Agujeros negros

Contenidos

Introducción:

AGUJERO NEGRO DEFINICIÓN:

Los agujeros negros son cuerpos celestes con un campo gravitatorio tan fuerte que ni siquiera la radiación electromagnética (La luz) puede escapar de su proximidad cayendo inexorablemente en el agujero. El campo gravitatorio es tan fuerte, debido a que los agujeros negros tienen una masa muy elevada en un espacio finito y muy pequeño.

El cuerpo está rodeado por una frontera esférica, llamada "horizonte de sucesos". Es una superficie que delimita la región del agujero negro y define el límite de velocidad donde la velocidad requerida para evadir el agujero negro supera la velocidad de la luz. Es decir que la luz puede entrar, pero no puede salir, por lo que parece ser completamente negro.
Se llama Horizonte de sucesos ya que el único suceso que puede ocurrir una vez pasada la frontera es el de seguir cayendo en el agujero, ya que no hay velocidad posible suficientemente grande como para escapar de la atracción gravitatoria, ni siquiera a la velocidad de la luz se puede escapar (Aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo).

En nuestro universo, nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz.

Un campo gravitatorio de estas características puede corresponder a un cuerpo de alta densidad con una masa relativamente pequeña, como la del Sol o inferior, 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.

Propiedades

El concepto de agujero negro lo desarrolló el astrónomo alemán Karl Schwarzschild en 1916 sobre la base de la teoría de la relatividad de Albert Einstein. El radio del horizonte de sucesos de un agujero negro de Schwarzschild solamente depende de la masa del cuerpo: en kilómetros es 2,95 veces la masa del cuerpo en masas solares, es decir, la masa del cuerpo dividida por la masa del Sol. Si un cuerpo está eléctricamente cargado o está girando, los resultados de Schwarzschild se modifican. 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.

Nombre:

El nombre de "Agujero negro" se debe al físico teórico Robert H. Dicke quien comparó el fenómeno de caer en un agujero negro espacial con entrar al conocido Agujero negro de Calcuta, que era un calabozo con fama de no salir nadie vivo

Proceso de Penrose:
Se puede entrar a la ergosfera a una velocidad y salir a una velocidad mayor gracias a que se gana "energía cinética", esta ganancia de energía se la arrancaría al propio agujero negro, un agujero negro podría perder casi el 30% de su energía debido a este proceso. Este fenómeno explicaría por ejemplo el desprendimiento de llamaradas de rayos gammas desde el interior de los agujeros negros y también explicaría la expulsión de partículas de alta energía por parte de los quasares.

Esfera de Fotones:
Es una región esférica de los agujeros negros donde la gravedad es tan intensa que los fotones quedan orbitando el agujero negro, aunque se sospecha que también puede existir en una estrella de neutrones. A medida que los fotones se acercan al horizonte de sucesos los que tienen una energía adecuada en lugar de ingresar al agujero negro, viajan en una dirección tangencial conocida como cono de salida. Esto se debe a que no tienen la suficiente energía para escapar y quedan orbitando, aunque el fenómeno no dura a largo plazo.

Los agujeros negros giratorios tienen dos esferas de fotones, cuando un agujero negro rota, arrastra materia a su alrededor, por eso la esfera de fotones más cercana al horizonte de sucesos gira en el mismo sentido que el de rotación, mientras la más alejada gira en sentido contrario. Cuanto mayor sea la velocidad de rotación más alejadas una de otra estarán las esferas de fotones.

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 de sucesos desde el exterior, el tiempo se retrasa con relación al de observadores a distancia, deteniéndose completamente en el horizonte, sin embargo se sostiene que para la materia que esta acercándose al horizonte de sucesos el tiempo transcurre habitualmente cayendo inexorablemente al agujero negro..

Formación de un agujero negro

¿Como se forma un agujero negro?

Pueden formarse durante el transcurso de la evolución estelar. Cuando el combustible nuclear se agota en el núcleo de una estrella (Que sea casi 3 veces más grande que nuestros sol), la presión asociada con el calor que produce ya no es suficiente para impedir la contracción del núcleo debida a su propia gravedad. En esta fase de contracción adquieren importancia dos nuevos tipos de presión. A densidades mayores de un millón de veces la del agua, aparece una presión debida a la alta densidad de electrones, que detiene la contracción en una enana blanca. Esto sucede para núcleos con masa inferior a 1,4 masas solares. Si la masa del núcleo es mayor que esta cantidad, esa presión es incapaz de detener la contracción, que continúa hasta alcanzar una densidad de mil billones de veces la del agua. Entonces, otro nuevo tipo de presión debida a la alta densidad de neutrones detendría la contracción en una estrella de neutrones. Sin embargo, si la masa del núcleo sobrepasa las 2,7 masas solares, ninguno de estos dos tipos de presión es suficiente para evitar que se hunda hacia un agujero negro. Una vez que un cuerpo se ha contraído dentro de su radio de Schwartschild, teóricamente se hundirá o colapsará en una singularidad, esto es, en un objeto sin dimensiones, de densidad infinita.

TIPOS DE AGUJEROS NEGROS:

Según como se formaron, hasta el momento se supone que EXISTEN CUATRO TIPOS DE AGUJEROS NEGROS:
El Agujero Negro de masa estelar, los Microagujeros Negros (también llamados Agujeros negros Primordiales) y los agujeros negros Supermasivos.

Agujero Negro de masa estelar:
Cuando una estrella tiene un tamaño en más de dos veces y media que nuestro sol, al final de su vida termina en un Agujero Negro de masa estelar.

Los Agujeros negros Primordiales:
Actualmente son una hipótesis. La misma indica que se formaron al comienzo del big bang y es una propuesta por los físicos Stephen Hawking (1942-2018) y Bernard Carr (1949). También se teoriza que podrían ser la denominada "materia oscura"
Serían miniagujeros negros que se sospecha viajan a velocidades extremas y su vida es muy corta evaporándose rápidamente, en teoría en los aceleradores de partículas que hay en la tierra se forman estos Microagujeros Negros. No se descarta en el futuro realizar experimentos en La Tierra para detectar estos agujeros negros primordiales. Pero para ello primero los científicos deberán estar seguros que no provocarán accidentes con este experimento.

Agujeros Negros de Masa Intermedia:
(IMBH - siglas en inglés) Tienen entre 100 masas solares a un millón de masas solares. Hay evidencia de sus existencia por medio de métodos de detección indirectos. El primer agujero negro de masa intermedia confirmado, se detectó en 2020 gracias a las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros de masa estelar.

Los agujeros negros Supermasivos:
Son los que existen en el centro de las galaxias y hacen girar a éstas, poseen una masa de miles de millones de la masa de nuestro sol. El agujero negro más masivo conocido hasta la fecha se llama TON 618 y tiene una masa de unos 66 mil millones de veces la del Sol.

TIPOS DE AGUJEROS NEGROS según sus propiedades físicas:

Hay cuatro posibles agujeros negros, según sus propiedades físicas:

1) Agujero negro de Schwarzschild: El mismo no rota ni tiene carga

2) Agujero negro de Reissner-Nordstrøm: No rota, pero tiene carga eléctrica.

3) Agujero negro de Kerr: Rota sobre su eje, pero no tiene carga eléctrica.

4) Agujero negro de Kerr-Newman: El de mayor propiedades, ya que rota y tiene carga eléctrica.

Historia de los descubrimientos de agujeros negros:

En 1994, el telescopio espacial Hubble proporcionó sólidas pruebas de que existe un agujero negro en el centro de la galaxia M87. La alta aceleración de gases en esta región indica que debe haber un objeto o un grupo de objetos de 2,5 a 3.500 millones de masas solares.

El físico inglés Stephen Hawking ha sugerido que muchos agujeros negros pueden haberse formado al comienzo del Universo. Si esto es así, muchos de estos agujeros negros podrían estar demasiado lejos de otra materia para formar discos de acreción detectables, e incluso podrían componer una fracción significativa de la masa total del Universo. En reacción al concepto de singularidad, Hawking ha sugerido que los agujeros negros no se colapsan de esa forma, sino que forman "agujeros de gusano" que comunican con otros universos diferentes al nuestro.

Un agujero negro de masa suficientemente pequeña puede capturar un miembro de un par electrón-positrón cerca del horizonte de sucesos, dejando escapar al otro. Esta partícula sustrae energía del agujero negro, provocando la evaporación de éste. Cualquier agujero negro formado en los comienzos del Universo, con una masa menor de unos pocos miles de millones de toneladas ya se habría evaporado, pero los de mayor masa pueden permanecer.

En enero de 1997, un equipo de astrofísicos estadounidenses presentó nuevos datos sobre los agujeros negros. Sus investigaciones se extendieron a nueve sistemas binarios de estrellas, emisores de rayos X (binarias de rayos X). En cinco de los nueve casos, cuando el material de la estrella de menor masa golpea la superficie del otro objeto, éste emite una radiación brillante en su superficie; se trata de una estrella de neutrones. En las otras cuatro binarias, de las que se creía que contenían agujeros negros, la radiación emitida por el segundo objeto es mínima: la energía desaparecería a través del horizonte de sucesos. Estos datos constituyen el conjunto de pruebas más directo (aunque no definitivo) de la existencia de agujeros negros. El mismo equipo de investigadores informó también del descubrimiento de tres nuevos candidatos a agujeros negros localizados en los centros de las galaxias NGC 3379 (también conocida como M105), NGC 3377 y NGC 4486B.

En junio de 2004: En una galaxia distante a 12.700 millones de años luz se descubrió un agujero negro supermasivo en el centro de dicha galaxia, el objeto se denominó "Q0906+6930 es 16 mil millones de veces más masivo que nuestro sol y tiene una masa del 3% de nuestra vía Láctea, realmente una cifra impresionante". Técnicamente a este tipo de agujero super-masivo se lo denomina "Blazar"

El 11 de febrero de 2016: El Observatorio de interferometría láser de ondas gravitatoria (LIGO) anuncia la detección de las ondas gravitatorias luego de estudiar durante varios meses las señales captadas el día 14 de septiembre de 2015. Estas señales confirmaron la fusión de dos agujeros negros que chocaron entre sí, enviando ondas a todo el universo (como si se tratara de olas que recorren un lago). Valga la analogía. Luego de esa fecha y hasta abril de 2019 se detectaron 11 once eventos de ondas gravitacionales que se originaron a partir de diez agujeros negros fusionados.

El 10 de abril de 2019: Se presenta la primera fotografía de un agujero negro mediante el denominado " Telescopio del Horizonte de Sucesos" E.H.T. (Event Horizon Telescope en inglés) Que en realidad es una red de radiotelescopios distribuidos por todo el planeta
Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Event_Horizon_Telescope

Radiación de Hawking:

Es una hipótesis del físico británico Stephen Hawking (1942-2018). Sería un tipo de radiaciónen en la cuál los agujeros negros pueden emitir debido a efectos cuánticos, y que implica que los agujeros negros no son completamente negros ni eternos, ya que debido a dicha radiación emitida por el agujero negro, éste iría perdiendo masa muy lentamente hasta desaparecer.