Agujeros Negros - Stephen Hawking

La primera persona que llamó a los agujeros negros de esta forma, fue hecha por John Wheeler en 1969. En ese tiempo existían dos teorías sobre la luz: una hecha por Newton, que decía que la luz estaba compuesta por partículas, y la otra que decía que estaba formada por ondas; hoy en día sabemos que ambas teorías son verdaderas. Como la luz está compuesta por partículas, se podía esperar que estas fuesen afectadas por la gravedad del mismo modo que lo son las balas. Bajo esta suposición John Michell señalaba que una estrella que fuera suficientemente masiva y compacta tendría un campo gravitatorio tan intenso que la luz no podría escapar. Estos objetos son los que hoy llamamos agujeros negros, ya que es precisamente lo que son: huecos negros en el espacio.

No es realmente consistente tratar a la luz como balas en la teoría de la gravedad de Newton, porque la velocidad de la luz es constante. ¿Cómo puede afectar la teoría de la gravedad a la luz? No hubo una teoría consistente hasta que Einstein propuso la teoría de la relatividad.

Una estrella muere cuando consume todo su combustible; cuanto más combustible posee una estrella al principio más pronto se acaba. Esto se debe a que cuanto más masiva es la estrella más caliente debe estar, para contrarrestar la atracción gravitatoria y por supuesto cuanto más caliente esta más pronto consume su combustible. Cuando una estrella se queda sin combustible se enfría y se contrae. Cuando se contrae, el campo gravitatorio en su superficie es más intenso y los conos de luz se inclinan más hacia dentro. Esto hace más difícil que la luz se escape.

Finalmente cuando la estrella se a reducido hasta un cierto radio crítico, el campo gravitatorio llega a ser tan intenso, que los conos de luz se inclinan tanto que la luz ya no puede escapar, y como nada puede viajar más rápido que la luz, tampoco puede hacerlo ningún otro objeto. Por lo tanto estamos en presencia de un conjunto de sucesos, una región del espacio-tiempo, desde donde no se puede escapar. Esta región es lo que denominamos agujero negro. Existen varias teorías sobre lo que hay en el interior de los agujeros negros. La mayoría parecen tener más que ver con la ficción que con la ciencia, pero esto ocurre porque algunas teorías científicas están basadas de situaciones imaginarias. El astrónomo inglés Ian Crawford asegura que el hombre podría atravesar agujeros negros y llegar en instantes a puntos remotísimos del cosmos sin ser desintegrado por las enormes fuerzas gravitatorias. Los agujeros negros son la vía, dice él. La real sociedad Astronómica Británica anunció que en septiembre publicará un documento de Ian Crawford -astrónomo de la universidad de Londres-, donde se describe como los humanos podrían viajar por el espacio a velocidades superiores a la de la luz. De esta manera, se superaría una limitación hasta ahora fuertemente aceptada, marcada por la teoría de la relatividad General de Albert Einstein.

La idea básica, si bien no es una novedad (esa idea, si que es digna de la ciencia ficción): penetrar en un "agujero negro", hendidura causada en el espacio por intensos campos gravitacionales y aparecer en otro punto del universo, quizás a miles de años luz saltando en un instante una distancia prácticamente inimaginable.

Si se conoce la tasa de expansión del Universo, se puede calcular su edad, determinando el tiempo que se requiere para alcanzar su tamaño actual. Éste será de hecho un límite superior, cuando la expansión actual haya disminuido a causa de la atracción gravitatoria mutua entre las galaxias. Los primeros cálculos de la edad del Universo le concedieron un valor de sólo 2.000 millones de años. Esta edad es bastante menor que la de 5.000 millones de años de la tierra que se ha deducido de la abundancia de ciertos isótopos radiactivos.

En 1971, Stephen Hawking teorizó que en la densa turbulencia creada por el fenómeno conocido como Big Bang, se formaron presiones externas las cuales ayudaron en la formación de los mini agujeros negros. Éstos serían tan masivos como una montaña, pero tan pequeños como un protón; radiarían energía espontáneamente, y después de miles de millones de años finalizarían con una violenta explosión.

Investigación sobre los Agujeros Negros

INTRODUCCIÓN

Los agujeros negros - que no son tan negros - son una predicción derivada de la teoría de la relatividad general de Einstein, la teoría moderna de la gravedad. Los agujeros negros son aquellos que no tienen un comportamiento predecible, únicamente la teoría de la relatividad se asemeja a dicho comportamiento. Puede 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 muy masiva.  Debido a las 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.

¿QUÉ ES UN AGUJERO NEGRO?

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.

Es un “agujero” porque las cosas pueden caer, pero no salir de él, y es negro porque ni siquiera la luz puede escapar. 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.

Todo agujero negro está rodeado por una frontera llamada “horizonte de eventos”, de la cual no se puede escapar. Cualquier evento que ocurra en su interior queda oculto para siempre para alguien que lo observe desde afuera. El astrónomo Karl Schwarzschild 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 Schwarzschild. Este radio es un filtro unidireccional, pues cualquier cosa puede entrar, pero no salir. La masa de un cuerpo y su radio de Schwarzschild 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, spin 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 material continuaría colapsándose hasta tener radio cero, punto conocido como singularidad, de densidad infinita, con lo cual no se tiene experiencia en la Tierra.

En teoría, los agujeros negros vienen en tres tamaños: mini agujeros negros, agujeros negros medianos y agujeros negros supermasivos.

En 1971, Stephen Hawkings teorizó que en la densa turbulencia creada por el fenómeno conocido como Big Bang, se formaron presiones externas las cuales ayudaron en la formación de los mini agujeros negros. Éstos serían tan masivos como una montaña, pero tan pequeños como un protón; radiarían energía espontáneamente, y después de miles de millones de años finalizarían con una violenta explosión.

Por otro lado, hay buena evidencia de que los agujeros negros medianos se forman como despojos de estrellas masivas que colapsan al final de sus vidas; y de que existen agujeros negros súper masivos en los núcleos de muchas galaxias, incluyendo, de la nuestra, el cual se ha establecido que tiene una masa de 2.5 millones de veces la del Sol. Estos agujeros negros súper masivos tienen un horizonte de eventos mas o menos igual al tamaño del Sistema Solar.

Contradiciendo al mito popular, un agujero negro no es una depredador cósmico, ni de carroñas, ni de exquisiteces espaciales. Si el Sol se pudiera convertir en un agujero negro de la misma masa, la única cosa que sucedería sería un cambio de la temperatura de la tierra. La frontera de un agujero negro no es una superficie de material real, sino una simple frontera matemática de la que no escapa nada, ni la luz que atraviese sus límites, se llama el horizonte de eventos; cualquier fenómeno que ocurra pasada esa frontera jamás podrá verse fuera de ella.

FORMACIÓN DE UN AGUJERO NEGRO

Para entender la formación de un agujero negro, es importante entender el ciclo de formación de una estrella. Una estrella se forma al concentrarse una gran cantidad de gas, principalmente hidrógeno, las cuales, por gravedad empiezan a colapsarse entre si. Los átomos comienzan a chocar unos con otros, lo cual hace que el gas se caliente, tanto que luego de un tiempo las partículas de hidrógeno forman partículas de helio por fusión nuclear. Este calor hace que la estrella brille y 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 de tiempo, y mientras mas combustible tenga la estrella, más rápido se consume, debido a que tiene que producir mas 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. Esto es lo que se conoce como el límite de Chandrasekhar. Si una estrella posee una masa menor a la del límite de Chandrasekhar, puede estabilizarse y convertirse en una enana blanca, con un radio de pocos kilómetros y una densidad de toneladas por cm3. Las estrellas de neutrones también están dentro del límite de Chandrasekhar, siendo para estas 3 masas solares, y se mantienen por la repulsión de electrones. Su densidad es de millones de toneladas por cm3, aquí se incluyen los púlsares, los cuales son estrellas de neutrones en rotación. En 1939, Robert Openheimer describió lo que le sucedería a una estrella si 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.

Dentro del horizonte de eventos, el espacio está tan curvo que nada se puede escapar.

¿CÓMO PUEDE OBSERVARSE UN AGUJERO NEGRO?

Los agujeros negros tienen masa, la cual produce una fuerza gravitacional que afecta a objetos cercanos. La fuerza gravitacional debe ser muy intensa cerca de los agujeros negros, y podrían verse los efectos en su ambiente. El material que cae dentro del agujero negro, y sería aplastado y calentado al tratar de colarse en la pequeña garganta del agujero negro, por lo que produciría rayos-X. El primer ejemplo de un agujero negro fue descubierto precisamente por ese efecto gravitacional en una estrella acompañante, en 1971.

Cygnus X-1 es el nombre que se le dio a una fuente de rayos X en la constelación Cygnus, descubierta en 1962 con un primitivo telescopio de rayos X que se envió a bordo de un cohete. Para 1971, la localización de la fuente de rayos X en el cielo se había medido con mayor precisión, usando observaciones de cohete y satélite. Un avance fundamental se dio en marzo de 1971, cuando una nueva fuente de ondas de radio se descubrió en Cygnus, cerca de la posición de la fuente de rayos X. La señal de radio variaba exactamente al mismo tiempo que la intensidad de rayos X, una fuerte evidencia de que la fuente de radio y la de rayos X eran el mismo objeto. Una estrella débil llamada HDE 226868 aparece en la posición de esta fuente de radio. Los astrónomos que estudiaban la luz de HDE 226868 habían encontrado dos hechos importantes: (1) HDE 226868 es una estrella súper gigante azul - una estrella normal, masiva, cerca del final de su vida; y (2) la estrella gira alrededor de otro objeto masivo en una órbita con período de 5.6 días. Conociendo la fuerza necesaria para mantener a HDE 226868 en órbita, se puede calcular la masa de la compañera, la cual es de cerca de 10 masas solares. Pero no hay signos de luz visible de ella y algo en el objeto produce rayos X.

La explicación o "modelo" que mejor se ajusta a estos hechos es que la compañera es un agujero negro de cerca de 10 masas solares, el cadáver de una estrella masiva que alguna vez fue la compañera de HDE 226868. Los rayos X son producidos conforme el gas de la atmósfera de la súper gigante azul cae hacia el objeto colapsado y se calienta. El objeto colapsado no puede ser una enana blanca o una estrella de neutrones, porque estos objetos no pueden tener masas mayores de 1.44 y 3 masas solares, respectivamente. Nunca podremos "probar" esta teoría de Cygnus X-1 "viendo" el agujero negro, pero la evidencia circunstancial es fuerte. Otros tres objetos: LMC X-3 en la nube mayor de Magallanes, y A0620-00 y V404 Cygni en nuestra galaxia, también se cree que tienen agujeros negros como una de sus componentes.

A pesar de la dificultad al descubrir los agujeros negros, se estima con certeza que muchas estrellas a través del tiempo en el universo han perdido toda su energía y han tenido que colapsarse. Tal vez el número de agujeros negros es más grande que el número de estrellas visibles.

 El horizonte de eventos esta formado por los caminos en el espacio -tiempo de los rayos de luz que no alcanzan a escapar. Los rayos de luz que están en esta frontera se moverán eternamente, sin embargo no podrían chocar entre sí por que los dos rayos de luz serían absorbidos por el agujero, así los "caminos luminosos" se mueven en forma paralela, al nunca acercarse entre sí, el horizonte permanece constante o va aumentando con el tiempo. Al caer materia dentro del agujero negro el área del horizonte de eventos aumenta.

EVIDENCIAS

Diferentes equipos de astrónomos han anunciado haber encontrado evidencias que permiten casi, prácticamente, asegurar la existencia de los agujeros negros en el universo. Junto a las detecciones de rayos X y gamma, se ha sumado el monitoreo que ha efectuado el Hubble Space Telescope (HST), con los nuevos instrumentos instalados en él sobre 27 galaxias cercanas, en las cuales, en algunas de ellas, se han podido detectar rastros de la desaparición de un sinnúmero de estrellas y otras que están siguiendo el mismo destino, como si fueran engullidas por un poderoso motor termonuclear. También, se ha podido comprobar en el espacio la existencia muy precisa de un disco de acreción de un diámetro de un quinto de año luz --prueba sólida de la existencia de un agujero negro - ubicado en la galaxia 3C390.3, situada a 1.000 millones de años luz de la tierra. El satélite IUE de exploración ultravioleta de la agencia europea del Espacio fue el que hizo el hallazgo y además pudo medirlo. En nuestra galaxia, la vía láctea, desde el año 1990 sabemos de evidencias de contar con un cohabitante agujero negro, ubicado a unos 300 años luz desde la tierra; lo detectó el telescopio Sigma y por su magnitud se le llamó "el gran aniquilador". Recientemente se han descubierto pruebas concluyentes de la existencia de un inmenso agujero negro en el centro de la galaxia elíptica gigante M87, que se encuentra a unos 57 millones de años luz de la tierra en la constelación de Virgo. Se estima que este agujero negro tiene una masa equivalente a la de 3.000 millones de soles, compactada en un espacio de unas 11 horas-luz de diámetro.

Pero mayores evidencias sobre posibles agujeros negros siguen apareciendo. Una de las más relevantes registrada recientemente es la encontrada en la galaxia activa NGC 6251, ubicada a 300 millones de años luz desde la Tierra en la constelación de Virgo. Una sorprendente visión reportada por el Telescopio Espacial Hubble de un disco o anillo de polvo, urdido por efectos gravitatorios, que se trasluce a través de la emisión de un chorro de luz ultravioleta que estaría emanando desde un posible agujero negro.

Se trata de un fenómeno nuevo para los investigadores observadores del cosmos. Anteriormente, todo lo que se había podido detectar como evidencia de la existencia de un agujero negro era la detección de los efectos gravitatorios que éste genera en los objetos que van siendo atraídos a traspasar el horizonte de eventos, formando en ello una especie de disco de circunvalación constituido como una “dona” que conforma un capullo que rodea a algo gravitatoriamente poderoso, pero que de ello solamente era factible distinguir la luz intensiva que emana desde los gases calientes que ya se encuentran atrapados por la gravedad del agujero negro, el cual se hallaría empotrado en medio de la “dona”.

Pero lo que encontró el Hubble, es bastante más de lo que anteriormente habíamos podido ver sobre un agujero negro. En esta ocasión, se ha podido observar como ese agujero ilumina el disco de circunvalación que lo rodea, cuestión esta última, no muy extraña para una gran mayoría de físicos teóricos. En las tomas del Hubble se puede distinguir luz ultravioleta reflejándose sobre un lado del disco, el cual se encontraría urdido como la parte superior de un sombrero.

Tal urdidura podría ser producto de perturbaciones gravitacionales que se estuvieran generando en el núcleo de la galaxia que almacena el disco, o bien, al pressing que genera el eje de rotación del agujero negro sobre el de la galaxia.

Si bien todavía no se conocen las posibles medidas de este agujero negro, las evidencias de su existencia se encuentra en la poderosa emisión que se detecta en la eyección de radiaciones que alcanza un espacio de tres millones de años luz y de las partículas que se han visto emanar desde la ubicación del agujero negro en el eje mismo de esta galaxia activa elíptica. Se piensa que muchas galaxias denominadas activas son la cuna de una apreciable cantidad de agujeros negros.