El Universo (VII): Anatomía de un Agujero Negro

Una vez que conocemos cuáles son y cómo se forman los diferentes tipos de agujeros negros, el siguiente paso es estudiarlos en detalle. Quizá algunos de vosotros hayáis oído hablar de términos como horizonte de sucesos o singularidad gravitacional pero es el momento de ponerlos en contexto. Sin embargo, antes de entrar en materia, es conveniente comentar algunos aspectos más sobre los agujeros negros.

Un agujero negro en condiciones de estabilidad puede ser descrito completamente por tres parámetros independientes: su masa, su carga y su momento angular (una propiedad inherente a los cuerpos que rotan). Adicionalmente, estas tres magnitudes pueden ser determinadas por un observador exterior. Esto quiere decir que cualquier par de agujeros negros que tuvieran la misma masa, carga y momento angular serían cualitativamente indistinguibles. Este hecho nos ayuda en gran medida a caracterizar un agujero negro por su comportamiento externo aunque tiene importantes repercusiones.

Cuando un agujero negro engulle una determinada cantidad de materia, sufre una serie de alteraciones hasta volver a alcanzar otra vez la estabilidad. Una vez alcanzado este estado, debido al hecho de que está caracterizado por solo tres parámetros, el resto de información sobre la materia que acabar de esfumarse se ha perdido. Lo único que podemos saber de ella, y con grandes dificultades, es su masa y su carga, pero no así su composición molecular, estructura, estado físico, etc., lo que lleva a una serie de paradojas y viola alguna que otra regla básica de las teorías modernas.

Siguiente consideración: cualquier objeto tiene la capacidad teórica para convertirse en una agujero negro. Una cantidad de masa determinada lleva asociada a ella un parámetro denominado radio de Schwarzschild (sí, el mismo que encontró la solución a las ecuaciones de Einstein para un agujero negro). Si esa cantidad de masa se comprimiera por debajo de dicho radio, ninguna fuerza sería capaz de impedir su colapso gravitatorio y acabaría por finalmente en uno. Por suerte para nosotros, que esto ocurra es virtualmente imposible en la mayoría de los casos. Por ejemplo, en el caso del Sol tendría que contraer toda su masa hasta formar una esfera de menos de 3km de radio y la Tierra una de 9mm de radio.

De nuevo este hecho no es banal ya que, cuando hablamos de agujeros negros que ni rotan ni tiene carga, el horizonte de sucesos viene dado por una superficie esférica con radio igual al correspondiente radio de Schwarzschild para su masa (en otros casos la geometría es más complicada).  Pero no podemos hablar del horizonte de sucesos sin definirlo primero. El horizonte de sucesos es uno de los dos elementos principales que definen a un agujero negro. Podemos imaginarlo como una barrera en el espacio tiempo que solo puede ser atravesada en una dirección, hacia el interior.

No podemos obtener ninguna información de cualquier evento que tenga lugar más allá del horizonte de sucesos (excepto quizá la masa o la carga de objetos que se hayan precipitado en su interior). Por la misma razón, la luz emitida por una suceso más allá de esta frontera no podrá alcanzar nunca a un observador en el exterior. Como ya habréis adivinado, es el horizonte de sucesos el responsable de que a los agujeros negros se les llame “negros”.

Pongámonos ahora en el pellejo de un desafortunado astronauta que en una de sus expediciones espaciales se viera capturado por la gravedad de un agujero negro. Sus compañeros, tras compadecerse de su alma, prefieren alejar su nave hasta una distancia prudencial y observar el inevitable desenlace. Según la relatividad general, para un mismo observador el tiempo pasa más lento cuanto mayor es la intensidad del campo gravitacional. Por lo tanto, los astronautas resguardados en la nave espacial ven que la “caída” de su compañero se ralentiza según se acerca al horizonte de sucesos hasta el punto que, para ellos, le cuesta un tiempo infinito atravesarlo. Sin embargo esto no evita que el astronauta caiga dentro del agujero negro ya que, desde su punto de observación, él tarda un tiempo finito en atravesarlo (por esto es por lo que hablar de relatividad da dolor de cabeza).

Pasemos a hablar ahora de la singularidad gravitacional o espaciotemporal (o simplemente singularidad a secas para abreviar). Como ya dijimos anteriormente, la teoría de la relatividad general describe las interacciones gravitatorias como una curvatura en el espacio tiempo. Quizá la figura más conocida de un agujero negro sea la de un superficie con forma de embudo con un extremo cortado, que no es más que una representación en 2 dimensiones de como curva el espacio tiempo este cuerpo celeste. La singularidad, que es un región en la que la curvatura del espacio tiempo se hace infinita, es la responsable de este corte en la figura.

Representación 2D de la curvatura en el espacio tiempo provocada por un agujero negro. Las líneas rojas describen algunas de las posibles trayectorias de un fotón.

Normalmente se encuentra en el centro de un agujero negro y, en el caso de que no rote, esta región tiene la forma de un punto mientras que para un agujero negro rotatorio es un anillo, pero teniendo en ambos casos un volumen nulo. Es en la singularidad donde se concentra toda la masa del agujero negro, por lo que podemos pensar que en esta región la densidad es infinita teniendo en cuenta que es igual a la masa entre el volumen (ρ=m/V). Cualquier objeto que halla sobrepasado el horizonte de sucesos se verá conducido irremediablemente hacia esta singularidad sin importar lo que haga.

Rescatemos el ejemplo de nuestro desdichado astronauta. Según se acerca al agujero negro, empezará a experimentar un desagradable proceso: conforme la gravedad es más intensa, la diferencia entre la fuerza que experimenta sobre su cabeza y sobre sus pies es cada vez mayor, lo que tiene un efecto similar al se podría sufrir en un potro de tortura. Este fenómeno se conoce como fuerzas de marea. Finalmente, cuando el astronauta esté en las proximidades de la singularidad, acabará destrozado en un proceso conocido como espaguetización (bastante gráfico, ¿no?).

Las singularidades de los agujeros negros son probablemente el mayor de los enigmas que los envuelven con su oscuro velo ya que, al tratarse de regiones con tamaños ínfimos, se adentran en el terreno de la mecánica cuántica, mientras que por tratarse de masas y densidades extremadamente altas se necesita de la relatividad general para estudiarlas. Sin embargo nos encontramos con que ambas teorías no son compatibles sino que entran en conflicto. Este es uno de los problemas que pretenden resolver un gran grupo de teóricos, tratando de aunar ambas teorías en un intento por, entre otras cosas, dar una descripción matemática y física a los procesos que tienen lugar en la singularidad.

En el siguiente capítulo terminaremos con esta extensa descripción de los agujeros negros, y dedicaremos unas líneas a sus primos-hermanos: los agujeros blancos y los agujeros de gusano.

PD: Si la comprensión se hace difícil decídmelo, porque aunque yo dispongo de la información de diversas fuentes, al exponerlo todo junto de la mejor manera posible puede complicarse.

PD2: Esta serie dedicada al Universo esta llegando a su fin, así que si tenéis curiosidad acerca de algún otro cuerpo celeste hacédmelo saber.

PD3: Siento la tardanza.

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~ por Kleiser en 11 mayo, 2010.

8 comentarios to “El Universo (VII): Anatomía de un Agujero Negro”

  1. Hola. No he podido leer todos los articulos porque estoy de examenes y solo por curiosidad te dejo un link de un nuevo descubrimiento que han hecho y no se a que se refieren, me imagino que a un agujero negro: http://www.fayerwayer.com/2010/05/telescopio-espacial-herschel-descubre-un-agujero-en-el-espacio/#more-69391
    Saludos.

    • Según lo que he leido no. Se refieren a que, en el proceso de formacion de una estrella en el que se han despedido chorros de materia (nose los detalles acerca de esto), uno de estos chorros a hecho un “agujero” en una nube de polvo. En mi opinion se refieren a que en una supernova, que como ya dije en el articulo que les dedique son zonas donde se crean estrellas, una de estas estrellas ha sido la que ha hecho el hueco. Pero como dicen en el artículo, ni siquiera ellos saben exactamente la causa, y tampoco se exactamente la repercusion que puede tener este descubrimiento. Siento no poder aportar más informacion.

  2. Hola. Antes que nada quería decirte que acabo de descubrir este blog y me parece fabuloso.

    Relativo a los agujeros negros, ¿sería posible explicar en un artículo en qué consiste más o menos la Radiación de Hawking?

    • Hecho, le dedicare un parrafillo en el proximo articulo. Creia que era un concepto bastante mas complicado pero, sin entrar en detalles ni desarrollos matematicos, se podria considerar que es casi “intuitivo”.

  3. Por cierto, tambien he leido que en las liberaciones de gas eyectados de los agujeros negros y que consiguen escapar del horizonte de sucesos, salen despedidos a velocidades superiores a las de la luz. si esto ocurre ¿ no se distorsionaria la realidad espacio-tiempo y por tanto lo que conocemos actualmente podria cambiar o ser distinto?
    y otra cosa. la teoria de los agujeros de gusano presupone o bien que dos agujeros se originan en el mismo sitio o bien que el universo es curvo y el propio agujero llegaria al otro extremo del universo como una hoja de papel???

    • Respecto a la primera pregunta, supongo que te estas refiriendo a los quasares. En primer lugar una matizacion: NADA puede escapar una vez cruzado el horizonte de sucesos, por lo tanto los chorros de gas son eyectados desde el exterior de éste. Hablare un poquillo de los quasares tambien, nose si en el proximo articulo o en otro aparte.

      En segundo lugar, los chorros no salen despedidos a más velocidad que la de la luz, pero si lo hacen a velocidades muy cercanas a ella (de más del 90%). Sin embargo, al ser captados desde la tierra PARECE, por la luz que detectamos, que se mueven a velocidades mayores que las de la luz, lo que se llaman movimientos superluminales. Esto ocurre cuando, por ejemplo, el chorro que despide el quasar forma un ángulo muy pequeño con nuestra direccion de observacion. Sin embargo, la luz que nos llega del chorro parece venir directamente hacia nosotros y moverse a mayor velocidad de la luz, pero no es más que una ilusión óptica. Es dificil de entender sin hacer el problema con formulas, pero en ningun caso supone una violacion de la teoria de la relatividad.

      La segunda pregunta te la respondere en el siguiente articulo con un poco de detalle 🙂

  4. Un artículo genial Kleiser, espero la próxima parte. Aunque, cuando comentas cómo se ralentiza la caída del astronauta al agujero negro, me surge la duda: ¿para los compañeros de la nave, el astronauta poco afortunado se acabará quedando como una foto? Es decir, al ir cada vez más lento (para los otros astronautas claro) llegará un momento en el que se debería quedar como un retrato no? Creo que no es así, pero no tengo seguridad sobre ese aspecto.

    Por cierto, respecto a la PD2, donde preguntas por nuevas recomendaciones, sería interesante que hicieras un artículo sobre los planetas enanos y sus diferencias con los “normales” (tanto tiempo aprendiéndose de pequeño la lista de planetas del Sistema Solar y ahora resulta que Plutón no es un planeta como tal…).

    • Tienes razon creo que me he centrado solo en las cosas extraodinarias y no me he centrado en cosas más comunes. Siempre puedo hacer mini reportajes sobre los planetas del Sistema Solar :D. Lo de Pluton es mera cuestion de convenio. Hace unos años se volvio a redefinir el limite de masa entre lo que se puede considerar planeta y otros cuerpos celestes, y Pluton quedo fuera, nada más. Aunque es un planetilla que guarda algun que otro secreto.

      Lo del astronauta no lo tengo realmente claro, pero según lo que he leido sobre relatividad general (porque no he llegado a tratarla en detalle en la universidad debido a su complejidad) me atrevo a responderte que no, que finalmente acabara cayendo al agujero negro. Sin embargo en mas de un sitio ponia que tardaria un tiempo infinito. Nose si con eso se refiere a infinito en el sentido estricto de la palabra o infinito para nosotros, osea un tiempo muy grande. En teoria para que el tiempo se parar por completo la gravedad tendria que ser infinita, algo que solo pasaria en la singularidad, pero en ese punto no podriamos obtener informacion desde fuera 😦

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