21 de junio de 2012

El loco viaje hacia el interior de un hoyo negro

El loco viaje hacia el interior de un hoyo negro

Prólogo

Después que hemos estudiado en teoría, detalladamente las aparentes exóticas propiedades de los hoyos negros, nos vamos a dedicar ahora a la práctica.  De hecho sabemos naturalmente. Que un viaje hacia uno de estos, relativamente pequeños, monstruos gravi6aciionales termina mucho antes de llegar al horizonte de sucesos. Allí  el estiramiento definitivamente sella el destino del valiente viajero: Si se acerca al horizonte sentirá una increíblemente fuerte atracción gravitacional, enormes fuerzas de mareas se hacen efectivas.

La gravitación depende de la distancia hacia un cuerpo, mientras más uno se aleja más débil se hace. Si estamos parados sobre la Tierra, entonces esto también es el caso. Nuestros pies están expuestos a una gravitación más fuerte que nuestra cabeza. Sin embargo de acuerdo a nuestra experiencia esto no  tiene importancia. Pero si un astronauta se acerca con los pies hacia delante a un hoyo negro, entonces la diferencia de la fuerza de atracción actúa de forma fatal. Esta fuerza de marea estira al cuerpo como un espagueti y al mismo tiempo lo comprime sin misericordia. Pero esto no es todo, uno es despedazado y desgarrado completamente aún antes de llegar al horizonte de sucesos y lo que queda es sólo un montón de partículas subatómicas - se le llama . Incluso si el visitante sólo orbitaría, según la distancia tendría que alcanzar velocidades, que la fuerza de centrífuga causada por esto, le causaría problemas bastantes serios.

       ¡Evíte los hoyos negros. Usted podría morir!

Sería una locura, si bajo condiciones normales, alguien quisiera acercarse a un hoyo negro. Ya que además sabemos que generalmente estos monstruos están rodeados por disco de acreción. En estas corrientes demoledoras toda la materia es hecha trizas, por la fricción y calentada a enormes temperaturas, de manera es emitida radiación X y gamma de alta energía. Esto es un verdadero infierno, la cual habría que atravesar y se llegaría al hoyo sólo como un asado. Y si se hayan salvado todas estas dificultades, a esto se debe agrega que los hoyos negro muestran un momento angular, que o lo adquirieron de la estrella originaria o/y de materia acreditada. ¡Ellos rotan y bastante rápido! Esta rotación que puede tener hasta la mitad de la velocidad de la luz, le es impuesto a todos que se atreven acercarse demasiado, una posición estática allí ya no es posible. Debemos pensar, que es lo que hay que hacer para realizar un paseo dentro de un hoyo negro, a pesar de todas las dificultades.

El viaje



Se nos abren dos posibilidades, tomar las penurias de un viaje dentro de un hoyo negro.  El método menos peligroso es tomar la posición de un observador. Desde una distancia segura observar los que hace el hoyo negro con una sonda robótica. Esto de hecho es cómodo, pero no muy informativo, como  pronto nos daremos cuenta. La teoría general de la relatividad de Einstein dice, que los relojes se  más lentos cuando son expuestos a fuertes campos gravitacionales, es decir, por la curvatura  del espacio-tiempo. Causada por la materia. Esto lo veremos prontamente cuando vemos la sonsa acercarse al horizonte. Si por el momento aun se está acercando de forma totalmente normal al hoyo, entonces su vuelo se hace cada vez más lento y una vez llegada al horizonte debemos esperar una eternidad, para ver a la sonda desaparecer dentro del hoyo. Su tiempo fue frenado por la gravitación y al final quedó totalmente detenida. Ya no podemos ver lo que sucede con la sonda, porque lo que sucede allá, yace como el horizonte de suceso en nuestro futuro. Durante su acercamiento al horizonte, la sonda cambia su color. De blanco hacia amarillo, del naranjo al rojo profundo y luego  se vuelve totalmente negra. Mientras más se acerca al horizonte, tanto más, los fotones de la luz que de ella salen deben luchar contra la gravitación en aumento. Esto la debilita cada vez más, dicho de otra manera el largo de las ondas de luz (desplazadas hacia el rojo) al final las ondas son prolongadas casia hacia el infinito, en otras palabras el corrimiento al roja es infinitamente grande, o sea, las partículas de la luz (todas las demás, ya no tienen la posibilidad de escapar del horizonte. También la ondas radiales emitidas por la sonda, se hacen cada vez más débiles, debido al corrimiento gravitacional hacia el rojo,  y finalmente callan por competo. Von esto para la satisfacción de nuestra curiosidad, no nos queda otra cosa que meternos en el hoyo negro.






Cosas extrañas se llegan a ver al acercarse uno a un hoyo negro. Si este se encuentra frente a un objeto luminoso, entonces la luz es llevada en un círculo alrededor del hoyo –vemos un anillo Einstein.

Este cuadro al igual que las siguientes películas fueron gentilmente dados a disposición de esta página por el Prof. Andrew Hamilton Se trata de las representaciones en las cuales fueron consuiderrads los efectos relativisticos. El cuadro del fondo de nuestra Vía Láctea fue gentilmente cedida, para esta página por Axel Mellinger

Armémonos con valor y lancémonos  la  - única – aventura.  Primero investiguemos  un hoyo más pequeño de aproximadamente 30 masas solares. Antes de la diversión, los dioses pusieron el sudor y nosotros tenernos que calcular el radio de Schwarzschild. La masa del hoyo negro (HN) yo la conocemos, también la constante gravitacional G y la velocidad de la luz c no es conocida:

G = 6,67259 × 10-11 [m3kg-1s-2]
Masa SL = 30 Sonnenmassen = 6 × 1031 [kg]
Velocidad de la lut = 2,99792458 × 108 [ms-1]






De esto calculamos un radio de Schwarzschild de unos redondos 89 [km]. Ye que no queremos abordar nuestra aventura sin sensatez, calculemos rápidamente que es lo que nos espera. Un primer valor al cual nos podemos atener nos da la aceleración gravitacional, o sea. La aceleración que experimenta un cuerpo en caída libre sin la influencia de otras fuerzas. Esta sólo depende de la masa del cuerpo y de la distancia. En la Tierra es, como se sabe, 9.802 [m ∙ sˆ-2] (= 1 G). Se calcula con la siguiente fórmula:




Ya que nosotros  al comienzo sólo queremos acercarnos lentamente a un HN, por el momento sólo nos acercaremos a una distancia de 1000 veces el radio de Schwarzschild. Eso serían unos 89 000 [km]. Al ingresar este valor en la fórmula con los valores conocidos de G y M, obtenemos una aceleración de más de 505 [km/sˆ2, un valor realmente notorio. Ya que queremos dejar detenido a nuestro cohete a esta distancia, para observar el hoyo con calma, necesitamos conocer la velocidad de fuga a esta distancia. Esta se calcula según


Siendo la velocidad de fuga de la Tierra de 11,2 [km/s], entonces nuestra nave espacial debe tener una velocidad de 9480 [km/s], para poder escapar del HN desde nuestra posición planificada.

Con nuestra nave sonda del tipo más moderno, abandonamos nuestra nave nodriza y nos acercamos primeramente a la distancia pre calculada. Podemos fiarnos de nuestra nave, tiene suficientes reservas para esta excursión.



 Desde esta distancia observaremos ahora al hoyo negro. A simple vista aun no se puede ver, únicamente podemos reconoceré su supuesta posición por una vaga distorsión en el cuadro del cielo estelar. Esta rápidamente se pone aburrida, por esto frenamos un poco nuestra nave, para acercarnos lentamente al monstruo. Muy luego nuestro avance se acelera considerablemente, de manera que el retro empuje debe ser constantemente aumentado, para que podamos descender suavemente. A una distancia de 100 radios de Schwarzschild, o sea, 8900 [km] mantenemos nuevamente nuestra nave en una posición fija. La velocidad de fuga aquí ya aumentó a 30.000 [km/s]. 1/1º de la velocidad de la luz, la aceleración gravitacional es de legendariamente enorme 50.500 [km/sˆ2]

 Reise in ein Schwarzschild Loch von Andrew Hamilton auf Vimeo.
El viaje dentro de un hoyo de Scwarzschild de Andrew Hamilton en Vimeo


 Con la expresa autorización de Andrew Hamilton

Durante el descenso apareció poco a poco el hoyo negro como un disco totalmente negro. La luz de las estrellas, que antes aun veíamos, aparentemente es desplazada por el hoyo. En cambio ahora se pueden ver las estrellas que  en realidad se encuentran detrás del hoyo negro. La enorme gravitación en su cercanía desvía la luz completamente alrededor de él. De pronto también se ven imágenes dobles más oscuras de todas las estrellas. Si trazamos una línea imaginaria directamente por la mitad del hoyo negro, podemos identificar el original y el doble a mano del color.

Las fuerzas de mareas nos causan problemas ahora. Entre nuestros pies, que ahora están en dirección del hoyo negro y nuestra cabeza, la diferencia de la fuerza de atracción del hoyo negro, nos produce serios problemas, ahora ya es de 1 G. Esto es bastante desagradable  y nosotros determinamos terminar aquí nuestra excursión, ya que las fuerzas de la mareas aumentarían notoriamente si se continúa con el descenso.

 Pero antes vamos a calcular rápidamente con que fuerza nos tironea la fuerza de las mareas. Se calcula con la siguiente fórmula::





G = Constante gravitacional =

m = la masa sobre la cual actúa la fuerza de mareas
M = La masa que origina la fuerza de mareas
r = Radio de la masa m
R =  Distancia entra las dos masas.

Coloquemos los valores para el HN de 30 masas solares en la fórmula, la distancia de 100 radios de Schwarzschild y partamos de una masa del astronauta de 75 kg, donde nos concedemos un diámetro de 1 [m], entonces apreciamos que aquí actúa sobre nosotros una fuerza de marea de ~ 850 (N). Si estuviéramos en la Tierra sólo tendríamos que soportar 2,3 x 10ˆ-4 [N]. ¡Antes de que nos suceda algo peor, es mejor que nos retiremos rápidamente!

Con la expresa autorización de Andrew Hamilton



Nuestra reflexión  llega a la conclusión, que sería más fácil entrar en uno de estos súper masivos hoyos negros de los centros galácticos. Estos  sorprendentemente son los gigantes buenos entre estas aterradoras especies, ya que sus fuerzas de mareas no son tan pronunciados como donde las ediciones más pequeñas. Debido a que la distancia hacia el centro gravitacional es más grande. Allí nos podemos sumergir sin tener que soportar ese desagradable estiramiento. Empaquemos entonces nuestras cosas en nuestra híper moderna nave espacial y partamos. Gracias a nuestra extraordinaria técnica vamos directamente sin problemas hacia la galaxia espira M 104, que se ubica en la constelación de Virgo a sólo unos  40 millones de años luz, y alberga un  hoyo negro de unos 500 millones de masas solares. ¡Justo lo correcto para nosotros!

Distinto a lo esperado – y como lo veíamos desde la Tierra – ya no tiene un disco de acreción. Entre tanto se tragó toda la materia alcanzable y duplicado su peso con esto, como lo podemos determinar para nuestra buena suerte. Esta hace mucho más fácil el acercamiento. Como el resultado de nuestro cálculo dio, la distancia de 100 radios de Schwarzschild sólo da unos ridículos 1,5 x 10ˆ-14 [N] que actuarían sobre nosotros. 
 Sin recelo nos vamos a acercar a casi un contacto directo. A una distancia de “sólo” 10 radios de Schwarzschild – esto aquí aún son unos buenos 29 mil millones de kilómetros – detenemos nuestra nave. La fuerza de mareas aquí es de 7,6 [N], aún se puede soportar bastante bien. Se nos abre un extraño aspecto del cielo, ya nada parece ser normal. El hoyo negro es claramente visible, pero la gravitación distorsiona la luz de las estrellas. Es como si el cielo nocturno se reflejara en un lago oscuro, en el cual alguien ha lanzado una gigantesca pelota negra. Al igual que las olas del agua la luz estelar es deformada por el distorsionado espacio-tiempo. Para ahorrar energía entraremos ahora en una órbita alrededor del hoyo negro, ya que queremos hacer algunas observaciones más.
Ahora podemos ver las estrellas del trasfondo, que anteriormente eran demasiadas débiles. La fuerza  del monstruo gravitacional aumenta extraordinariamente la luz por efecto del corrimiento hacia el azul. Junto a esto nos desconciertan efectos  totalmente inesperados, debido a que la luz ahora debe seguir la notoria curvatura del espacio-tiempo: ¡La luz viene ahora de todas las direcciones al mismo tiempo! Ninguna parte del cielo ya es a oscuras, pero todas las imágenes que nos llegan, de alguna manera son comprimidas y estiradas, amplificadas y debilitadas. Alrededor del hoyo podemos detectar un anillo casi invisible, en el cual la luz de las estrellas rota en sentido, contrario, un anillo Einstein.


 Ya que aun n o existen mareas que trata de convertirnos en espaguetis, descendamos un poco más y alcanzamos la esfera de fotones a exacto unos 1,500 radio Schwarzschild. La gravitación aquí es ahora tan poderosa, que la liza es llevada a una órbita alrededor  del hoyo.
Una de las características esenciales en el  ambiente de alta gravitación de un hoyo negro es el ya mencionado anillo de Einstein. Nosotros conocemos a este anillo por intermedio de observaciones astronómicas, ya que grandes masas como cúmulos de galaxias desvían la luz que se encuentra detrás de ellos como un lente y a veces la distorsionan tanto que llegan a formar un anillo. Y esto también es aquí el caso.


Mientras que la luz normalmente solo debe seguir la débil curvatura del espacio mediante la cual se desvía hiperbólicamente, en la esfera de fotones, esto es totalmente diferente. Aquí es torcido tan fuertemente, que regresa a la fuente. ¡Como ahora nos encontramos en esta situación tan loca, podemos mirar hacia delante y al mismo tiempo ver nuestro hermoso trasero!



Con la expresa autorización de Andrew Hamilton

Un fotón puede partir desde nuestra espalda, rodea al hoyo negro dentro de la esfera de fotones y llega hasta nuestros ojos. Diríamos basta con esto, nosotros ya no sabemos dónde es adelante y atrás, y mejor miremos otra vez hacia arriba. La luz de las estrellas ahora nos aparece  claramente azul, se hizo muy energética. Pero la más que nos rodea es la negrura del hoyo negro. Desde abajo ya no se puede ver la luz de las estrellas, ya que la gravitación no permite que ningún fotón se escape que se  encuentra debajo de la esfera de fotones. Pero en cambio podemos ver las estrellas que en realidad están detrás de nosotros. Su luz fue guiada completamente alrededor del hoyo negro. Solo en un campo muy pequeño sobre nosotros podemos ver el resto del universo.

En el cuadro una representación como se vería el hoyo negro si ujn se encuentra en la esfera de fotones. A esta distancia de 1.5 radios de Schwarzschild solo un fotón tiene la posibilidad de tomar una órbita estable.

Demasiado tarde nos damos cuenta de un problema gravante: No estamos en la posición de volver y escapar del hoyo negro. No nos queda otra posibilidad de continuar con valentía nuestro viaje y por lo tanto seguiremos hundiéndonos.
Mientras más nos acercamos al invisible horizonte, tanto más negrura nos rodea. El universo sobre nuestra cabeza se encoje cada vez más, pronta ya no es más que un pequeño punto, el resto es la negrura del hoyo negro. En el momento en el cual tocamos al horizonte, el universo brilla una vez más  con un fulgor  cegador: Nos da rayo altamente energético, corrido infinitamente hacia el azul, que, para nuestra suerte, es absorbido por nuestra nave y que repone nuestras reservas de energía. Pero lo que no vimos, que al pasar el horizonte percibimos el futuro del universo como en una cámara rápida. De hecho nos alcanza la luz de  de lejanos sucesos, pero esto siempre es una mirada hacia el pasado. La luz del futuro no nos puede alcanzar. Desde “#afuera” ya no podemos reconocer nada ya que toda radiación está totalmente distorsionada.

Pero ahora nos encontramos dentro del hoyo negro, del resto del universo ya no podemos ver nada. Ahora seguimos cayendo hacia la singularidad (en el caso que entramos en un hoyo negro no rotatorio). Lo que un monstruo tan masivo puede ser demoroso.

Se nos viene un pensamiento algo extraño: ¡Que bueno, que nos encontramos en un hoyo negro tan grande! En el hoyo negro pequeño de 30 masas solares, desde el horizonte hacia la singularidad habríamos tenido apenas unos 0,0001 segundos para hacer observaciones. Y 1 millón G, con valores rápidamente ascendentes nos habrían esperado desde el horizonte. Pero ahora tenemos condiciones soportables, aun nos quedan un par de horas.

En nuestro viaje a la perdición trataremos finalmente echarle un vistazo a la central y “desnuda” singularidad. Lo que fue nuestro gran deseo. Nada de eso no se ve nada, ya por el sólo hecho de ser increíblemente pequeña. Ahora que descendemos a la velocidad de la luz, todas las imágenes están totalmente desfiguradas, debido a las enormes mareas y nuestra velocidad,+. Si en un inicio aun vemos las imágenes de forma de riñones, pronto son estiradas y comprimidas como una donut al rededor de nuestra cintura. Esto ahora sucede extremadamente rápido y ya vemos a toda la radiación en un pequeñísimo cono  de luz, y a ser esta  corrido hacia el azul a máxima energía y radiación gamma. Cómo si esto no fuera suficiente comienza ahora también los grandes tiritones , La más mínima alteración de las fuerzas de marea, provocada por nuestra presencia – incluso para esto bastaría un solo fotón – es extremadamente amplificado. Esto incita a las fuerzas de marea  a producir horrorosas oscilaciones. De todos modos ya estamos totalmente convertidos en espaguetis, pero ahora somos  cada vez más rápidamente estirados y esto sucede en unos desquiciados cambios. De manera que ya estamos totalmente desgarrados a partículas subatómicas, fotones o incluso en una indefinida espuma cuántica, ya no sabremos nada al entrar en la singularidad.

Replay




¡Bueno, aún no vamos a tirar la toalla! De hecho ya es demasiado tarde para nosotros, opere pensar en un regreso al universo. Desde  nuestro paso por la esfera de fotones, esta esperanza se hizo totalmente ad absurdum. Pero lo que se describió arriba, en la naturaleza difícilmente  pueda suceder. Puesto que sabemos, que todas las estrellas rotan y con esto también cada hoyo negro que se haya formado. Okay, ahora ya nos encontramos dentro de uno de estos gigantes masivos, que posiblemente se haya formado en los inicios del universo. Incluso si después del nacimiento o rotaban, han ingerido empeñosamente materia, por ejemplo en forma de estrellas o nubes de gas rotantes. Esto trajo consigo el momento angular y por esto también gira nuestro monstruo. También es posible que porte una carga eléctrica, pero esto ya no lo podemos medir.


Demos un pequeño paso hacia atrás en nuestra historia hasta el punto cuando acabamos de dejar atrás el horizonte de eventos. En el fondo también vemos aquello lo que se podía ver  en el arriba descrito hoyo de Schwarzschild. Pero delante de nosotros aparece una gigantesca superficie de forma de cúpula: El interior del horizonte. Si no podíamos advertir el horizonte exterior, así ahora se nos presenta el llamado Horizonte de Cauchy increíblemente brillante. Este límite es un lugar de un infinito corrimiento hacia el azul, toda la radiación y materia que ingresa se acumula aquí y se convierte de inmediato en el anillo de la singularidad. Pero aun tenemos un poco de suerte en nuestro equipaje y de pronto se apaga en horizonte de Cauchy -  nuestro gigante gravitacional naturalmente tenía una “pausa” en su trabajo, no está acreditando. Sólo un leve parpadeó nos hace vislumbrar al horizonte. Un anillo de de luz danzante nos muestra la singularidad en u hoyo que está rotando. Gira a una velocidad enorme, exactamente así, que las fuerzas centrifugas, que se forman son equiparadas por la gravitación. Nosotros admiramos un desnudo anillo de singularidad, sin expansión un anillo Hula-Hoop arremolinándose, cuyo tamaño no podemos determinar.


Con la expresa autorización de Andrew Hamilton


Aquí nos encontramos justamente en el interior de un hoyo Reissner-Nordström, uno no rotante pero eléctricamente cargado. Ninguna luz dese abajo nos puede alcanzar, pero cuando pasamos al horizonte interior, nos de lleno un rayo de luz de una intensidad y fuerza infinita, esta luz proviene del universo y contiene toda su historia. Pero en este lugar se derrumba la geometría Reissner-Nordström. Aún cuando representa una solución exacta de la ecuación de Einstein, hoyos negros como estos no son realistas.

El parpadeo azul, a mayor acercamiento más nos parece como una imagen de forma de un anillo, ¿una especie de… portón…? Mirando hacia adentro cogemos al vuelo algunas rápidas vistas de universos  extraños en los cuales yacen otros universos, percibimos tiempos que están integrados en otros tiempos… y ahora se nos abren los ojos: Esto es un  agujero de gusanos, como fueron pronosticados por varios científicos que se encuentran en el interior de hoyos negros rotantes o eléctricamente cargados ¿Podría ser esto nuestra salvación y por este camino llegar a otro universo? Desgraciadamente no tenemos otra elección, nos metemos en el agujero de gusanos. Un último pensamiento nos viene como un rayo – no se destruirá un agujero de gusanos con la más mínima interferencia aunque sea sólo un fotón y colapsa a una singularidad anillo.



 Epilogo

¿Usted no cree realmente esto? ¡Entonces Ud. lo hace bien!. Un viaje  dentro de un hoyo negro sólo puede ser ficticio, sólo puede suceder en una hoja de papel o aquí en la pantalla. Sin considerar, que incluso el hoyo negro estelar más cercano, V618 Monocerus se encuentra a una distancia de 2700 años luz que difícilmente se podría sobrevivir a un viaje así, un acercamiento sería un comando suicida absoluto. Lo que los autores de ciencia ficción nos quieren hacer creer, que con una nave espacial futura, se pueda volar a través de un hoyo negro, es pura fantasía. Estos objetos son lugares sin retorno, cada ingreso en un horizonte es peor, que el peor de los viajes   por el infierno, literalmente se muere mil veces, En e disco de acreción  uno es tostado, transformado por la gravitación en un espagueti y despedazado y desintegrado por fotones gamma…

La esperanza de encontrar un agujero de gusano en el interior es totalmente engañosa. Al menor contacto colapsará de inmediato a una singularidad. Además en todo el universo no existe ningún material que sirva para la construcción de un cohete, que podría resistir estas dificultades. Un hoyo negro es el imperio ilimitado de la gravitación, ella es la dueña absoluta y no tolera a nadie a su lado, ni siquiera un fotón- incluso este es triturado si se le acerca mucho. Si aún le quedan ganas Ud. en esta pequeña película, puede realizar un viaje realista dentro de un hoyo negro. El disco de acreción y el yet están representados en una simulación súper computacional relativista, magneto hidrodinámica, por John Hawley, University of Virginia. Ud. en una caída libre geodésica realista, cae en un hoyo negro con 4 millones de masas solares, tal como se encuentra en el centro de nuestras Vía Láctea. Esta masa es lo suficientemente grande que recién le va a molestar el estiramiento a un espagueti, después que Ud. ya se evaporó en el interior del horizonte…


En la película se puede apreciar un reloj. Nos muestra el tiempo que resta hasta la “unión” con la singularidad. 













En esta pequeña gráfica se representa la momentánea ubicación: En el anillo verde aun es posible una órbita estable, por debajo de esto sólo se va hacia abajo. Los anillos rojos indican los horizontes.

Para ver la película aquí:   Black Hole Flight Simulator http://jila.colorado.edu/%7Eajsh/insidebh/realistic_640x360.mov. Buen viaje…




Editado el 9 de diciembre de 2011

Traducido del alemán por A. Gundelach, con la gentil autorización de Werner Kasper, Abenteuer-Universum (Aventura Universo), Junio 2012

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