agulero negro
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[agujeros negros] 24 de octubre de 2014
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Dedicatoria: Este trabajo está hecho con el fin de poder darle alegría a mis padres ya que ellos son el motor y motivo de que haya llegado a donde estoy y poder seguir adelante con mis metas
[agujeros negros] 24 de octubre de 2014
Índice:
DEDICATORIA 3
INDICE 4
INTRODUCCION 5
HISTORIA DE LOS AGUJEROS NEGROS 6-8
AGUJEROS NEGROS 9-13
CLASIFICACION DE LOS AGUJEROS NEGROS 14-15
DESCRIPCION TEORICA 16-20
FORMACION AGUJEROS NEGROS 21-26
¿COMO SE PUEDE OBSERVAR LOS AGUJEROS NEGROS? 27-32
EVIDENCIA 33-44
CONCLUSION 45
BIBLIOGRAFIA 46-47
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[agujeros negros] 24 de octubre de 2014
I. 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 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. 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 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.
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II.Historia del agujero negro
Imagen simulada de cómo se vería un agujero negro
con una masa de diez soles, a una distancia de 600
kilómetros, con la vía láctea al fondo (ángulo
horizontal de la abertura de la cámara fotográfica:
90°).
El concepto de un cuerpo tan denso que ni siquiera la luz puede escapar de él, fue
descrito en un artículo enviado en 1783 a la Royal Society por un geólogo inglés
llamado John Michell. Por aquel entonces la teoría de Newton de gravitación y el
concepto de velocidad de escape eran muy conocidas. Michell calculó que un cuerpo
con un radio 500 veces el del Sol y la misma densidad, tendría, en su superficie, una
velocidad de escape igual a la de la luz y sería invisible. En 1796,
el matemático francés Pierre-Simón Laplace explicó en las dos primeras ediciones de
su libro Exposición du Systeme du Monde la misma idea aunque, al ganar terreno la
idea de que la luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones
posteriores.
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En 1915, Einstein desarrolló la relatividad general y demostró que la luz era influida por
la interacción gravitatoria. Unos meses después, Karl Schwarzschild encontró una
solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se
sabe ahora que el radio de Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de un
agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel entonces. El
propio Schwarzschild pensó que no era más que una solución matemática, no física.
En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró que un cuerpo con una masa
crítica, (ahora conocida como límite de
Chandrasekhar) y que no emitiese radiación, colapsaría por su propia gravedad porque
no había nada que se conociera que pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de
atracción gravitatoria sería mayor que la proporcionada por el principio de exclusión de
Pauli). Sin embargo, Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzaría un
tamaño nulo, lo que implicaría una singularidad desnuda de materia, y que debería
haber algo que inevitablemente pusiera freno al colapso, línea adoptada por la mayoría
de los científicos.
En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podría sufrir un colapso
gravitatorio y, por tanto, los agujeros negros podrían ser formados en la naturaleza.
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Esta teoría no fue objeto de mucha atención hasta los años 60 porque, después de
la Segunda Guerra Mundial, se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica.
En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujeros negros son
soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en determinados casos no se podía
impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso. La idea de agujero
negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al
descubrimiento de los púlsares. Poco después, en 1969, John Wheeler acuñó el
término "agujero negro" durante una reunión de cosmólogos en Nueva York, para
designar lo que anteriormente se llamó "estrella en colapso gravitatorio completo".
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III .AGUJEROS NEGROS
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 cuerpo está rodeado por una frontera esférica, llamada "horizonte de sucesos", a
través de la cual 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)
Un campo 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
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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.
Hay dos tipos de agujeros negros: cuerpos de alta densidad y poca masa concentrada
en un espacio muy pequeño, y cuerpos de densidad baja pero masa muy grande, como
pasa en los centros de las galaxias. Si la masa de una estrella es más de dos veces la
del Sol, llega un momento en su ciclo en que ni tan solo los neutrones pueden soportar
la gravedad. La estrella se colapsa y se convierte en agujero negro. Stephen Hawking y
los conos luminosos
El científico británico Stephen W. Hawking ha dedicado buena parte de su trabajo al
estudio de los agujeros negros. En su libro Historia del Tiempo explica cómo, en una
estrella que se está colapsando, los conos luminosos que emite empiezan a curvarse
en la superficie de la estrella.
Al hacerse pequeña, el campo gravitatorio crece y los conos de luz se inclinan cada vez
más, hasta que ya no pueden escapar. La luz se apaga y se vuelve negro. Si un
componente de una estrella binaria se convierte en agujero negro, toma material de su
compañera. Cuando el remolino se acerca al agujero, se mueve tan deprisa que emite
rayos X. Así, aunque no se puede ver, se puede detectar por sus efectos sobre la
materia cercana
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Los agujeros negros no son eternos. Aunque no se escape ninguna radiación, parece
que pueden hacerlo algunas partículas atómicas y subatómicas. Alguien que observase
la formación de un agujero negro desde el exterior, vería una estrella cada vez más
pequeña y roja hasta que, finalmente, desaparecería. Su influencia gravitatoria, sin
embargo, seguiría intacta.
Como en el Big Bang, en los agujeros negros se da una singularidad, es decir, las leyes
físicas y la capacidad de predicción fallan. En consecuencia, ningún observador
externo puede ver qué pasa dentro. Las ecuaciones que intentan explicar una
singularidad de los agujeros negros han de tener en cuenta el espacio y el tiempo. Las
singularidades se situarán siempre en el pasado del observador (como el Big Bang) o
en su futuro (como los colapsos gravitatorios). Esta hipótesis se conoce con el nombre
de "censura cósmica".
Cuando en la primera década del siglo XX (1905 para ser más exactos) Albert Einstein
publicó la teoría de la relatividad muy pocos pudieron visualizar el gran impacto que
ésta teoría podría tener en la física y en el entendimiento de los fenómenos estelares.
Con la observación de un eclipse solar en 1919 se corroboró que su teoría tenía
grandes bases para poder entender mejor al universo. Si bien Einstein no recibió por
éste trabajo el premio Nóbel de física al menos brindó a los astrónomos la posibilidad
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de poder entender los descubrimientos que se realizarían en las décadas posteriores.
Uno de estos descubrimientos fue la existencia de los agujeros negros.
Los agujeros negros, vistos desde la perspectiva que nos brinda la teoría de la
relatividad y de las teorías que de ella se derivaron nos muestran una inquietante visión
de un universo que día a día nos sorprende más, con estrellas evolucionando, planetas
que podrían albergar vida y un misterioso comportamiento en el interior de los agujeros
negros en donde las cosas no pueden ser explicadas con los conocimientos que
poseemos, pues allí dentro, ni la física ni las matemáticas que conocemos (o que
estamos conociendo) se cumplen.
El sólo hecho de saber que las cosas tal como las conocemos no funcionan siguiendo
nuestra lógica convierte de por sí a los agujeros negros en un fenómeno más que
interesante. ¿Te puedes imaginar poder tener un movimiento cuya distancia no puede
ser medida? ¿O tal vez imaginar un disco compacto con cinco caras y que pueda ser a
la vez bidimensional? Cosas tan extrañas como las que han sido mencionadas son las
que provocan el interés en los agujeros negros.
¿Qué pasará con los agujeros negros en el universo?, ¿cómo se comportan y qué
tamaño tienen?, ¿un agujero negro acabará con la existencia del universo tal como lo
conocemos? éstas preguntas frecuentes e inquietantes intentarán ser resueltas en los
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vínculos siguientes y tratarán de mostrarte de manera simple lo que hasta ahora
conocemos acerca de los agujeros negros.
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.
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 está acercándose al horizonte de sucesos el
tiempo transcurre habitualmente cayendo inexorablemente al agujero negro..
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IV.Clasificación teórica
TIPOS DE AGUJEROS NEGROS:
Según su origen, teóricamente pueden existir al menos tres clases de agujeros negros:
I-Según la masa:
Agujeros negros supermasivos :
Con masas de varios millones de masas solares. Se hallarían en el corazón de
muchas galaxias. Se forman en el mismo proceso que da origen a los componentes
esféricos de las galaxias.
Agujeros negros de masa estelar :
Se forman cuando una estrella de masa 2,5 veces mayor que la del Sol se convierte
en supernova e implosión. Su núcleo se concentra en un volumen muy pequeño
que cada vez se va reduciendo más. Este es el tipo de agujeros negros postulados
por primera vez dentro de la teoría de la relatividad general.
Micro agujeros negros :
Son objetos hipotéticos, algo más pequeños que los estelares. Si son
suficientemente pequeños, pueden llegar a evaporarse en un período relativamente
corto mediante emisión de radiación de Hawking. Este tipo de entidades físicas es
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postulado en algunos enfoques de la gravedad cuántica, pero no pueden ser
generados por un proceso convencional de colapso gravitatorio, el cual requiere
masas superiores a la del Sol.
II-Según sus propiedades físicas:
Para un agujero negro descrito por las ecuaciones de Albert Einstein, existe un teorema
denominado de sin pelos (en inglés No-hair theorem), que afirma que cualquier objeto
que sufra un colapso gravitatorio alcanza un estado estacionario como agujero negro
descrito sólo por 3 parámetros: su masa , su carga y su momento angular . Así
tenemos la siguiente clasificación para el estado final de un agujero negro:
El agujero negro más sencillo posible es el agujero negro de Schwarzschild, que no
rota ni tiene carga. Si no gira pero posee carga eléctrica, se tiene el llamado agujero
negro de Reissner-Nordstrøm.Un agujero negro en rotación y sin carga es un agujero
negro de Kerr. Si además posee carga, hablamos de un agujero negro de Kerr-
Newman.Las cuatro soluciones anteriores pueden sistematizarse de la siguiente
manera:
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Sin rotación (J = 0) Con rotación (J ≠ 0)
Sin carga (Q = 0) Schwarzschild Kerr
Con carga (Q ≠ 0) Reissner-Nordström Kerr-Newman
V.Descripción teórica
Zonas observables:
Representación artística de un agujero negro con una estrella del compañero de cerca
que se mueve en órbita alrededor que excede su límite de Roche. La materia en que
cae forma un disco de acrecimiento, con algo de la materia que es expulsada
en chorros polares colimados altamente energéticos.
En las cercanías de un agujero negro se suele formar un disco de acrecimiento,
compuesto de materia con momento angular, carga eléctrica y masa, la que es
afectada por la enorme atracción gravitatoria del mismo, ocasionando que
inexorablemente atraviese el horizonte y, por lo tanto, incremente el tamaño del
agujero.
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En cuanto a la luz que atraviesa la zona del disco, también es afectada, tal como está
previsto por la Teoría de la Relatividad. El efecto es visible desde la Tierra por la
desviación momentánea que produce en posiciones estelares conocidas, cuando los
haces de luz procedentes de las mismas transitan dicha zona.
Hasta hoy es imposible describir lo que sucede en el interior de un agujero negro; sólo
se puede imaginar, suponer y observar sus efectos sobre la materia y la energía en las
zonas externas y cercanas al horizonte de sucesos y la ergosfera.
Uno de los efectos más controvertidos que implica la existencia de un agujero negro es
su aparente capacidad para disminuir la entropía del Universo, lo que violaría los
fundamentos de la termodinámica, ya que toda materia y energía electromagnética que
atraviese dicho horizonte de sucesos, tienen asociados un nivel de entropía. Stephen
Hawking propone en uno de sus libros que la única forma de que no aumente la
entropía sería que la información de todo lo que atraviese el horizonte de sucesos siga
existiendo de alguna forma.
Otra de las implicaciones de un agujero negro supermasivo sería la probabilidad que
fuese capaz de generar su colapso completo, convirtiéndose en una singularidad
desnuda de materia.
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La entropía en los agujeros negros:
La fórmula de Bekenstein-Hawking para la entropía de un agujero negro.
Según Stephen Hawking, en los agujeros negros se viola el segundo principio de la
termodinámica, lo que dio pie a especulaciones sobre viajes en el espacio-tiempo
y agujeros de gusano. El tema está siendo motivo de revisión; actualmente Hawking se
ha retractado de su teoría inicial y ha admitido que la entropía de la materia se
conserva en el interior de un agujero negro (véase enlace externo). Según Hawking, a
pesar de la imposibilidad física de escape de un agujero negro, estos pueden terminar
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evaporándose por la llamada radiación de Hawking, una fuente de rayos X que escapa
del horizonte de sucesos.
El legado que entrega Hawking en esta materia es de aquellos que, con poca
frecuencia en física, son calificados de bellos. Entrega los elementos matemáticos para
comprender que los agujeros negros tienen una entropía gravitacional intrínseca. Ello
implica que la gravedad introduce un nivel adicional de impredictibilidad por sobre la
incertidumbre cuántica. Parece, en función de la actual capacidad teórica, de
observación y experimental, como si la naturaleza asumiera decisiones al azar o, en su
efecto, alejadas de leyes precisas más generales.
La hipótesis de que los agujeros negros contienen una entropía y que, además, ésta es
finita, requiere para ser consecuente que tales agujeros emitan radiaciones térmicas, lo
que al principio parece increíble. La explicación es que la radiación emitida escapa del
agujero negro, de una región de la que el observador exterior no conoce más que su
masa, su momento angular y su carga eléctrica. Eso significa que son igualmente
probables todas las combinaciones o configuraciones de radiaciones de partículas que
tengan energía, momento angular y carga eléctrica iguales. Son muchas las
posibilidades de entes, si se quiere hasta de los más exóticos, que pueden ser emitidos
por un agujero negro, pero ello corresponde a un número reducido de configuraciones.
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El número mayor de configuraciones corresponde con mucho a una emisión con un
espectro que es casi térmico.
Físicos como Jacob D. Bekenstein han relacionado a los agujeros negros y su entropía
con la teoría de la información. El trabajos de Bekenstein sobre teoría de la información
y agujeros negros sugirieron que la segunda ley seguiría siendo válida si se introducía
una entropía generalizada (Sgen) que sumara a la entropía convencional (Sconv), la
entropía atribuible a los agujeros negros que depende del área total (A) de agujeros
negros en el universo. Concretamente esta entropía generalizada debe definirse como:
Donde, k es la constante de Boltzmann, c es
la velocidad de la luz, G es la constante de gravitación
universal y es la constante de Planck racionalizada, y A el área del horizonte de
sucesos.
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VI. 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
sí. 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 más
combustible tenga la estrella, más rápido se 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. 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
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de pocos kilómetros y una densidad de toneladas por cm3. Las estrellas de neutrones
también estan 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.
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¿Cómo 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
nuestro 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.
Proceso de formación:
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Los agujeros negros proceden de un proceso de colapso gravitatorio que fue
ampliamente estudiado a mediados de siglo XX por diversos científicos,
particularmente Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking entre otros.
Hawking, en su libro divulgativo Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros
negros (1988), repasa algunos de los hechos bien establecidos sobre la formación de
agujeros negros.
Dicho proceso comienza después de la muerte de una gigante roja (estrella de gran
masa), llámese muerte a la extinción total de su energía. Tras varios miles de millones
de años de vida, la fuerza gravitatoria de dicha estrella comienza a ejercer fuerza sobre
sí misma originando una masa concentrada en un pequeño volumen, convirtiéndose en
una enana. En este punto, dicho proceso puede proseguir hasta el colapso de dicho
astro por la auto atracción gravitatoria que termina por convertir a esta enana blanca en
un agujero negro. Este proceso acaba por reunir una fuerza de atracción tan fuerte que
atrapa hasta la luz en éste.
En palabras más simples, un agujero negro es el resultado final de la acción de la
gravedad extrema llevada hasta el límite posible. La misma gravedad que mantiene a la
estrella estable, la empieza a comprimir hasta el punto que los átomos comienzan a
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aplastarse. Los electrones en órbita se acercan cada vez más al núcleo atómico y
acaban fusionándose con los protones, formando más neutrones mediante el proceso:
Por lo que este proceso comportaría la emisión de un número elevado de neutrinos. El
resultado final, una estrella de neutrones. En este punto, dependiendo de la masa de la
estrella, el plasma de neutrones dispara una reacción en cadena irreversible, la
gravedad aumenta enormemente al disminuirse la distancia que había originalmente
entre los átomos. Las partículas de neutrones explosionan, aplastándose más,
logrando como resultado un agujero negro, que es una región del espacio-tiempo
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limitada por el llamadohorizonte de sucesos. Los detalles de qué sucede con la materia
que cae más allá de este horizonte dentro de un agujero negro no se conocen porque
para escalas pequeñas sólo una teoría cuántica de la gravedad podría explicarlos
adecuadamente, pero no existe una formulación completamente consistente con dicha
teoría.
VII. ¿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
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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 supergigante 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
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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 supergigante 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 teoria 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,
tambien se cree que tienen agujeros negros como una de sus componentes.
El horizonte de eventos está 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
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aumentando con el tiempo. Al caer materia dentro del agujero negro el área del
horizonte de eventos aumenta.
¿Se pueden realmente medir?
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
debemos de tomar en cuenta el espacio que ocupa en el universo y la masa que
posee.
Masa de los agujeros negros:
Si analizamos la segunda propiedad debemos de considerar que hasta el momento lo
que se sabe de la masa que poseen los agujeros negros es que esta 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 kilogramos o si
no lo entiendes 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 kilogramos). En los
últimos años se ha encontrado evidencia de la existencia de agujeros negros en el
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centro de galaxias masivas. Se cree a partir de esto que dichos agujeros negros
poseerían una masa de un millón de soles).
Tamaño de los agujeros negros:
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 no
pudiendo escapar de éste). Ahora bien 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 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
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velocidad de la luz. A partir de esto la ex estrella no permite que nada se escape a su
campo gravitatorio, inclusive la luz no puede escapar de ella. Para entender con mayor
claridad lo anteriormente escrito es conveniente que estudiemos las fases en la
formación de una estrella:
¿Imposibilidad teórica de los agujeros negros?
Existen resultados matemáticos sólidos bajo los cuales una teoría métrica de la
gravitación (como la relatividad general) predice la formación de agujeros negros. Estos
resultados se conocen como teoremas de singularidades que predicen la ocurrencia de
singularidades espaciotemporales (y si se acepta la hipótesis de censura cósmica, por
tanto a la formación de agujeros negros). Las ecuaciones de campo de Einstein para la
relatividad general admiten situaciones para las cuales se cumplen las condiciones de
ocurrencia de singularidades y por tanto, los teoremas de singularidad muestran que
los agujeros negros son posibles dentro de la relatividad general. Sin embargo, algunas
teorías métricas alternativas como la teoría relativista de la gravitación, muy similar a la
relatividad general en casi todos los aspectos y que también explica los hechos
observados en el sistema solar y la expansión del universo, usa ecuaciones de campo
ligeramente diferentes donde siempre se cumple que en ausencia local de materia y en
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virtud de las condiciones de causalidad de la teoría, para cualquier campo vectorial
isótropo (vectores tipo luz) definido sobre el espacio-tiempo se cumple la desigualdad:
Esta condición implica que no se cumplirán las condiciones de los teoremas
mencionados anteriormente y, por tanto, éstos no pueden ser aplicados para predecir
la existencia de singularidades y por tanto agujeros negros.Dado que los datos
experimentales no permiten discernir cuál de las dos teorías (la de relatividad general
de Einstein o la relativista de la gravitación de Logunov) es la correcta, pues ambas
coinciden para la mayoría de los hechos observacionales bien comprobados, no puede
darse por garantizado que los agujeros negros sean una consecuencia necesaria de la
gravitación.
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VIII. EVIDENCIA
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".
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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
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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.
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con otra captada de emisiones de luz ultravioleta por la cámara FOC. Mientras la
imagen de luz visible muestra un disco de polvo oscuro, la imagen ultravioleta (color
azul) no señala aspectos claros a lo largo de un lado del disco. La pregunta que salta
aquí es: ¿Por qué el Hubble solamente pudo captar los reflejos ultravioletas de sólo un
lado del disco? Los científicos que se encuentran llevando a cabo a estas
investigaciones, preliminarmente han concluido que el disco debe urdirse como la parte
superior de un sombrero. La mancha blanca al centro de la imagen corresponde a la
luz que ilumina el disco que se distingue en la vecindad del agujero negro.
La imagen de abajo, corresponde a una toma telescópica de la galaxia activa NGC
6251, que se encuentra a 300 millones de años luz desde la Tierra, en la constelación
de Virgo.
Otra de las evidencias sobre un posible agujero negro, encontradas últimamente por el
HST, es el hallazgo de un disco circunvalatorio que se encuentra sometido a un
proceso de desmaterialización generado por poderosas mareas gravitatorias que
parecen provenir de un área central ubicada en el núcleo de la galaxia NGC 4261.
Los agujeros negros en la física actual:
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Se explican los fenómenos físicos mediante dos teorías en cierto modo contrapuestas y
basadas en principios incompatibles: la mecánica cuántica, que explica la naturaleza de
«lo muy pequeño», donde predomina el caos y la estadística y admite casos de
evolución temporal no determinista, y la relatividad general, que explica la naturaleza
de «lo muy pesado» y que afirma que en todo momento se puede saber con exactitud
dónde está un cuerpo, siendo esta teoría totalmente determinista. Ambas teorías están
experimentalmente confirmadas pero, al intentar explicar la naturaleza de un agujero
negro, es necesario discernir si se aplica la cuántica por ser algo muy pequeño o la
relatividad por ser algo tan pesado. Está claro que hasta que no se disponga de una
física más avanzada no se conseguirá explicar realmente la naturaleza de este
fenómeno.
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IX. Descubrimientos recientes:
Simulación del efecto lente gravitacional provocado por un agujero negro, que
distorsiona la imagen de la galaxia al fondo.
En 1995 un equipo de investigadores de la UCLA dirigido por Andrea Ghez demostró
mediante simulación por ordenadores la posibilidad de la existencia de agujeros negros
supermasivos en el núcleo de las galaxias. Tras estos cálculos mediante el sistema
de óptica adaptativa se verificó que algo deformaba los rayos de luz emitidos desde el
centro de nuestra galaxia (la Vía Láctea). Tal deformación se debe a un invisible
agujero negro supermasivo que ha sido denominado Sgr.A (o Sagittarius A). En 2007-
2008 se iniciaron una serie de experimentos de interferometría a partir de medidas
de radiotelescopios para medir el tamaño del agujero negro supermasivo en el centro
de la Vía Láctea, al que se le calcula una masa 4'5 millones de veces mayor que la del
Sol y una distancia de 26.000 años luz(unos 255.000 billones de km respecto de la
Tierra). El agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia actualmente sería
poco activo ya que ha consumido gran parte de la materia bariónica, que se encuentra
en la zona de su inmediato campo gravitatorio y emite grandes cantidades de radiación.
Por su parte, la astrofísica Feryal Özel ha explicado algunas características probables
en torno a un agujero negro: cualquier cosa, incluido el espacio vacío, que entre en
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la fuerza de marea provocada por un agujero negro se aceleraría a extremada
velocidad como en un vórtice y todo el tiempo dentro del área de atracción de un
agujero negro se dirigiría hacia el mismo agujero negro.
En el presente se considera que, pese a la perspectiva destructiva que se tiene de los
agujeros negros, éstos al condensar en torno a sí materia sirven en parte a la
constitución de las galaxias y a la formación de nuevas estrellas.
En junio de 2004 astrónomos descubrieron un agujero negro súper masivo,
el Q0906+6930, en el centro de una galaxia distante a unos 12.700 millones de años
luz. Esta observación indicó una rápida creación de agujeros negros súper masivos en
el Universo joven.
El mayor:
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Dejando a un lado los agujeros negros supermasivos que suelen estar en el núcleo de
las galaxias y cuya masa son de millones de veces nuestro Sol, el mayor agujero negro
de masa estelar conocido hasta la fecha, se descubrió el año 2007 y fue
denominado IC 10 X-1. Está en la galaxia enana IC 10 situada en la constelación de
Casiopea, a una distancia de 1,8 millones de años luz (17 billones de kilómetros) de la
Tierra, con una masa de entre 24 y 33 veces la de nuestro Sol.
Posteriormente, en abril de 2008, la revista Nature publicó un estudio realizado en
la Universidad de Turku (Finlandia). Según dicho estudio, un equipo de científicos
dirigido porMauri Valtonen descubrió un sistema binario, un blazar, llamado OJ 287, en
la constelación de Cáncer. Tal sistema parece estar constituido por un agujero negro
menor que orbita en torno a otro mayor, siendo la masa del mayor de 18.000 millones
de veces la de nuestro Sol, lo que lo convierte en el mayor agujero negro conocido. Se
supone que en cada intervalo de rotación el agujero negro menor, que tiene una masa
de 100 millones de soles, golpea la ergosfera del mayor dos veces, generándose
un cuásar. Situado a 3500 millones de años luz de la Tierra, está relativamente cerca
de la Tierra para ser un cuásar.
El menor:
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Sin contar los posibles micro agujeros negros que casi siempre son efímeros al
producirse a escalas subatómicas; macroscópicamente en abril de 2008 el equipo
coordinado porNikolai Saposhnikov y Lev Titarchuk ha identificado el más pequeño de
los agujeros negros conocidos hasta la fecha; ha sido denominado 1650, se ubica en
la constelación Ara (o Altar) de la Vía Láctea (la misma galaxia de la cual forma parte la
Tierra). J 1650 tiene una masa equivalente a 3,8 soles y tan solo 24 km de diámetro se
habría formado por el colapso de una estrella; tales dimensiones estaban previstas por
las ecuaciones de Einstein. Se considera que son prácticamente las dimensiones
mínimas que puede tener un agujero negro ya que una estrella que colapsara y
produjera un fenómeno de menor masa se transformaría en una estrella de neutrones.
Se considera que pueden existir muchos más agujeros negros de dimensiones
semejantes.
Chorros de plasma:
En abril de 2008 la revista Nature publicó un estudio realizado en la Universidad de
Boston dirigido por Alan Marscher donde explica que chorros de plasma colimados parten de
campos magnéticos ubicados cerca del borde de los agujeros negros. En zonas puntuales de
tales campos magnéticos los chorros de plasma son orientados y acelerados a velocidades
cercanas a c (velocidad de la luz), tal proceso es comparable a la aceleración de partículas
para crear una corriente de chorro (jet) en un reactor. Cuando los chorros de plasma originados
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por un agujero negro son observables desde la Tierra tal tipo de agujero negro entra en la
categoría de blazar.
Que un agujero negro "emita" radiaciones parece una contradicción, sin embargo esto se
explica: todo objeto (supóngase una estrella) que es atrapado por la gravitación de un agujero
negro, antes de ser completamente "engullido", antes de pasar tras el horizonte de sucesos, se
encuentra tan fuertemente presionado por las fuerzas de marea del agujero negro en la zona
de la ergosfera que una pequeña parte de su materia sale disparada a velocidades próximas a
la de la luz (como cuando se aprieta fuertemente una naranja: parte del material de la naranja
sale eyectado en forma de chorros de jugo, en el caso de los objetos atrapados por un agujero
negro, parte de su masa sale disparada centrífugamente en forma de radiación fuera del campo
gravitatorio de la singularidad).
Radiación de Hawking
Hasta principios de 1970 se pensaba que los agujeros negros no emitían directamente ningún
tipo de materia, y su destino último era seguir creciendo por la acreción de más y más materia.
Sin embargo, una consideración de los efectos cuánticos en el horizonte de sucesos de un
agujero llevó a Hawking a descubrir un proceso físico por el cual el agujero podría emitir
radiación. De acuerdo con el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica existe la
posibilidad de que en el horizonte se formen pares de partícula-antipartícula de corta
duración, dado que la probabilidad de que uno de los elementos del par caiga dentro
del agujero de manera irreversible y el otro miembro del par escape, el principio de
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conservación requiere que el agujero disminuya su masa para compensar la energía
que se lleva el par que escapa de los aledaños del horizonte de sucesos.
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X. CONCLUSION
La existencia de los agujeros negros depende de la teoría de Einstein, aunque las
evidencias son muy sólidas; si esa teoría se mostrara incorrecta, debería reescribirse la
cosmología entera. Es reconocible que los últimos actos de la investigación científica
para conocer los misterios del cosmos, dan para pensar que las letras de los libros de
física cada día se encuentran más cerca de las realidades que la tecnología moderna
nos está permitiendo captar.
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XI. BIBLIOGRAFÍA
.
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http://www.sadeya.cesca.es/~pdiaz/laberint/a-negro.htm.
www.astronomia.com.
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