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martes, 17 de diciembre de 2013

Ciencia-Agujeros Negros

Agujeros Negros
En el campo de la ciencia, a veces la realidad supera a la ficción y, a menudo, la imaginación de los científicos alcanza vuelos tan altos como la de los escritores y cineastas. 

Tomemos los extraños objetos conocidos como agujeros negros. 

En estos objetos, la gravedad se impone a todas las otras fuerzas naturales. Comprime la masa de una docena, o un millón, o mil millones de Soles, en un punto de una densidad casi infinita. El espacio y el tiempo quedan aniquilados y la estructura del universo se convierte en una "espuma" gobernada por unas leyes físicas que los científicos aún no comprenden del todo. 

Esta influencia gravitacional llega mucho más allá del centro del agujero negro. Deforma el espacio en torno al agujero negro de forma tan extrema, que nada puede escaparse de él: ni las ondas de luz o radio, ni potentes naves espaciales. De ahí el nombre de "agujero negro," creado por el físico John Archibald Wheeler en la década de 1960: como un agujero negro no emite energía ni materia, se ve completamente negro, como un agujero en el universo. Y los más grandes de estos agujeros son enormes: pueden ocupar un volumen de espacio más grande que nuestro sistema solar. 

Paradójicamente, un agujero negro puede brillar con más fuerza que casi cualquier otro objeto del universo, al rodearse de un disco de gas supercaliente. El gas robado de la superficie de una estrella en el caso de los agujeros negros pequeños, o de los restos de estrellas pulverizadas en el caso de los grandes- gira a grandes velocidades antes de entrar en espiral en el agujero negro. Unos potentes campos magnéticos pueden volver a echar el gas al espacio, a casi la velocidad de la luz, creando "chorros" que pueden extenderse a lo largo de miles de años luz. 

Todos estos conceptos surgieron de la imaginación de astrónomos y físicos que estudiaban la evolución de estrellas y galaxias, no de la de escritores de ciencia ficción. Aunque nadie ha visto nunca un agujero negro directamente, los modelos explican muchos objetos que los astrónomos sí han visto, objetos como quásares y estrellas binarias de rayos-X, y quizás también las erupciones de rayos gamma. 

Sin embargo, los escritores de ciencia ficción aplicaron muy bien esas ideas. Agujeros negros rotatorios amenazan tranquilos sistemas estelares; los científicos observan la colisión de agujeros negros; ignorantes bravucones intentan escaparse del pozo gravitacional cuando se acercan demasiado al horizonte de eventos. Algunas de estas ideas sobre agujeros negros tienen una base científica sólida. Otras son fantasía pura. Pero, incluso estas historias, pueden inspirar a los jóvenes de hoy a seguir carreras en astronomía, y quizás a usar su propia imaginación para resolver algunos de los misterios de estos objetos, tan fascinantes como extraños.

Ahora una explicacion mas cientifica de Wikipedia.


Un agujero negro u hoyo negro es una región finita del espacio en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella. Sin embargo, los agujeros negros pueden ser capaces de emitir radiación, lo cual fue conjeturado por Stephen Hawking en los años 1970. La radiación emitida por agujeros negros como Cygnus X-1 no procede del propio agujero negro sino de su disco de acreción. 

La gravedad de un agujero negro, o «curvatura del espacio-tiempo», provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es previsto por las ecuaciones de campo de Einstein. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo los fotones. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio. En los años 70, Hawking, Ellis y Penrose demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros. Previamente, en 1963, Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometría cuasi-esférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y su momento angular L. 

Se conjetura que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos. La existencia de agujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en especial a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas.
¿De donde sale el nombre Agujero Negro?
El bautizo 

La denominación "Agujero negro" es atribuida a John Archibald Wheeler, y la utilizó básicamente porque dicho fenómeno no es visible a la vista y a que traga todo lo que está próximo a él como si fuera un hoyo al que todos caen indefectiblemente. Antes de este nombre poseía diversas denominaciones como "estrella congelada", "ojo del diablo", entre otros. 

Buscando padrinos 

La evolución de su nombre ha ido de la mano con el entendimiento de dicho fenómeno que de por sí resulta fascinante. Ya en 1783 John Michell planteó la idea de lo que sucedería con una estrella súper masiva la cual poseería una gravedad tan grande que ni la misma luz escaparía a su gravedad. Pero no fue hasta 150 años después que el astrónomo de origen bávaro Karl Schwarzchild consiguió explicar matemáticamente el fenómeno de los agujeros negros; para ello se apoyó en los estudios de relatividad que realizó Albert Einstein. A partir de ese estudio es que se crea la variable del radio de Schwarzchild el cual determina un radio de horizonte de sucesos en el que la masa de un cuerpo puede ser comprimida para formar un agujero negro. Pero el inconveniente es que con esta teoría los recientemente denominados agujeros negros sólo eran conocidos como fenómenos sin carga ni rotación. 

En 1963 el físico y matemático Roy Kerr describió el comportamiento teórico de un agujero negro en rotación. Su modelo predecía una rotación constante en velocidad, siendo la forma y el tamaño dependientes de la velocidad de rotación y de la masa del agujero. El modelo indicaba también una relación directa entre la velocidad y el grado de deformación que el agujero poseía considerando que todo cuerpo que formara el agujero negro llegaría indefectiblemente a un estado estacionario. 

Se incrementa el interés 

Es así como los agujeros negros (aún no bautizados) suscitan el interés de los más eminentes científicos y matemáticos de nuestro mundo. Stephen Hawking conjuntamente con Roger Penrose define al agujero negro como "un conjunto de sucesos del cual nada es posible escapar a gran distancia". Aquí se hace popular la palabra "singularidad" la cual se utiliza para describir en una palabra las condiciones sumamente especiales en las que se encuentran la densidad y el espacio - tiempo. Penrose define el término "singularidad desnuda" como el estado en donde la densidad y el espacio - tiempo son infinitas, este estado sólo se dá dentro de un agujero negro. Otros científicos inmersos en el estudio de los agujeros negros fueron (antes de su denominación) Carl Sagan, Werner Israel, Richard Feynman, entre otros. 

Y finalmente ... un nombre 

No fue hasta luego de diversos estudios e infinidad de descubrimientos que finalmente en 1969 el científico John Weeler acuñó el término "AGUJERO NEGRO" desde el punto de vista de la naturaleza de la luz (onda - partícula). Esto debido a la fascinante idea de una gravedad casi infinita de la que no escapa nada (ni siquiera la luz).

Formacion de un agujero negro


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 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. 

Para empezar, no todas las estrellas se pueden convertir en agujeros negros, para ello deben de cumplir ciertos requisitos como por ejemplo el tamaño, tiempo de vida, entre otras características. 

Las estrellas se forman a partir de grandes concentraciones de gas, principalmente hidrógeno, por efectos gravitatorios los átomos que conforman estos gases empezarán a colapsar unos contra otros contrayéndose y generando un calentamiento del gas, el calor poco a poco se incrementará llegando a generarse reacciones importantes entre los átomos (transformación de moléculas de Hidrógeno en Helio). Estas reacciones provocan emanaciones de energía altísimas que le dan a las estrellas la luminosidad característica. Todo esto ocurre hasta un momento en que los átomos llegan a alcanzar un equilibrio a partir del cual dejan de contraerse. El Sol se encuentra en estos momentos en este equilibrio, en el que no existe ningún tipo de contracción por parte de sus componentes. 

Ahora bien, durante el período de tiempo que toma el proceso de contracción de los átomos la estrella sigue acumulando más gases y crece en tamaño, este tamaño fue estudiado por Subrahmanyan Chandrasekhar, quien indicó el tamaño máximo que una estrella puede alcanzar antes de llegar a consumir todo su combustible natural. Chandrasekhar descubrió el límite al cual una estrella puede crecer de manera que su masa pueda llegar a ser tal que la estrella llegue al límite de soporte de su gravedad. (Esto puede resultar un poco complicado de explicar así que tómalo con calma). ¿Qué significa lo anterior? que si la estrella es muy grande su gravedad podría provocar que esta "se derrumbe sobre sí misma" (para entenderlo piensa en un huevo cayendo a 400 metros de profundidad bajo el mar, lo que sucedería es que el huevo se rompería por efecto de la presión del agua la cual se ejerce de manera perpendicular sobre la superficie del huevo antes de caer al fondo del mar). 

Bueno, sucede entonces que este señor Chandrasekhar calculó matemáticamente que la masa crítica de una estrella sería igual a 1,5 veces la masa del sol a ésta masa se le denomina el límite de Chandrasekhar, por debajo de éste límite encontramos a las enanas blancas y las estrellas de neutrones mientras que por encima de ese límite... bueno no fue hasta 1939 que se logró explicar que sucedería con una estrella con una masa mayor a la del límite de Chandrasekhar, esa estrella poseería un campo gravitatorio tan fuerte que los rayos de luz emanados de la estrella empiezan a irradiarse hacia la superficie (como un boomerang), poco a poco los rayos de luz se inclinan con mayor fuerza hacia la misma estrella de la cual emanan. A lo lejos un observador contemplará como la estrella pierde luminosidad tornándose roja (un efecto parecido a cuando las baterías de una lámpara se van acabando de a pocos), Cuando la estrella llegue a alcanzar un radio crítico el campo gravitatorio crecerá de manera exponencial llegando finalmente a atrapar a la misma luz dentro de ella. 

En este instante el agujero negro ha sido creado y su presencia sólo puede ser notada por la emisión de rayos X que provoca.
¿Cómo los detectamos?


Bueno, no existen registros de que alguien haya podido detectar un agujero negro con telescopios comunes, lo que se hace normalmente es utilizar medidores de rayos X para detectarlos pues los agujeros negros son grandes emisores de estos rayos debido a la pérdida superficial de materia por parte de un cuerpo que es absorbido por un agujero negro, también son detectados debido al efecto que tienen sobre los cuerpos visibles que se encuentran alrededor de estos agujeros negros.

En la foto arriba mostrada apreciamos como puede ser detectado un agujero negro; Nota el brillo que está distanciado del punto verde (centro de la galaxia M82) en la zona central izquierda de la foto, a 600 años luz. El patrón de variabilidad de emisión de rayos X por parte de la fuente indica que se trata de un agujero negro. 

La foto es la primera evidencia tangible de la presencia de agujeros negros fuera del centro de cualquier galaxia, y se cree que representa una nueva especie de agujero negro formado por el colapso de una "hiperestrella" (estrella masiva) formada por la coalición de varias estrellas. 

Estas fotos fueron captadas por el radioscopio Chandra, el cual tuvo captado el objetivo (galaxia M82) por aproximadamente 30 horas.
¿Qué efectos tiene sobre nuestro planeta la existencia de los agujeros negros?

Calma, el agujero negro más cercano a nuestro planeta está bastante lejos (al menos lo que conocemos), sin embargo los investigadores a nivel mundial llevan un registro constante no solo de la actividad de los agujeros negros ya detectados sino también están a la búsqueda de nuevos agujeros negros y de estrellas moribundas que estén a punto de entrar a la fase de agujero negro. 

Si queda alguna duda no queda sino mencionar que el Sol de nuestro sistema no puede convertirse en un agujero negro debido al factor del límite de Chandrasekhar, el cual requeriría que sus dimensiones fueran de 1,5 veces los actuales. Por cierto, la estrella que nos dá calor tiene 5'000,000 de años de vida. 

Actualmente se presume que en el centro de nuestra galaxia existe un agujero negro, el cual provoca el movimiento y la forma de ella, esto no debe de asustarnos (por el momento) pues con los conocimientos actuales se ha concluido que sus efectos sobre nuestro Sistema Solar y sobre nuestro planeta son prácticamente nulos. Aunque se han encontrado evidencias de la presencia de agujeros negros fuera de los centros de galaxias, esto abre un nuevo campo de estudio pues modifica y amplia los posibles tipos de agujeros negros que pueden existir.
¿Existen los agujeros blancos?

Si se analizan en detalle las ecuaciones de las que se derivan las propiedades relativistas vamos a encontrar siempre que teóricamente existe una solución simétrica para cada una de ellas, es decir, así como tenemos la idea de que para la materia existe la antimateria, o a lo negro se opone lo blanco, de igual manera podemos deducir teóricamente que debe de existir algo que posea características completamente opuestas a la de los agujeros negros. 

Para este caso, sabemos que los agujeros negros son definidos como un horizonte de sucesos dentro del cual todo objeto no importando su estado es atrapado indefectiblemente por una fuerza gravitatoria inmensa (casi infinita), por oposición podemos entender que debe de existir (al menos teóricamente) un agujero blanco con un horizonte de sucesos en donde todo lo que esté dentro de él será violentamente repelido, tal vez con una fuerza inmensa (casi infinita) esto nos lleva a pensar en las ideas (nuevamente las cito) de la materia y la antimateria. Pero lo interesante está en que si bien las matemáticas efectivamente pueden darnos una respuesta simétrica tan controversial, también es cierto que un horizonte de sucesos con esas características es improbable y hasta el momento no ha habido descubrimiento que contradiga su no existencia real. 
¿Y los agujeros de gusano?


Los agujeros de gusano son consecuencia de un agujero negro que se encuentra girando con cargas determinadas, esto provocaría que esté simultáneamente interactuando con un agujero blanco, la combinación de ambos es denominado un agujero de gusano. 

Sin embargo, como hemos visto, los agujeros blancos no existen y si alguien cae en un agujero negro llegará a dirigirse hacia el centro de la singularidad pero no atravesará un agujero de gusano pues este requiere que exista un agujero blanco. Pero teóricamente se piensa que si éste existiera habría una conexión entre la ubicación del agujero negro y como salida se tendría al lugar en donde está ubicado el agujero blanco.
En el centro de un agujero negro...


En el centro de un agujero negro hay lo que los físicos llaman “singularidad”, o un punto donde cantidades extraordinariamente grandes de material se compactan en una cantidad infinitamente pequeña de espacio. 

“Desde un punto de vista teórico, la singularidad es algo que se vuelve infinitamente grande”, dijo la física Sabine Hossenfelder del Instituto Nórdico de Física Teórica. 

Técnicamente, ese “algo” es la curvatura del espacio, o la gravedad extrema que los científicos han observado en la presencia de enormes masas como las de grandes planetas y estrellas. 

Similar a como una lámina de goma estirada se hunde alrededor de una bola de bolos, los objetos masivos pueden causar que el espacio-tiempo se curve alrededor de ellos. Y mientras más masivo sea el objeto, más pronunciada será la curvatura. Teorizado por primera vez por Einstein, no existe un efecto más extremo que el de un agujero negro, cuyo centro representa una curva de curvatura infinita. Como un agujero sin fondo en una lámina de goma, la fuerza se vuelve infinitamente mayor cuanto más se adentre en el interior del agujero. 

Alrededor de la singularidad, las partículas y materiales son comprimidos. Cuando la materia colapsa en un agujero negro, su densidad se vuelve infinita porque debe caber dentro de un punto que, según las ecuaciones, es tan pequeño que no tiene dimensión. 

Algunos científicos han discutido si las ecuaciones teóricas que describen los agujeros negros son correctas, es decir, si realmente existen. 

Nadie puede estar seguro de que su singularidad no describe una realidad física, dijo Hossfelder a Life’s Little Mysteries. Sin embargo, la mayor parte de los físicos diría que la singularidad, teorizada por las ecuaciones, en realidad no existe. Si la singularidad fuese “realmente real”, significaría que “la densidad de la energía fuese infinitamente alta en un punto”, exactamente el centro del agujero negro, dijo. 

No obstante, nadie puede estar seguro, debido a que no existe una teoría cuántica de gravedad completa y los interiores de los agujeros negros son imposibles de observar.











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