Hablemos sobre Agujeros Negros

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Con esta publicación voy a iniciar una serie sobre algunos objetos estelares interesantes y voy a comenzar con él que quizá es más conocido por todos, pues incluso ha pasado a formar parte de la cultura popular. Los agujeros negros.

¿Qué son los agujeros negros?

Los agujeros negros, son quizá uno de los fenómenos más enigmáticos y complicados de entender de todos lo que se dan en la naturaleza, esto ocurre precisamente porque en ellos, las leyes que rigen todos los objetos que nos rodean, pierden sentido.

Un agujero negro es una singularidad, un punto del espacio tiempo donde se ha concentrado tanta masa en relación a su volumen, que el espacio tiempo se ha colapsado en una especie de, aunque el ejemplo no sea el mejor, vórtice, que es capaz de absorber cualquier clase de materia o radiación que se aproxime lo suficiente a él.

Los agujeros negros, teóricamente, se pueden formar a partir de cualquier clase de materia que sea comprimida lo suficiente (mas allá del radio de Schwarzschild), pero en la práctica, son producto del colapso gravitatorio de estrellas cuya masa, se estima debe ser superior a 30 masas solares.

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Una de las principales características de los agujeros negros es la que les da su nombre, absorber cualquier tipo de materia y radiación que se aproxime lo suficiente a ellos, incluyendo la luz, por lo que, en sí mismos, serían completamente negros al ojo humano.

En nuestra galaxia se ha comprobado la existencia de varios agujeros negros, de ellos se pueden destacar Cignus X1, en la constelación del Cisne, por ser el primero en ser descubierto; Sagitarius A, el agujero negro supermasivo ubicado en el centro galáctico y J1650–500, ubicado en la constelación del Altar, por ser el más pequeños conocido. Así mismo se han detectado agujeros negros supermasivos en los centros de otras galaxias, e incluso se han percibido las ondas gravitacionales producto de la fusión de dos agujeros negros galácticos.

Los agujeros negros fueron predichos, como un producto de la Teoría de la Relatividad General de Einstein y originalmente fueron denominados Singularidades de Schwarzschild, por ser Karl Schwarzschild, quien diera la primera solución exacta a las ecuaciones de campo de Einstein, que permitían deducir la existencia de este tipo de objetos. Fue John Archibald Wheeler, un físico teórico estadounidense, quien diez años después de la muerte de Einstein, les daría el nombre de agujeros negros. Mientras que, fue en 1964 que se encontró, mediante un detector montado en un cohete suborbital, una intensa fuente de Rayos X, en la constelación de Cisne, que seria denominada Cisne X1, la cual años después sería identificada como un agujero negro, orbitando una estrella supergigante azul, cuya materia cae en el agujero negro, formando un Disco de acreción¹, el cual debido a su alta temperatura emite radiación en la banda de los Rayos X.

¿Cómo se forman los agujeros negros?

El modelo de formación de los agujeros negros, indica que su origen está en el colapso gravitatorio de una estrella gigante de al menos 30 masas solares, al final de su vida, estas estrellas, expulsan una gran cantidad de materia de sus capas superiores, mientras que su núcleo se colapsa debido a su alta densidad, para formar una estrella Enana Blanca, este tipo de estrellas, son incapaces de realizar fusión nuclear y brillan escasamente debido al calor residual. En las enanas blancas, los átomos están tan comprimidos que los electrones están muy próximos al núcleo, estas estrellas mantienen su estabilidad gravitacional gracias a la degeneración electrónica producto del Principio de Exclusión de Paulí². Una enana blanca es tan densa que una, con masa igual a la de nuestro Sol, tendría un diámetro similar al de la tierra.

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Si la masa de una enana blanca supera el Límite de Chandrasekhar³, que corresponde a las 1,44 masas solares, sus átomos son comprimidos a tal medida por la gravedad, que los electrones son forzados a unirse a los protones del núcleo para formas neutrones, esto conduce al colapso gravitatorio de la enana blanca para formar una Estrella de Neutrones.

Las estrellas de neutrones están formadas casi en su totalidad por neutrones, que se mantienen estables gracias a la degeneración de los neutrones, por el principio de exclusión de Pauli, si la masa de la estrella de neutrones excede las 2,25 masas solares, superaría el Límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff⁴, esto ocasionaría un nuevo colapso gravitatorio que conllevaría a la formación de un agujero negro. Este límite originalmente era definido entre las 1,5 y 3 masas solares, sin embargo, la reciente detección de ondas gravitacionales, provenientes del evento GW170817⁵, permitió fijarlo entre las 2,10 y 2,25 masas solares.

En fechas recientes, algunos modelos computacionales, han permitido especular que el colapso de las estrellas de neutrones podría conducir a otro tipo de objetos que se mantendrían estables gravitacionalmente, por efecto de la degeneración de los cuarks, estas serían las Estrellas de Cuarks, sin embargo, este tipo de objetos es completamente hipotético.

¿Cuál es la estructura de los agujeros negros?

Antes de describir la estructura de los agujeros negros, es conveniente aclarar que la imagen que comúnmente está asociada a ellos, que los hace asemejarse a vórtices, embudos o hasta los mismos agujeros, es errada, éstas son estructuras tridimensionales que se dan sobre superficies planas, sujetas a la acción de la gravedad terrestre, mientras que los agujeros negros son objetos que se manifiestan en el espacio bajo el efecto de su propia gravedad. En consecuencia su apariencia asemejaría más a la de una esfera completamente negra, debido a su capacidad de absorber la luz que cae en ellos.

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Desde la perspectiva más simple, los agujeros negros estarían conformados por dos partes, la singularidad, ubicada en el centro, es un punto, en el sentido matemático, carece de volumen y tienen una densidad infinita.

La segunda parte es la región que envuelve esta singularidad, esta región está delimitada por una superficie esférica denominada Horizonte de Sucesos, que está ubicada a una distancia de la singularidad definida por el Radio de Schwarzschild, la cual es la medida del agujero negro y lleva el nombre de quien la teorizo, esta longitud está definida como una función de un único parámetro que es la masa del agujero negro. El horizonte de sucesos, representa el límite a partir del cual cualquier materia o radiación que lo atraviese no puede escapar de caer en la singularidad. Esta región le daría a un agujero negro aislado, la apariencia de una esfera totalmente negra, pues la luz no puede escapar de ella.

Sin embargo, esta estructura representa, como veremos a continuación, la forma más simple de los agujeros negros.

¿Cómo se clasifican los agujeros negros?

Se pueden definir dos formas de clasificar los agujeros negros, por su masa y por sus propiedades físicas.

Según su masa

Agujeros negros supermasivos: este tipo de objetos se caracteriza por tener una masa que puede ser de millones de masas solares, son los agujeros negros que se encuentran en los núcleos galácticos y que dan forma a las galaxias, no existe una teoría clara que explique su origen, sobre ello se han definido varias hipótesis, como provenir del colapso de estrellas supermasivas originadas en los inicios del universo que fueron creciendo por acreción de materia y/o fusión con otros agujeros negros; del colapso de nubes de gas super densas en las primeras etapas del universo, o del colapso gravitacional de grandes y densos cúmulos globulares.

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Agujeros negros de masa intermedia: estos tienen masas que van de las 100 hasta el millón de masas solares, se especula que son el producto del colapso de estrellas supermasivas que luego fueron creciendo por acreción y/o fusión con otros agujeros negros.

Agujeros negros de masa estelar: este es el tipo de agujeros negros que se origina por el colapso gravitacional de estrellas gigantes cuyas masas superan las 30 masas solares. Su masa va de las 3 a las 100 masas solares

Según sus propiedades físicas

Agujeros negros de Schwarzschild, son el tipo más simple de agujero negro y es el que se ha descrito hasta ahora en esta publicación, sin embargo, se especula si pueden existir en realidad, un agujero negro de Schwarzschild, es el producto de la solución exacta que dio Schwarzschild a las ecuaciones de campo de la teoría de la relatividad general de Einstein, este tipo de objetos estaría definido por su masa como único parámetro. Los agujeros negros de Schwarzschild, carecen de carga eléctrica y velocidad angular, y se caracterizan por estar formados por una singularidad puntual y un horizonte de sucesos.

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En la actualidad se discute la posibilidad de que exista en la realidad este tipo de agujeros negros, pues serían el producto del colapso de un objeto supermasivo estático y según las observaciones actuales, todo en el universo se mueve con alguna velocidad angular.

Agujero negro de Reissner-Nordstrøm: este es un tipo de agujero negro estático y con carga eléctrica, se supone que seria el producto del colapso gravitacional de un objeto supermasivo estático y con carga eléctrica. Es el producto de la solución dada por el matemático Hans Reissner y el físico teórico Gunnar Nordstrøm, a las ecuaciones de campo de la relatividad general; en este modelo, son pertinentes los parámetros masa y carga eléctrica.

Estos agujeros negros se caracterizan por estar conformados por dos regiones, determinadas por los dos valores producto del signo de la raíz cuadrada que define al radio del agujero negro, estas regiones están demarcadas por un limite interno u Horizonte de Cauchy y un límite exterior u horizonte de sucesos.

De acuerdo al valor de la carga eléctrica se pueden dar diferentes situaciones con los limites de ambas regiones, la primera es que exista un límite interior y otro exterior, como ya se describió, otra es que el limite interior y el exterior sea iguales, solapándose, en este caso ambos se anularían, dando lugar a una singularidad desnuda, por considerar inconveniente la existencia de este tipo de objetos, pues se considera que en el universo el campo gravitatorio no permitiría la existencia de una singularidad desnuda y su existencia iría en contra del carácter determinista del universo, Roger Penrose, propuso la Conjetura de la Censura Cósmica⁶.

Finalmente podría ocurrir que el resultado de la raíz que define los radios es un número imaginario, por lo que los radios estarían definidos por números complejos, en este caso, no existiría nada parecido a un agujero negro.

Agujeros negros de Kerr: Un agujero negro de Kerr es un objeto producto del colapso gravitacional de un objeto masivo dotado de momento angular, en consecuencia, sería un agujero negro en rotación. Este tipo de agujeros negros es el producto de la solución dada por el matemático neozelandés Roy Patrick Kerr, a las ecuaciones de campo de la relatividad general, según esta solución los agujeros negros estarían definidos por su masa y momento angular; según se ha podido observar todo en el universo tiene momento angular, aunque no se descarta la existencia de objetos estáticos, por lo que se supone que debe ser el tipo de agujeros negros más común.

Un agujero negro de Kerr, presentaría un horizonte de sucesos elipsoidal, debido a su velocidad de rotación, al mismo tiempo producto de esta velocidad tendría una región externa denominada Ergoesfera en la cual, a causa de la velocidad angular, el espacio tiempo es arrastrado, en ella si bien la luz podría escapar, el arrastre gravitacional le induciría alta energía, provocando la emisión de radiación en forma de rayos X.

Como resultado del arrastre gravitacional de la ergoesfera, si en las inmediaciones del agujero negro se encontrase algún objeto como una nube de gas o una estrella, su materia sería atraída formando un disco de acreción.

Como último aspecto destacable de este tipo de agujeros negros, es que, a consecuencia de su rotación, la singularidad no sería puntual, sino, que tendría forma de un anillo o toro, esto daría lugar, teóricamente, a la posibilidad de que un viajero que supere el horizonte de sucesos, pueda escapar de la singularidad rodeándola para luego salir nuevamente del agujero negro en otra región del espacio tiempo, para lo cual requeriría una cantidad de energía descomunal; otra posibilidad es que tras evitar la singularidad, el supuesto viajero pueda salir del agujero negro a través de un Agujero Blanco.

Agujero negro de Kerr-Newman: Este tipo de agujero negro, sería el resultado del colapso gravitacional de un objeto masivo con carga eléctrica y momento angular, su definición es resultado de la solución a las ecuaciones de campo de la gravedad general, propuesta por los matemáticos Roy Kerr y Ezra Newman, en este modelo son pertinentes como parámetros para la definición del agujero negro, su masa, momento angular y carga eléctrica.

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Estructuralmente, se podría distinguir en él tres regiones, la más interna definida por el limite interno u horizonte de Cauchy, una intermedia definida por el límite externo u horizonte de sucesos y la más externa o ergoesferea.

Al igual que en el caso de los agujeros negros de Reissner-Nordstrøm, el valor de la carga eléctrica podría dar lugar a la existencia de singularidades desnudas, las cuales estarían prohibidas por la conjetura de censura cósmica de Roger Penrose.

¿Qué se experimentaría al ser atrapado por un agujero negro?

Es difícil saber qué ocurriría a un objeto atrapado por un agujero negro, para empezar, para un observador externo el objeto dejaría de ser visible después de cruzar el Horizonte de sucesos, pues la luz no puede escapar de él, pero en los momentos antes de cruzarlo, podría ver como el extremo del objeto que está más próximo al agujero negro, se estira como efecto de la atracción gravitatoria que es más intensa en ese extremo, este estiramiento es llamado espaguetización, al mismo tiempo el observador externo, podría ver que el objeto parece ir más lento mientras más se acerca al horizonte de sucesos, quedando totalmente detenido en el tiempo al tocar el horizonte de sucesos, en este punto el objeto desaparecería lentamente, calcinado por la Radiación de Hawking.

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Ahora bien, desde la perspectiva de un observador que cae en un agujero negro, la situación sería diferente y en gran medida más enigmática, si suponemos que el agujero negro es lo suficientemente grande, de varios millones de masas solares, podría ser arrastrado hacia el sin mayores consecuencias, pues las fuerzas que provocan la espaguetización tendrían menor efecto en un objeto tan pequeño como una persona, hasta hacer contacto con el horizonte de sucesos, la radiación de Hawking no sería lo suficientemente intensa para calcinarlo, por lo que podría cruzar vivo el horizonte de sucesos, más allá de este punto se desconoce que pueda suceder.

Sin embargo, si de un agujero negro de masa estelar se tratara, el tirón gravitatorio sería mayor en un extremo del observador que en el otro, por lo que su cuerpo seria alargado y desgarrado, para luego ser calcinado por la radiación de Hawking al hacer contacto con el horizonte de sucesos.

¿Pueden morir los agujeros negros?

Teóricamente los agujeros negro podrán desaparecer consumidos por la Radiación Hawking, este fenómeno fue descrito por Stephen Hawking, quien teorizó que, producto del principio de incertidumbre de Heisenberg, se producirían pares de partículas y antipartículas virtuales, que a causa de la gravedad del agujero negro se volverían reales, cuando estas partículas se generan en las proximidades del horizonte de sucesos de un agujero negro, obviamente las partículas serían absorbidas por la singularidad o se aniquilarían mutuamente, pero si estas partículas se generaran de tal forma que una de ellas quedara en el interior del horizonte de sucesos y la otra en el exterior, la que quedara por fuera, podría escapar sin ser absorbida por la singularidad, en este proceso el agujero negro perdería energía y masa, a la vez que emitiría radiación térmica, este proceso es más acelerado en la medida que el agujero negro es mas denso, por ello es los agujeros de menor tamaño se da con mayor celeridad que en los supermasivos.

A consecuencia de la radiación de Hawking, cualquier agujero negro aislado, con el suficiente tiempo, terminaría evaporándose.

Bien con esto concluye esta publicación, espero que haya sido de su agrado y estoy atento a sus comentarios. Gracias por su atención.

Notas:

1. Disco de acreción: es una estructura en forma de disco que se forma alrededor de un objeto masivo producto de la atracción gravitacional que ejerce sobre otros objetos cercanos, de los cuales roba materia, la cual termina incrementando la masa del objeto principal. Los discos de acreción pueden extenderse verticalmente formando un toroide alrededor del objeto en cuestión.

2. Principio de exclusión de Pauli: esta es una regla de la mecánica cuántica enunciada por Wolfgang Ernst Pauli, según la cual dos fermiones, partículas que tienen número spin semi entero, no pueden tener los mismos números cuánticos, es decir no pueden compartir el mismo estado, en el mismo sistema.

3. Límite de Chandrasekhar: esta es la mayor masa posible, que puede tener una estrella enana blanca sin colapsar debido a su campo gravitacional, esta masa corresponde a 1,44 masas solares, más allá de esta masa la degeneración de los electrones no puede contrarrestar la gravedad de la estrella, causando su colapso. Este límite fue calculado por primera vez por astrofísico indio Subrahmanyan Chandrasekhar, siendo apenas un autodidacta de 19 años.

4. Límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff: este límite fue calculado inicialmente por Julius Robert Oppenheimer y George Michael Volkoff, basados en trabajos previos de Richard Chace Tolman y es el equivalente al límite de Chandrasekhar, pero para estrellas de neutrones, actualmente se estima que su valor está entre los 2,10 y 2,25 masas solares, más allá de este límite la estrella de neutrones colapsaría a un agujero negro o a otro tipo de estructura estable que serían las hipotéticas estrellas de cuarks.

5. GW170817: detección de ondas gravitacionales realizada por LIGO el 17 de agosto de 2017, cuya fuente además pudo ser estudiada por medios ópticos y radioeléctricos, la señal correspondió al colapso de dos estrellas de neutrones durante su fusión.

6. Conjetura de la Censura Cósmica: indica que no pueden existir en el universo singularidades desnudas, aparte de la que originalmente le dio origen, esto motivado a que, si las singularidades estuvieran desnudas, podrían ser vistas por un observador y al ser su comportamiento desconocido e impredecible, se perdería el carácter determinístico del universo. Este planteamiento no tiene carácter formal y es más una especulación de Roger Penrose, propuesto como un posible campo de estudio.

Referencias:

• BBC.com, Qué es la "radiación de Hawking" de los agujeros negros y por qué no le valió el premio Nobel al físico británico. BBC.com
• BBC.com, El extraño destino que enfrentarías si cayeras en un agujero negro. BBC.com
• Cembranos J., de la Cruz-Dombriz A. y Romero P., Agujeros negros de Kerr-Newman en teoríasf(R). Universidad Complutense de Madrid
• HyperPhysics, Enana Blanca. HyperPhysics
• HyperPhysics, Principio de Exclusión de Pauli. HyperPhysics
• National Geographics. Agujeros negros. National Geographics
• Guerrero J., El agujero negro de Kerr, Universidad de Grenada
• Naukas, ¿Se puede evitar el dolor cuando te precipitas hacia el centro de un agujero negro?. Naukas
• Piero M., Las singularidades desnudas y la hipótesis de censura cósmica. Rewisor.com
• Varela J., El colapso de las estrellas; Chandrasekhar, A hombros de gigantes. Ciencia y tecnología
• Wikipedia, Agujero negro. Wikipedia
• Wikipedia, Agujero negro de Schwarzschild. Wikipedia
• Wikipedia, Agujero negro de Kerr. Wikipedia
• Wikipedia, Agujero negro de Kerr-Newman. Wikipedia