Agujeros Negros.

Imagina condensar toda la tierra en una canica de 2cm de diámetro. Las estrellas en su proceso de fusión sintetizan elementos cada vez más pesados. En el desenlace las capas más externas son expulsadas mientras en el interior se hunde sobre sí misma. Sabemos que la gravedad es una deformación del espacio-tiempo provocada por la masa. Si nos adentráramos en un agujero negro, para un obsevador externo cada minuto nuestro serían años o siglos para él. Los agujeros negros tienen una frontera límite que si no sobrepasamos podríamos escapar de su atracción, esa frontera se llama: horizonte de sucesos, que es el punto sin retorno. A partir de ese horizonte de sucesos de un agujero negro no puede escapar ni la luz, engullen estrellas, planetas,…. Por eso es imposible ver lo que suscede en su interior, nada sale, ni la luz. Se ha especulado sobre la idea de que son agujeros de gusano que conectan puntos distintos del universo o universos diferentes. Se han detectado múltiples de ellos como el Cygnus X-1, o el del centro de la galaxia M87, de hecho todas las galaxias contienen en su núcleo un agujero supermasivo.

La velocidad de escape de un planeta (la de la Tierra es de 11,2 km/s = 40.320 km/h) viene dada por la fórmula: v=√(2GM ⁄ R). Como vemos depende de la masa y del radio. Cuando la masa es más grande y el radio es muy pequeño aumenta la velocidad incluso llega a superar la velocidad de la luz, como en los agujeros negros. La masa del nuestro sol de 2×1030 kg tiene una fuerza gravitatoria para mantener unido el sistema solar, pero si su masa estuviese concentrada concentrada en 3 km su gravedad sería monstruosa y se transformaría en un agujero negro. La fuerza nuclear fuerte responsable de mantener unidos los protones y neutrones en el núcleo atómico es 1039 veces más grande, sin embargo a escala planetaria las fuerza atómicas (eléctricas positiva y negativa) se cancelan entre ellas, mientras la gravedad no lo hace nunca y cuanto más masa concentrada más dominante será.

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Existen dos tipos de agujeros negros estáticos y de rotación, geométricamente los estáticos tienen forma circular cuyo radio se llama radio de Schwarzschild y los de rotación son elípticos al achatarse por la rotación y ese espacio extra a la esfera se llama ergosfera. La ergosfera queda fuera del horizonte de sucesos circular perimitiendo escaparse en él. Existe el Teorema de Ausencia de Pelo que dice que los agujeros negros borran toda la información independientemente de su origen y sólo conservan tres propiedades: la masa, el momento angular (si rota) y la carga eléctrica (si la tiene), tal como predice la teoría de la relatividad. La temperatura de un agujero negro es mayor cuanto menor es su masa, uno del tamaño del sol tendría 0ºC (273K). Los agujeros negros tienden a perder masa y evaporarse, aumentando su temperatura, aunque muy lentamente; uno del tamaño del sol tardaría 13.800 millones de años.

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Cuando un objeto es engullido a partir del horizonte de sucesos, se alarga infinitamente (se espaguetiza) desde el horizonte hasta el centro (la singularidad). Caería cerca de la velocidad de la luz y el tiempo se ralentiza a esa velocidad, aunque para un observador externo el tiempo sea infinito y vería el objeto suspendido en el horizonte de sucesos. En el núcleo o singularidad se mezclan las leyes de la mecánica cuántica y de la gravedad (la teoría cuántica de la gravedad está en desarrollo).

Las estrellas se forman por compactación de materia de grandes nubes de gas, pasando de protoestrellas a estrellas. Según la masa que concentren dan lugar a estrellas marrones, enanas roja, estrellas tipo sol o gigantes azules. La enana roja cuando se agota se transforma en una enana blanca. A nuestro sol después de convertirse en una gigante roja expulsando sus capas exteriores se convierte en una nebulosa planetaria (expulsando gran parte de su masa) para terminar convirtiéndose en una enana blanca un millón de veces más densa. Solo las estrellas de hasta 1,4 veces el tamaño del sol acaban convirtiéndose en enanas blancas llegando al límite de Chandrasekhart, en el cual la resistencia de los electrones es suficiente para contrarrestar el colapso gravitatorio. A su vez la enanas blancas estallan en una nova (no aniquiladora) o por interaccíon con los planetas en una supernova, debido al colapso gravitario donde la temperatura y la densidad son enormes. Las estrellas gigantes tienen una vida corta y un final violento,terminan directamente en una explosión supernova, a veces antes pasan por la fase de gigante roja. Las supernovas terminan siendo agujeros negros, a veces pasan antes por la fase de estrella de neutrones (pulsares).

Existe otro límite que es 2 0 3 masas del sol para que la presión de degeneración de lo neutrones contrarestan la presión de gravedad se llama límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff; a partir de ese límite se produce un agujero negro, porque el colapso no se detendrá y se producirá una singularidad espacio temporal, protegida por un horizonte de sucesos.

Cuando rota la materia alrededor se producen Jets que emiten chorros enormes de partículas de materia de alta energía perpendiculares a los discos de acreción. Debido a que los agujeros negros acumulan energía rotacional, emiten estos chorros a velocidades cercanas a la luz (que es la velocidad de escape del agujero negro), en la dirección del eje de rotación, con partículas magnetizadas helicoidalmente en esa dirección. Además de emitir ondas de radio emiten luz visible en forma de radiación sincotrón al acelerarse las partículas y cubren distancias de millones de años luz. Son relativistas los jets porque aquellos que apuntan hacia nosotros tienen más luz y el contrajet es menos visible debido a la velocidad de la luz alejándose.

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Por su propia naturaleza los agujeros negros no son visibles, porque no dejan escapar la luz, para detectarlos debemos hacerlo indirectamente, detectando los efectos que provocan en su entorno. Por ejemplo si hay una estrella cercana atraería su viento estelar, acelerándolo y aumentando enormemente su temperatura. El gas a altas temperatura emite rayos X detectables (que da el momento angular del agujero negro, además el gas resulta más fácil de estudiar por tener un espectro más sencillo). Otra forma es detectar la emisión de los jets mediante ondas de radio de estos chorros relativistas. Otro síntoma para conocer la presencia de un agujero negro supermasivo es la emisión de maser (laser de microondas) cerca de su entorno. Recordemos que el orden en función de su frecuencia es de menor a mayor: ondas de radio, infrarrojo, luz visible, ultravioleta y rayos X.

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Para medir la masa de un agujero negro se utiliza la relación que existe entre la masa y la velocidad de los objetos que orbitan a su alrededor: GmM/R2=mV2/R, que simplificando y despejando, quedaría como M=RV2/G. Para una masa fija M podemos ver que la velocidad V de una partícula aumenta al disminuir el radio R es decir V ≈ 1/√(R); que saldría una relación entre la velocidad y la distancia al objeto (gráficamente es la Curva de Rotación Kepleriana). Dadas las velocidades de las estrellas del centro de nuestra galaxia se ha determinado que el centro es su agujero negro supermasivo Sgr*A tiene una masa de 4 millones de soles y está concentrada en 15 horas-luz. Otro efecto indirecto es que en el entorno de un agujero negro suele haber más estrellas y sus velocidades son mayores, que si no lo hubiese. En la vía láctea, además del SgrA*, existen otros más pequeños; pero el SgrA* es el único con efectos globales y responsable de mantener la galaxia unida. Nuestro Sol tiene un periodo de rotación de 226 millones de años a una velocidad de 198 km/s respecto al centro galáctico.

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Una respuesta

  1. Entrada muy interesante. Hay algunos datos que te añado en este enlace, por si te interesa: https://gabrielrosselloblog.wordpress.com/2017/02/22/curiosidades-sobre-los-agujeros-negros/

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