Hoyo Negro

Hoyo Negro

La catástrofe

Como se ha señalado en capítulos anteriores, normalmente en el centro de una estrella, la presión de gas y de radiación, compensan a la gravitación dirigida hacia el centro, la estrella se encuentra en un equilibrio hidrostático. Si todas las reacciones nucleares en el interior de la estrella y en las envolturas interiores han avanzado tanto, que las siguientes fusiones sólo pueden realizarse adicionando nuevas energías, la estrella “exhala” su vida. Esto es el caso, cuando la región central de las estrellas masivas, se componen solamente de Hierro. Este no puede seguir fusionando y con esto ya no se libera más energía. Ya no hay presión de gas para contrarrestar a la gravitación, la catástrofe ahora sigue su curso.

Desde ahora el resto de la masa de la estrella, determina los siguientes sucesos. Si el núcleo tiene una masa residual de aproximadamente 2 hasta máximo 3 veces la masa solar, entonces se puede formar una estrella de neutrones como etapa final. Pero una verdadera catástrofe cósmica es el colapso gravitacional. Si el núcleo restante, después de expulsar la envoltura exterior con una enorme explosión de supernova, aún tiene una masa de más de 3 veces la masa solar, entonces la gravitación no puede ser detenida por nada.

En fracciones de segundos toda la región central se precipita sobre sí mismo.
No hay que lo pare, al alcanzar el tamaño de la Tierra, como en el caso de una enana blanca, donde la degeneración del gas anula de golpe la compresibilidad, tampoco con un diámetro de 10 a 20 [km], cuando los electrones son comprimidos dentro de los protones y se forme una estrella de neutrones. La precipitación ni siquiera se detiene con un diámetro de una partícula elemental. La precipitación sólo termina en la llamada singularidad, donde todas las leyes físicas pierden su validez. Se formó un hoyo negro, que solo deja detrás nada más que gravitación. Posiblemente, en este colapso no sólo se precipita la zona central, si no, también la estrella restante. Ella desaparece del universo visible como si alguien la hubiese apagada. La gravitación, la más débil de todas las fuerzas naturales ha logrado su victoria

Un hoyo negro

La expansiona de la materia en una singularidad se acerca al cero y la densidad se aproxima al infinito. Un estado así no es comprensible para nosotros, la teoría general de la relatividad de Einstein, que predice las singularidades, fracasa totalmente fracasa totalmente en su descripción. Lo seguro es, que en este estado de infinita densidad ya no puede existir un átomo o una molécula. Ni siquiera es imaginable que allí existan partículas elementales como protones o neutrones, incluso los quarks ya no tienen una chance aquí. Eventualmente se podría describir este estado de la materia mediante la teoría de las cuerdas, que quizás algún día permite la conexión entre la teoría de la relatrividad y la mecánica cuántica. ¡Lo único que es seguro, que aquí un objeto de dimensiones cósmicas se ha transformado en fracciones de segundo en un “nada” físico-cuántico! Hasta ahora no sabemos nada definitivo sobre el interior de un hoyo negro, tampoco si las singularidades realmente existen en la naturaleza.

¿Por qué? La gravitación de un objeto como estos es tan enorme, que ni siquiera puede escapar de él. La velocidad de escape está por encima de la velocidad de la luz de unos 300 000 [km/s]. La velocidad de escape de la Tierra es de 11,2 [km/s]. Ya que toda información se puede esparcir con máximo la velocidad de la luz, no existe una posibilidad de la transmisión de noticias desde un hoyo negro. De esto proviene también su denominación, ninguna luz, ninguna radiación nos puede delatar sui existencia.

 El gigante gravitacional curva, tuerce el espacio-tiempo de su rededor, de tal manera en si mismo, que se la puede considerar como degenerada. El desarrollo relativamente plano del espacio-tiempo, mostrado en la figura, es el “límite” exterior del hoyo negro, el llamado horizonte de sucesos (ver más abajo). En la parte inferior del cono se encuentra la singularidad, que distorsiona totalmente al espacio-tiempo. Hoyos negros que rotan tratan aún con mayor brutalidad al espacio-tiempo, lo arrastran con su movimiento rotatorio.
¡En realidad, no se puede representar gráficamente la deformación del espacio-tiempo, ya que es cuadridimencional!

Si un astronauta, que está flotando en el espacio, se acercaría descuidadamente a al hoyo negro, entonces un observador lejano podría notar, como la gravitación, estiraría cada vez más a su camarada y al mismo tiempo apretujarlo como un espagueti. Este proceso, para el observador se desarrollaría en forma cada vez más lenta y finalmente duraría casi una eternidad, debido a que con un acercamiento constante al hoyo, el tiempo a causa de la inimaginable gravitación, se dilata cada vez más, hasta que al final se detiene completamente. Para el observador sería, como so su compañero no legase nunca. Al pobre astronauta le iría muy mal. Después que la gravitación la haya desfigurado tanto, lo desgarra completamente. Con una velocidad en aumento, al final con la de la luz será succionado hacia la singularidad.

 

Photonen-sphäre = Esfera de fotones
Stabile Umlaufbahn = órbita estable

Aquí la estructura básica de un hoyo negro. En el centro se encuentra la singularidad, cuya extensión a hacia infinitamente pequeña. Hasta la distancia rs se extiende el horizonte de sucesos, que indica el tamaño real del hoyo negro y del cual no puede escapar ninguna información. Con esto un hoyo negro es como un diafragma semipermeable, todo puede entrar, pero nada puede salir en absoluto. Entren la singularidad y el horizonte de sucesos sol existe espacio vacío, un vacuo, ya que todo lo que se encontraría aquí sería absorbido de inmediato por la singularidad. A una distancia de 1,5 rs encontramos una órbita en la cual un fotón, ingresado gracias a un ángulo favorable puede apenas mantenerse. Por esto a esta órbita se la llama esfera de fotones. El fotón orbitaría aquí eternamente al hoyo. Con la más mínima desviación hacia abajo estaría sellado su despeño. Para el astronauta el asunto es distinto, si sólo quiere orbitar al hoyo y mantener una chance de regreso, debe mantenerse a una distancia máxima de 3 rs, si no, estaría perdido para siempre.

El radio de Schwarzschild, horizonte de sucesos

El astrónomo alemán Karl Schwarzschild (1837-1916), calculó que estrellas, con más de 3 veces la masa solar en su proceso de encogimiento pueden pasar por debajo de un radio crítico, en el cual ya no hay una detención para la gravitación y con esto una compresión de la estrella. El radio de Schwarzscchild, para el Sol es de 2,95 [km], para la Tierra menos de 1 [cm], y para un ser humano sólo unos 10ˆ-23 [cm]. A este radio también se le llama horizonte de sucesos, porque cada evento, que se encuentra detrás de este horizonte, queda oculto por siempre para un observador externo.

El límite crítico rs se calcula según:

r_s= 2·G·M/c²

Donde G es la constate gravitacional (G = 6,67259·10^-11[m³kg^-1s^-2]), M la masa de la estrella y c la velocidad de la luz.

¿Cómo se llega justamente a esta fórmula?

Si un cuerpo quiere abandonar un campo gravitacional, entonces su energía cinética debe ser mayor que la energía potencial. Ahora, para calcular la velocidad de fuga de un campo gravitacional, que sale de un cuerpo con la masa M con un radio r, la energía potencial GM/r de la energía cinética v²/2, de una partícula se puede equiparar con una supuesta masa igual a 1. Si la energía cinética de la partícula es mayor, puede escaparse. Si se resuelve la ecuación, se obtiene como velocidad de escape (2GM/r)^1/2.

Donde un hoyo negro la velocidad de escape en el horizonte de sucesos, es igual a la velocidad de la luz, de manera que podemos asentar v = c.

Todo se ve así entonces:

c² /2 = GM/R

c² = 2GM/R

Rc² = 2GM

R = 2GM/c²

El radio de Schwarzschild es entonces un límite, con el cual el hoyo negro se desconecta del resto del universo. Por debajo de este límite ninguna señal puede abandonar al hoyo, un observador externo, por esta razón, ya no puede percibir ningún evento. También el tiempo se detiene bajo este límite.

En el cuadro de la izquierda, otra vez esquematizado un hoyo negro para aclarar, que el horizonte de sucesos, respectivamente, el radio de Schwarzschild determina su expansión. Este tamaño de pende exclusivamente de la masa de la singularidad en el centro. Todo los que sucede dentro de este límite, nos queda oculto por siempre.

7Con la gentil autorización de Robert Nemiroff (MTU).

Esta simulación mediante un computador, es un recaerte celestial artificial. En el cuadro de la izquierda se puede observar las tres estrellas del cinturón de Orión. En el cuadro de la derecha se “introdujo computacionalmente” un hoyo negro. El hoyo naturalmente no es visible, pero se ve claramente la distorsión que fueron causados por su campo gravitacional. Desde esta distancia actúa como un lente gravitacional y genera imágenes dobles de las estrellas que se encuentran de tras de él. Si uno se acercaría más a este hoyo, entonces desde un solo ángulo visual se podría ver todo el universo.

Acreción de la materia

Ahora de seguro se presenta la pregunta ¿cómo se puede “ver” una cosa así o evidenciarla, si sólo deja una deformación del espacio-tiempo y no la puede abandonar la luz ni ningún tipo de señales? No olvidemos de la enorme gravitación, esta puede delatar su presencia. El hoyo negro succiona la materia desde su vecindad, que no muestra una velocidad de escape suficientemente grande. Esta, sin embargo, no cae en línea recta, si no en su camino hacia la singularidad es acelerada en forma continua y obligada a tomar una forma espiral.

 n la galaxia elíptica NGC 7052 (arriba izquierda la fotografía de un telescopio terrestre) el telescopio espacial Hubble ha descubierto un hoyo negro. Lo que en la foto se parece casi a una tapa de rueda, es un gigantesco disco de acreción de 3700 años luz de extensión en el centro de la galaxia. Esta enorme cantidad de polvo presumiblemente proviene de una colisión con otra galaxia, el hoyo negro necesitó varios millones de años para desarrollar este disco. Este hoyo negro, entre tanto alcanzó un tamaño de 300 millones de masas solares.

Con la gentil autorización de Roeland P. van der Marel (STScl) , Frank C. van de Bosch (University of Washington) and Nasa.

A causa de esto se forma alrededor del hoyo, un disco de materia fuertemente acelerada, un así llamado disco de acreción. Con esto la materia llega a “disfrutar” de la velocidad relativa, o sea, una velocidad en el ámbito de la velocidad de la luz.

Un hoyo negro atrae la materia de su entorno. Con esto se forma un disco de rápida rotación, el disco de acreción. Los discos de acreción se forman cuando la masa es pequeña en comparación a la del cuerpo central y la velocidad del movimiento térmico de las partículas es menor que la velocidad orbital. La masa acreditada acrecionada, la mayoría de las veces es magnética y rodea al hoyo con un fuerte campo magnético. En la caída sobre el horizonte de sucesos, una parte de la materia es desviada a lo largo de las líneas del campo magnético hacia los polos, de los cuales emergen a la velocidad relativista (I) los así llamados jets gaseosos, corrientes de materia, que se expulsan a millones de años luz al espacio.

Debido a la enorme fricción dentro del disco de acreción la materia entrega hasta un 20% de su energía de reposo (a calcularse según la famosa fórmula de Einstein (E=mc²) , una cuota de conversión que ni siquiera no es alcanzada en la fisión nuclear (bomba atómica) o incluso en las fusiones en las estrellas. ¡Por esta razón los hoyos negros son los “productores” más eficientes de energía en todo el cosmos (Naturalmente no se puede producir energía, si no sólo cambiarla a otra forma)!

En este proceso la materia se calienta tanto (hasta 100 millones [K]), que emite rayos X muy energéticos, y estos los podemos medir (pero sólo fuera de la atmósfera terrenal). En hoyos negros muy masivos, la materia se calienta a tal grado, que son emitidos ultra duras radiaciones gammas.

 

Con la gentil autorización de CXC, NASA

Así por ejemplo Cygnus X-1, en la constelación del Cisne, es una de las fuentes de rayos X más potentes en el cielo. Esta estrella binaria se compone de una gigante azul con aproximadamente cuarenta veces la masa solar y una acompañante invisible de 10 veces la masa del Sol, algo así sólo puede ser un hoyo negro. No existe otra fuente de energía que podría liberar unos rayos X de esta intensidad.

Con la gentil autorización de A. Wilson & A . Young (UND), P. Shopbell (Caltech), CXC, NASA, (Inset: NRAO)

La galaxia Cygnus A, es la fuente de rayos X la más cercana a nosotros, con una distancia de 700 millones de años luz. Esta toma de satélite Chandra , muestra esta activa galaxia en la luz de los rayos X. También es un significante emisor de ondas radiales, como lo muestra el cuadro pequeño insertado: desde el centro emergen jets gaseosos de un tamaño de 300 000 años luz, cuyos átomos son lanzados al espacio a la velocidad relativa de la luz, a lo largo de las líneas de los campos polares, por el campo magnético del hoyo negro. La toma con rayos X, muestra que los “hot spots”, de los terminales calientes de los jets son detenidos por el medio ambiente frío y son comprimidos.

La comprobación

Con la gentil autorización de J. A. Biretta el al, Hubble Heritage Team (STScl/AURA), NASA

A 50 millones de años luz se encuentra la galaxia elíptica gigante M 87, en el cúmulo de Virgo. De ella sale un jet de gas de 5000 años luz. Aquí son acelerados electrones hasta casi la velocidad de la luz, por lo cual emiten radiaciones de sincrotrones. Esto sólo lo puede originar un hoyo negro supe masivo en el centro de la galaxia.

En sistemas binarios, se demuestra la existencia de hoyos negros por los efectos gravitacionales sobre las estrellas circundantes, ya que influyen considerablemente sus órbitas. Así también en el centro de nuestra galaxia. Aquí las estrellas orbitan una zona central tan velozmente, que (según las leyes de Kepler) debe estar concentrada una masa de varios millones de la masa solar, en un espacio mínimo (Aquí se habla de la extensión del horizonte de sucesos, en el orden del tamaño de un sistema planetario). Esta acumulación de masa sólo puede ser un hoyo negro.

En el colapso de una estrella a un hoyo negro, se mantiene el momento angular original, la rotación se hace muy veloz, parecido como cuando una patinadora en hielo, durante un giro recoge sus brazos. Por la enorme gravitación, esta rotación se traspasa al espacio-tiempo de los alrededores, él también rota. Por consiguiente, cada partícula que se acerca, inevitablemente es arrastrada a una espiral. En el campo del horizonte de sucesos la partícula es acelerada a casi la velocidad de la luz y emite entonces hasta el 20% de su energía de reposos en forma de radiaciones Gamma o rayos X.

Con esto un hoyo negro es la fuente de energía más efectiva del universo, partículas en el núcleo de nuestro Sol, durante la fusión nuclear sólo pierden el 0,y7% Lamentablemente, estrellas de neutrones e incluso enanas blancas se pueden comportar de manera parecida – estos también acreditan materia si están rodeadas por ella y con esto emitan radiaciones. Pero hay una notoria diferencia: Hoyos negros, a diferencia de las estrellas de neutrones, no tienen una superficie “sólida”, por esto puede tragar partículas tan bien como radiaciones, esta simplemente desaparece en él y llega a ser parte del hoyo negro. Con esto se dan pequeñas diferencias en la eyección de radiación.

Si la densidad en el disco de acreción (de inevitable formación) es baja, las partículas desaparecen con una gran parte de su radiación, casi sin ser frenados en el hoyo. ¡Con esto, en las cercanías del horizonte de sucesos, se calientan hasta 10 billones (10ˆ13) [K]!, donde se emite radiaciones gamma. Con una densidad relativamente alta de materia, ya en las regiones externas del disco, se producen fuertes roces, aquí la temperatura “sólo” se eleva a unos millones [K] y se emite rayos X. Esto también lo pueden hacer las estrellas de neutrones, pero cuando rotan, emiten rayos X en forma de pulsos, causados por su campo magnético. Pero un hoyo negro no puede poseer un campo magnético (Los fotones son las partículas mensajeras de un campo magnético, ellos son tragados por el hoyo al igual que la luz) , luego, por ejemplo, en un sistema binario con una fuente de radio X pulsada, se pueden excluir un hoyo negro.
Esto también se puede dejar de lado, cuando se miden sólo erupciones esporádicas de rayos X, pues estos sólo se pueden originar, cuando se acumula materia sobre una superficie sólida y cuando en algún momento se produzcan reacciones nucleares.

 Con la gentil autorización de John Hutchings (Dominion Astrophisical Observatory), Bruce Woodgate (GSFC/NASA), Mary Beth Kaiser (John Hokins Unjversity), Steven Kraemer (Catholic Unjversityu of America) and NASA

En las cercanías del centro de la galaxia de Seyfert actúa un hoyo negro súper masivo. De este salen dos calientes corrientes opuestas de gas caliente. Mediante la determinación de las velocidades y las masas se puede deducir el tamaño del hoyo negro.

Sin embargo estrellas de neutrones tienen una determinada masa límite no franqueable, que se encuentra en unas 3 veces la masa solar (hasta hoy no se encontrado una estrella de neutrones de más de 2 veces la masa del Sol). Si entonces, en un sistema binario se encuentra un acompañante invisible, que no emite rayos X en forma de pulsos o esporádicamente y su masa es mayor que 3 veces la masa solar (derivado de las leyes de Kepler y por observaciones de las órbitas) se debería estar seguro de estar en la presencia de un hoyo negro.

Hasta ahora por la simplicidad nos hemos dedicado a los hoyos negros estáticos. Sin embargo, una estrella con su colapso hasta la singularidad mantiene su momento angular, el hoyo gira, a enormes velocidades, más veloz que todas estrella de neutrones. Las ecuaciones de Einstein, para hoyos negros giratorios, fueron resueltas por el matemático de Nueva Zelandia Roy Kerr recién en 1963, y objetos como estos reciben el nombre Hoyos de Kerr. Según consideraciones teoréticas, hoyos como estos muestran una singularidad anillada. Esto podría tener consecuencias insospechadas (Agujeros de gusanos).

 

Ionisiertes Gas = Gas ionizado
Elektrische Spannung = Tensión eléctrica
Rotierendes Schwarzes Loch = Hoyo negro rotante
Magnetfeldliniean vom Äquator = Líneas de campo magnético del ecuador

¿Un hoyo blanco?

Las consecuencias de la teoría general de la relatividad de Einstein, tiene un aspecto interesante, existen simetrías en el tiempo. Esto significa que el tiempo podría moverse hacia adelante o hacia atrás (ver también El Universo de Steven Hawking). De esto se puede concluir, que el tiempo, si se queda detenido en el horizonte de sucesos, se revierte en el hoyo negro y entonces, de alguna manera moverse hacia atrás.

Con la gentil autorizacipoin de Greg Bacon (STScl/VAVL)

Una representación artística como podría verse un hoyo negro con el telescopio espacial Hubble. Este instrumento ya en 1992 nos ha dado la primera evidencia de la existencia de una de estas entidades, cuando identificó la fuente emisora de radiaciones Cygnus XR-1, como un hoyo negro, en la constelación del Cisne, a una distancia de 6000 años luz, claro que no pudo “ver” el hoyo mismo, pero si la materia que estaba siendo absorbida en forma de espiral. Hoy ya se han reconocido como tales a más de 50 hoyos negros.

Mini hoyos y el final

Según Stephen Hawking en la fase tempranera de nuestro universo, se pudieron haber formado hoyos negros con mucha menor masa como aquellos de origen estelar ¿Pero cómo se puede formar un objeto de este tipo, si sólo tiene la masa de una montaña con aproximadamente 1 mil millones de toneladas? La gravitación sola no sería capaz que un cuerpo tan pequeño colapse. Pero en el universo joven las condiciones reinantes eran extremas. La presión era tan grande, que en algunas partes pudo comprimir la materia para formar estos primitivos, primordiales mini hoyos. Para esto, sin embargo, que a la sazón hayan existido irregularidades en la distribución de presión, temperatura y materia. Sabemos que en esos tiempos hubo estas fluctuaciones. Por la dispersión en la radiación de fondo, y ante todo porque se formaron las estrellas y las galaxias. Si no, la materia estaría uniformemente distribuida en el universo.

Ahora se presenta la interrogante, si realmente es posible evidenciar estos mini hoyos. Antes de nada una respuesta, hasta ahora no se ha descubierto a ninguno.
Se podrían demostrar, pues hoyos negros tan pequeños serían muy calientes e irradiarían radiación gamma y rayos X ¿Cómo sería posible esto? La respuesta nos da la física cuántica. También justo en el borde del horizonte de sucesos se forman pares de partículas virtuales y después de 10ˆ-24 segundos se aniquilan. Ahora, empero se hace valer la enorme acción de las mareas, en las cercanías del hoyo negro. Puede suceder, que una pareja del par de partículas desaparezca detrás del horizonte de sucesos, pero la otra parte logra escapar.

Las partículas en las cercanías de fuertes campos gravitacionales, por naturaleza muestran sólo una reducida energía, ya que deben emplear aportar energías, para mantenerse a distancia de estos cuerpos masivos. Partículas ordinarias siempre tienen una energía positiva, pero en el interior de un hoyo negro, la gravitación es tan fuerte, que incluso una partícula real puede evidenciar energía negativa. Por el efecto de marea, la partícula con carga negativa del par de partículas virtuales, puede dar en el hoyo, donde se transforma en una partícula real. Ya que muestra energía negativa, le extrae masa al hoyo (según E=mc ˆ2). La otra partícula con energía positiva puede escaparse del hoyo, y a mayor distancia incluso adquirir energía adicional, ya que no tiene que usar tanta energía contra la gravitación. Las partículas fugadas, fotones, originan la llamada radiación de Hawking, y nos pueden delatar un hoyo como estos.

¡Los hoyos negros posiblemente no sean tan negros! Mientras menor sea la masa más rápidamente se “evaporan”, debido a que la gravitación se debilita cada vez más en su horizonte y que por esto pueden escapar cada vez más partículas. Con esto también aumenta la temperatura del hoyo. Mientras que un hoyo negro con varias veces la masa solar, sólo tendría una temperatura de un diez millonésima [K] sobre el cero absoluto y recién se habría evaporado después de 10ˆ66 años, un hoyo negro primordial es realmente caliente. La evaporación aumente con la disminución de la masa y al final se parece a una explosión de varias millones de bombas de hidrógeno con una temperatura de millones de [K]. Nuestro mini hoyo sólo tendría un largo de vida que se iguala a la edad del universo, debería evaporarse en un estallido de rayos gamma. Lamentablemente hasta hoy no se logró demostrarlo.

Un hoyo negro podría ofrecer otro efecto interesante: podría conectarse por un “puente” con uno de sus iguales y de este modo permitirnos viajes cósmicos a través de estos agujeros de gusanos.

Última revisión 13 de Abril de 2006

Traducido al castellano por AAGB, Stgo. Chile, Octubre.2010. Con la gentil autorización de Werner Kasper, Mittelweg 1, D- 35117 Münchhausen, Abenteuer-Universum (Aventura Universo)