el colapso gravitacional de una estrella. Debido a las fascinantes propiedades de los agujeros negros, se han creado muchas teorías y especulaciones sobre la posibilidad de viajar en el tiempo y el espacio a otro universo (una región del espacio-tiempo diferente de la nuestra) a través de ellos.

1 CONCEPTOS

1.1 DEFINICION Y CARACTERISTICAS.

Los agujeros negros son uno de los fenómenos físicos que más han atraído la curiosidad durante los últimos años. El misterio que encierran y sus características los hacen atractivos e intrigantes para mucha gente, incluso son fuente de discusión entre los científicos. Un agujero negro es un cuerpo celeste 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. Todo agujero negro está rodeado por una frontera llamada horizonte (depende de la masa del cuerpo), que es la región de la que no se puede escapar, si algo permanece afuera del horizonte puede evitar ser absorbido. la luz puede entrar a través del horizonte, pero no puede salir, por lo que parece ser completamente negro. Además según la relatividad general, la gravitación modifica intensamente el espacio y el tiempo en las proximidades de un agujero negro. Cuando un observador se acerca al horizonte desde el exterior, el tiempo se retrasa con relación al de observadores a distancia, deteniéndose completamente en el horizonte. En la parte exterior del horizonte se forma una ergosfera, dentro de la cual la materia se ve obligada a girar con el agujero negro. En principio, la energía sólo puede ser emitida por la ergosfera. La siguiente es una representación esquemática de un agujero negro:

1.2 CRONOLOGIA DE CONCEPTOS

A lo largo de la historia se han desarrollando diferentes conceptos acerca de los agujeros negros que han venido evolucionando, por lo tanto no se le pude dar la autoría a una persona en especial sobre dicho concepto. En 1783 John Michell escribió un artículo en el que describía que estrella que fuera suficientemente masiva y compacta tendría un campo gravitatorio tan fuerte que ni la luz podría escapar. Pocos años después el científico marqués de Laplace incluyo esta idea en su libro "El sistema del mundo", sin embargo, quizás pensó que era una locura y no volvió a publicar documentación al respecto. En 1916 el astrónomo alemán Karl Schwarzschild desarrolló el concepto de agujero negro con base en la teoría de la relatividad de Einstein, que posteriormente describe los agujeros negros sin carga y sin rotación. Se definió el radio de Schwarzschild como el radio del horizonte de sucesos en el que la masa de un cuerpo pude llegar a ser comprimida para formar un agujero negro; la masa de un cuerpo y su radio de Schwarzschild son directamente proporcionales a uno otro: si un agujero negro pesa diez veces más que otro, su radio es diez de veces más grande. En 1963 Roy Kerr describió los agujeros negros en rotación. Los agujeros de "Kerr", rotan a una velocidad constante, su tamaño y forma dependen de la masa y su velocidad de rotación. Si la rotación no es cero el agujero negro se deforma hacia el "ecuador" del agujero negro; a mayor velocidad mayor deformación. Cualquier cuerpo en rotación que formará un agujero negro llegaría a un estado estacionario. También en este año Maarten Schmidt midió el corrimiento rojo de un objeto parecido a una estrella, se pensó que nada más que un colapso gravitatorio de una región central de una galaxia podría haber producido dicho corrimiento de materia y energía. Sin embargo todos están demasiado lejanos y no podemos dar una evidencia concluyente de que sea un agujero negro. Desde 1965 a 1970, Stephen Hawking y Roger Penrose definen una agujero negro como el conjunto de sucesos del cual nada es posible escapar a gran distancia. Demostraron que debe haber una singularidad de densidad y curvatura del espacio-tiempo infinitas dentro de un agujero negro. Esta singularidad no tiene predicción alguna. Penrose propone la hipótesis de la censura cósmica " ´Dios detesta una singularidad desnuda´. En otras palabras, las singularidades producidas por un colapso gravitatorio sólo ocurren en sitios como los agujeros negros, en donde están decentemente ocultas para no ser vistas de fuera". En 1967 Jocelyn Bell descubrió que objetos celestes emitían pulsos de ondas, este descubrimiento lo llamaron "Little Green Men", al pensar que se trataba de un contacto con una civilización extraterrestre. Pero al estudiar dichas ondas les dieron el nombre de pulsars y se debían a estrellas de neutrones en rotación, fue la primera evidencia de que las estrellas de neutrones existían.

En 1967 el científico Werner Israel demostró, basándose en la Teoría de la Relatividad, que los agujeros negros sin rotación eran perfectamente esféricos, su masa determinaba su tamaño, al ser perfectamente esférico solamente se podría haber formado del colapso de un objeto perfectamente esférico, al no ser esférica el colapso formaría una singularidad desnuda. Roger Penrose y John Wheeler, determinaron que los movimientos en el colapso de una estrella desprenderían ondas gravitatorias, y por esto se haría cada vez más esférica. Esto quiere decir que una estrella sin rotación después de un colapso sería perfectamente esférica. En 1969 el científico John Wheeler dio el termino de agujero negro como la descripción gráfica a una época en que existían dos teorías de la luz: la crepuscular (la luz estaba compuesta por partículas) y la ondulatoria. Hoy en día la luz es considerada como onda y como partícula. En 1970 Brandon Carter probó que si un agujero negro rotando de una manera estacionaria tuviera un eje de simetría, su tamaño y su forma dependerían de la masa y la velocidad de rotación. En 1971 Stephen Hawking demostró que cualquier agujero negro rotando de manera estacionaria tendría un eje de simetría. En 1973 David Robinson utilizó el resultado de Carter y Hawking para demostrar la hipótesis de Kerr. Después del colapso el agujero negro tiende a un estado de rotación pero sin pulsaciones (aumento de tamaño). "Este resultado se dio a conocer con la frase: ´Un agujero negro no tiene pelo´. El teorema de la no existencia de pelo, es de gran importancia práctica, porque restringe fuertemente los tipo posibles de agujeros negros." En el momento del colapso gravitatorio se pierde gran cantidad de información, pues todo lo que podemos medir tan solo es la masa del cuerpo y la velocidad de rotación.

1.3 FORMACION

Para entender la formación de un agujero negro es esencial conocer el ciclo de formación de una estrella. Una estrella se forma al concentrarse una gran cantidad de gas (hidrógeno primordialmente), debido a la gravedad estas partículas empiezan a colapsar entre sí. Al contraerse los átomos empiezan a colisionar entre sí, por lo tanto el gas se calienta, tanto que luego de un tiempo las partículas de hidrógeno al chocar se convierte en helio. Ese calor hace que la estrella brille y además para que la presión del gas sea suficiente para equilibrar la gravedad y el gas deja de contraerse. Las estrellas permanecerán estables de esta forma por un largo periodo, contradictoriamente mientras más combustible tenga la estrella más rápido lo consume debido a que tiene que producir más calor. Subrahmanyan Chandrasekhar, calculó lo grande que podría llegar a ser una estrella que fuera capaz de soportar su propia gravedad, antes de que se acabe su combustible. Descubrió una masa (aproximadamente 1,5 veces la masa del sol) en la que una estrella fría no podría soportar su gravedad (límite de Chandrasekhar).

1.3.1 Enanas blancas.

Es una estrella que posee menor a la del límite de Chandrasekhar, puede estabilizarse y convertirse en una enana blanca, con un radio de pocos kilómetros y una altísima densidad (toneladas por cm3). Una de las primeras enanas blancas que se descubrió es la que está girando alrededor de Sirio. Se mantienen por la repulsión de electrones.

1.3.2 Estrellas de neutrones.

También están dentro del límite de Chandrasekhar, pero mucho más pequeñas que las enanas blancas. Estas estrellas se mantienen por la repulsión entre neutrones y protones. Su densidad es de decenas de millones de toneladas por cm3). Los pulsares son estrellas de neutrones en rotación. Se estima que hay de unos cien hasta mil millones de estrellas de neutrones en nuestra Galaxia, pero solo unos diez mil de estas pueden ser pulsares activos, las demás ya se `apagaron' y son difíciles de detectar. De los pulsares activos solo se han detectado un poco menos de un millar.

1.3.3 Agujeros negros.

Robert Openheimer en 1939, explicó que sucedería si una estrella estuviera por fuera del límite de Chandrasekhar. El campo gravitatorio de la estrella cambia los rayos de luz en el espacio-tiempo, ya que los rayos de luz se inclinan ligeramente hacia dentro de la superficie de la estrella. Cada vez se hace más difícil que la luz escape, y la luz se muestra más débil y roja para un observador. Cuando la estrella alcanza un radio crítico el campo gravitatorio crece con una intensidad que la luz ya no puede escapar. Esta región es llamada hoy un agujero negro. Si entendemos lo que significa la gravedad como 4ª dimensión y entendemos la curvatura del universo, un agujero negro sería un lugar en el cual la curvatura sería infinita. Velocidad mínima de escape para algunos cuerpos del sistema solar :