Agujeros Negros

Agujeros Negros
Traducción de Priscilla Nowajewsky B.
pnowajew@das.uchile.cl
21 de agosto de 2005
1
Índice
1. ¿Qué es un agujero negro?
3
2. ¿Cómo se forma un agujero negro?
6
3. ¿Cómo se observan los agujeros negros?
9
4. Evidencia
11
5. Bibliografı́a
18
2
1 ¿QUÉ ES UN AGUJERO NEGRO?
1.
3
¿Qué es un agujero negro?
Los agujeros negros son una consecuencia de la Teorı́a de la Relatividad General
de Einstein. Los agujeros negros son singularidades que para los cálculos fı́sicos
y matemáticos tradicionales no tienen un comportamiento predecible, sólo la
teorı́a de la relatividad se asemeja a dicho comportamiento. Puede haber más
agujeros negros que estrellas visibles en nuestro universo.
Los agujeros negros pudieron ser formados por las irregularidades en la
expansión de nuestro universo o por el colapso gravitacional de una estrella
muy masiva.
Un agujero negro es un cuerpo celeste con un campo gravitatorio tan fuerte
que ni siquiera la radiación electromagnética puede escapar de su proximidad.
Un campo de estas caracterı́sticas puede corresponder a un cuerpo de alta
densidad con una masa relativamente pequeña (como la del Sol o menor) que
está condensada en un volumen mucho menor, o a un cuerpo de baja densidad
con una masa muy grande, como una colección de millones de estrellas en el
centro de una galaxia.
Es un “agujero” porque las cosas pueden caer, pero no salir de él, y negro
porque ni siquiera la luz puede escapar. También se puede describir como un
objeto cuya velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz, siendo,
este ultimo, el mayor lı́mite de velocidad en el universo.
Todo agujero negro está rodeado por una frontera llamada Horizonte de
Eventos, de la cual no se puede escapar. Cualquier evento que ocurra en su
interior queda oculto para alguien que lo observe desde afuera. El astrónomo
Karl Schwarszchild demostró que el radio del horizonte de eventos corresponde
a unos 3 km por cada masa solar de la esfera, a este radio se llama el Radio de
Schwarzschild. Este radio es un filtro unidireccional, pues cualquier cosa puede
entrar, pero no salir.
El horizonte de eventos esta formado por los caminos, en el espacio-tiempo, de
los rayos de luz que no alcanzan a escapar. Los rayos de luz que están en esta
frontera se moverán eternamente, sin chocar entre sı́, ya que los dos rayos de
luz serı́an absorbidos por el agujero, ası́ estos çaminos luminosos”se mueven en
forma paralela.
Al nunca acercarse entre sı́, el horizonte permanece constante o va aumentando
con el tiempo.
A medida que cae materia dentro del agujero negro, el área del horizonte de
eventos aumenta.
La masa de un cuerpo y su radio de Schwarzschild son directamente
1 ¿QUÉ ES UN AGUJERO NEGRO?
4
proporcionales.
Además, según la relatividad general, la gravitación modifica el espacio tiempo en las proximidades del agujero.
Figura 1: Curvatura del espacio.
Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espin y carga
eléctrica. La forma del material en un agujero negro no se conoce, en parte
porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teorı́a, el
material continuarı́a colapsando hasta tener radio cero, punto conocido como
Singularidad, de densidad infinita.
En teorı́a, los agujeros negros vienen en tres tamaños: mini-agujeros negros,
agujeros negros medianos y agujeros negros súper-masivos.
En 1971, Stephen Hawking dijo que en la densa turbulencia creada por el Big
Bang, se formaron presiones externas las cuales ayudaron a la formación de los
mini-agujeros negros. Éstos serı́an tan masivos como una montaña, pero tan
pequeños como un protón; radiarı́an energı́a espontáneamente, y después de
miles de millones de años finalizarı́an con una violenta explosión.
Por otro lado, hay buena evidencia de que los agujeros negros medianos se
forman como despojos de estrellas masivas que colapsan al final de sus vidas; y
de que existen agujeros negros súper masivos en los núcleos de muchas
galaxias, incluyendo la nuestra, el cual se ha establecido, tiene una masa de 2.5
millones de veces la del Sol. Estos agujeros negros súper masivos tienen un
horizonte de eventos más o menos igual al tamaño del Sistema Solar.
Contradiciendo al mito popular, un agujero negro no es un depredador cósmico.
Si el Sol se pudiera convertir en un agujero negro de la misma masa, la única
1 ¿QUÉ ES UN AGUJERO NEGRO?
5
Figura 2: Agujeros negros.
cosa que sucederı́a serı́a un cambio en la temperatura de la Tierra. La frontera
de un agujero negro no es una superficie de material real, sino una simple
frontera matemática de la que no escapa nada, ni la luz que atraviese sus
lı́mites, este es, el Horizonte de Eventos.
2 ¿CÓMO SE FORMA UN AGUJERO NEGRO?
2.
6
¿Cómo se forma 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
colapsar entre si. Los átomos comienzan a chocar unos con otros, lo cual hace
que el gas se caliente, tanto, que luego de un tiempo, las partı́culas de
hidrógeno forman partı́culas 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 permanecen 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.
Figura 3: Ciclo de vida de una estrella.
2 ¿CÓMO SE FORMA UN AGUJERO NEGRO?
7
Figura 4: Ası́ es como una estrella se convierte en un agujero negro.
Subrahmanyan Chandrasekhar, calculó lo grande que podrı́a llegar a ser una
estrella que fuera capaz de soportar su propia gravedad, antes de que acabe su
combustible. Descubrió una masa (aproximadamente 1.5 veces la masa del Sol)
en la que una estrella frı́a no podrı́a soportar su gravedad. Esto es lo que se
conoce como el Lı́mite de Chandrasekhar. Si una estrella posee una masa
menor a la del lı́mite de Chandrasekhar, puede estabilizarse y convertirse en una
enana blanca, con un radio de pocos kilómetros y una densidad de toneladas
por centı́metro cúbico. Las estrellas de neutrones también están dentro del
lı́mite de Chandrasekhar, siendo para estas, 3 masas solares, y se mantienen por
la repulsión de electrones. Su densidad es de millones de toneladas por
centı́metro cúbico, aquı́ también se incluyen los púlsares, los cuales son estrellas
de neutrones en rotación.
En 1939, Robert Openheimer describió lo que le sucederı́a a una estrella si
estuviera por fuera del lı́mite de Chandrasekhar. El campo gravitatorio de la
estrella cambia los rayos de luz en el espacio - tiempo, ya que estos rayos se
inclinan ligeramente hacia dentro de la superficie de la estrella. Cada vez se
hace más difı́cil que la luz escape, y la luz se muestra más débil y roja para un
observador. Cuando la estrella alcanza un radio crı́tico, el campo gravitatorio
aumenta provocando que la luz ya no pueda escapar. Esta región es llamada
hoy un Agujero Negro.
En resumen, un agujero negro se origina por la muerte de una estrella, cuando
ésta se contrae más allá de un lı́mite determinado (Radio de Schwarzschild) se
hace más pequeña y densa que una estrella de neutrones, tanto que ni la luz
puede escapar de su campo gravitatorio.
2 ¿CÓMO SE FORMA UN AGUJERO NEGRO?
8
Si entendemos lo que significa la gravedad como 4ta dimensión y entendemos
la curvatura del universo, un agujero negro serı́a un lugar en el cual la curvatura
serı́a infinita.
Dentro del horizonte de eventos, el espacio está tan curvo que nada se puede
escapar.
3 ¿CÓMO SE OBSERVAN LOS AGUJEROS NEGROS?
3.
9
¿Cómo se observan los agujeros negros?
Los agujeros negros tienen tanta masa, que producen una fuerza gravitacional
que afecta a los objetos cercanos. El material que cae dentro del agujero negro,
serı́a aplastado y calentado al tratar de colarse dentro del agujero negro, por lo
que producirı́a 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. Hacia 1971, la localización de la fuente
de rayos X en el cielo, se habı́a medido con mayor precisión, usando
observaciones de cohete y satélite. Un avance fundamental se dio en marzo de
ese año, cuando una 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, lo cual era una fuerte evidencia de
que la fuente de radio y la de rayos X podı́an ser el mismo objeto. Una estrella
débil llamada HDE 226868 apareció en la posición de esta fuente de radio. Los
astrónomos que estudiaban la luz de HDE 226868 habı́an encontrado dos
hechos importantes:
HDE 226868 era una estrella súper gigante azul, una estrella normal,
masiva, cerca del final de su vida.
La estrella giraba alrededor de otro objeto masivo en una órbita con
perı́odo de 5.6 dı́as.
Conociendo la fuerza necesaria para mantener a HDE 226868 en órbita, se
puede calcular la masa de la compañera, la cual cercana a las 10 masas solares.
Pero no hay signos de luz visible de ella y algo en el objeto produce rayos X.
La explicación o modelo que mejor se ajusta a estos hechos es que la
compañera es un agujero negro de cerca de 10 masas solares, el cadáver de una
estrella masiva que alguna vez fue la compañera de HDE 226868. Los rayos X
son producidos conforme el gas de la atmósfera de la súper gigante azul cae
hacia el objeto colapsado, calentándose. El objeto colapsado no puede ser una
enana blanca o una estrella de neutrones, debido a que estos objetos no pueden
tener masas mayores de 1.44 y 3 masas solares, respectivamente.
Otros tres objetos: LMC X-3 en la Nube Grande de Magallanes, A0620-00 y
V404 Cygni en nuestra galaxia, se cree que contienen agujeros negros.
3 ¿CÓMO SE OBSERVAN LOS AGUJEROS NEGROS?
10
A pesar de la dificultad que existe por descubrir los agujeros negros, se estima
con certeza que muchas estrellas a través del tiempo en el universo han perdido
toda su energı́a y han tenido que colapsar de esa forma. Tal vez el número de
agujeros negros es más grande que el número de estrellas visibles.
4 EVIDENCIA
4.
11
Evidencia
Diferentes equipos de astrónomos han anunciado haber encontrado evidencias
que permiten casi, prácticamente, asegurar la existencia de los agujeros negros
en el universo. Además de las detecciones de Rayos X y Rayos gamma, se tiene
el monitoreo que ha efectuado el Hubble Space Telescope (HST), sobre 27
galaxias cercanas, donde en algunas de ellas, se ha podido detectar rastros de la
desaparición de un sin número de estrellas y otras que están siguiendo el mismo
destino, es decir, 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 satéliteIUE de exploración
ultravioleta de la Agencia Europea del Espacio hizo el hallazgo y además de
medirlo. Desde el año 1990, se cuenta con evidencia acerca de la existencia de
un agujero negro, ubicado a unos 300 años luz de la Tierra: Fue detectado por
el telescopio Sigma y por su magnitud se le llamó “El Gran Aniquilador”.
Figura 5: Agujero Negro en el centro de la Vı́a Láctea.
4 EVIDENCIA
12
Recientemente se han descubierto pruebas concluyentes de la existencia de un
inmenso agujero negro en el centro de la galaxia elı́ptica 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 3.000
millones de masas solares, compactada en un espacio de unas 11 horas-luz de
diámetro.
Figura 6: Candidato a agujero negro en la galaxia M87.
4 EVIDENCIA
13
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 de la Tierra en la
constelación de Virgo.
Figura 7: Galaxia Activa.
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 estarı́a emanando desde un
posible agujero negro.
Se trata de un fenómeno nuevo para los investigadores.
Anteriormente, todo lo que se habı́a podido detectar como evidencia de la
existencia de un agujero negro, era la detección de los efectos gravitatorios que
éste generaba en los objetos que iban siendo atraı́dos al traspasar el horizonte
de eventos. Esto formaba una especie de disco de circunvalación, algo ası́ como
una ”dona”, que rodeaba a algo gravitatoriamente poderoso, pero que de ello
solamente se podı́a distinguir la intensa luz que emanaba desde los gases
calientes que se encontraban atrapados por la gravedad del agujero negro, el
que se encontrarı́a empotrado en dicha ”dona”.
4 EVIDENCIA
14
Pero lo que encontró el HST, fue bastante más de lo que se habı́a podido
observar sobre un agujero negro. En esta ocasión, se observó como ese agujero
iluminaba el disco de circunvalación que lo rodea, lo que no era de extrañar
para una gran mayorı́a de fı́sicos teóricos. En las tomas del HST se puede
distinguir luz ultravioleta reflejándose sobre un lado del disco, el cual se
encontrarı́a urdido como la parte superior de un sombrero.
4 EVIDENCIA
15
Figura 8: Imágenes de la Nebulosa del Cangrejo (vista por primera vez en el
año 1054), tomadas en rayos X (Chandra), Óptico (Palomar), infrarrojo (Keck)
y ondas de Radio (VLA).
4 EVIDENCIA
16
Si bien todavı́a no se conocen las posibles medidas de este agujero negro, las
evidencias de su existencia se encuentran en la poderosa emisión detectada en
la eyección de radiación que alcanza un espacio de tres millones de años luz y
de las partı́culas que se han visto emanar desde la ubicación del agujero negro
en el eje mismo de esta galaxia activa. Se piensa que muchas galaxias
denominadas activas son la cuna de una apreciable cantidad de agujeros negros.
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.
Figura 9: Imagen realizada por el Hubble Space Telescope
La imagen anterior, corresponde a una toma realizada por el Hubble Space
Telescope.
La parte exterior de color blanco, corresponde a las delimitaciones del núcleo
central de la galaxia NGC 4261. En el interior del núcleo se puede observar a
una especie de espiral de color café o marrón que parece que estuviera
formando un disco circunvalatorio de materias, gases y polvo con las
caracterı́sticas similares a uno de acreción. Su peso se puede calcular en unas
4 EVIDENCIA
17
cien mil veces más que el Sol. Lo anterior es posible debido a que se trata de un
objeto en rotación, lo que permite calcular el radio y la velocidad de su
constitución y con ello, calcular el peso de su parte central. El conjunto del
fenómeno, incluido el disco circunvalatorio, forma un diámetro semejante al del
Sistema Solar, pero pesa 1.2 millones veces más que el Sol. Ello implica que su
gravedad es un millón de veces más poderosa que la del Sol. Por ello, casi se
podrı́a asegurar que el fenómeno podrı́a ser la consecuencia de la presencia un
agujero negro en dicha galaxia.
La existencia de los agujeros negros depende, en su mayor parte, de las Teorı́as
de Einstein, aunque las evidencias son muy sólidas; si dicha teorı́a fuese
incorrecta, se deberı́a rescribir la cosmologı́a entera.
5 BIBLIOGRAFÍA
5.
Bibliografı́a
http://nti.educa.rcanaria.es/usr/avan tf sc1 98/ggg/david3b/
Un %20agujero %20en %20el %20espacio.html
http://www.civila.com/chile/astrocosmo/an-03.htm
http://www.educar.org/cecc/h-foton/h-foton-3 16.htm
http://www.fcaglp.unlp.edu.ar/ ostrov/agujero.html
http://www.sadeya.cesca.es/ pdiaz/laberint/a-negro.htm
18