Agujeros Negros

Royal Greenwich Observatory

Cuaderno de Información No. 9: 'Agujeros Negros'.
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Agujeros Negros:

Los agujeros negros son objetos peculiares con muchas extrañas propiedades, pero la mayoría de los libros y artículos han enfatizado sus aspectos exóticos, y opacado su naturaleza fundamentalmente simple. La descripción dada más abajo fue hecha primero por el matemático Francés Pierre Laplace en 1796, de modo que ni siquiera son un invento moderno!
Antes de discutir los agujeros negros mismos, deberíamos primero considerar brevemente la gravedad.

Qué es Gravedad?

Los físicos reconocen que el total del mundo físico puede ser descrito en términos de cuatro fuerzas básicas. Dos de ellas están relacionadas con la estructura interna de los átomos, y una tercera, la fuerza electromagnética, domina la interacción de los átomos unos con otros. La cuarta, y con mucho la más débil de estas fuerzas, es la gravedad. Por lo tanto sólo es significativa cuando enormes números de átomos están juntos en objetos del tamaño de la Tierra, o mayores. La gravedad es la fuerza dominante en las vidas y muertes de estrellas y galaxias.

Cualquier átomo, o colección de átomos, tiene una propiedad llamada masa, que mide cuánto material hay en el objeto. En la superficie de la Tierra, su gravedad jala hacia abajo todas las masas, produciendo la sensación de peso. En la superficie de la Luna este esfuerzo, o peso, es de sólo un sexto del que habría en la Tierra, de modo que el peso depende de dónde se está, mientras que la masa es una propiedad intrínseca de todos los objetos.

En el siglo 17, Isaac Newton describió la gravedad diciendo que cada masa atrae a toda otra masa en el Universo con una fuerza que depende de cuánto material está presente y de qué tan lejos está. En 1915 Albert Einstein cambió dramáticamente nuestra idea de lo que es la gravedad, pero la descripción de Newton es adecuada para este artículo.

Así que, la gravedad es una fuerza de atracción universal que causa que los objetos 'caigan', en el sentido más amplio, y que trata de juntar los objetos como estrellas y galaxias. Es probable que tenga éxito, a menos que se le oponga alguna otra fuerza.

Qué es un Agujero Negro?

Si se lanza hacia arriba una bola de hierro, desde la superficie de la tierra, alcanza cierta altura, y luego cae de regreso. Al lanzarla con más fuerza, alcanza mayor altura. Laplace calculó la altura que alcanzaría para una velocidad inicial dada. Encontró que la altura aumentaba más rápidamente que la velocidad, de modo que la altura se hacía muy grande para una velocidad no demasiado grande. A una velocidad de 40.000 Km/h (sólo unas 20 veces más veloz que el Concorde) la altura se hace realmente muy grande - tiende a ser infinita, como dirían los matemáticos. Esta velocidad es llamada la 'velocidad de escape' desde la superficie de la Tierra, y es la velocidad que debe alcanzarse si una nave espacial ha de llegar a la Luna o a cualquiera de los planetas. Siendo un matemático, Laplace resolvió el problema para todos los cuerpos esféricos, no sólo para la Tierra.

Él encontró una fórmula muy simple, que nos dice que la velocidad de escape, V, está dada por, V=(2GM/R)^1/2, donde G es una constante que define qué tan fuerte es la gravedad, M es la masa, o cantidad de material en el cuerpo, y R es su radio. Esta fórmula dice que objetos pequeños pero masivos (o sea, R pequeña y M grande), tienen velocidades de escape grandes.
Esta sorprendentemente simple fórmula produce exactamente la misma respuesta que la obtenida usando la teoría de la relatividad.

La luz viaja a algo más de 1.000 millones de Km/h, y en 1905 Albert Einstein demostró que nada puede viajar más rápido que la luz. La fórmula de arriba puede ser despejada para mostrar qué radio debe tener un objeto para que la velocidad de escape desde su superficie sea la velocidad de la luz. La respuesta es, R=(2G/c²)M, donde c es la velocidad de la luz.
Este radio en particular, R, es llamado el 'radio de Schwarzschild', en honor del astrónomo Alemán que primero lo derivó a partir de la teoría de la relatividad de Einstein. La fórmula nos dice que el radio de Schwarzschild para la Tierra es de menos de un centímetro, comparado con su radio de 6.357 Km.
Los valores para algunos otros objetos astronómicos se dan en la tabla de abajo.

Podría parecer sorprendente que la luz pueda concebirse como comportándose como un cohete o una bola de billar!
Fue Einstein quien demostró que la luz puede ser considerada como una colección de partículas, llamadas fotones, que tienen masa, o más correctamente, energía, por virtud de la famosa fórmula E=Mc², que relaciona la energía E con la masa M.
Los fotones siempre viajan a la misma velocidad, la velocidad de la luz, pero cuando se alejan de un objeto con gravedad pierden energía, y para un observador externo, parecen ser más rojos. Es este 'corrimiento hacia el rojo' lo que implica que los fotones que parten de un agujero negro ultimadamente pierden toda su energía y se hacen completamente invisibles.

Si ni siquiera la energía de la luz viaja lo suficientemente rápido como para escapar (y nada puede viajar más rápido), entonces ninguna señal de ningún tipo puede escapar, y el objeto sería 'negro'. La única indicación de la presencia de tal objeto es su atracción gravitacional. Lejos de su superficie es como si un objeto ordinario de la misma masa estuviera allí.
La presencia de su gravedad significa que otros objetos pueden caer en él, de allí el nombre de 'agujero'.

Y así, un agujero negro es un objeto tan compacto que la velocidad de escape desde su superficie es mayor que la velocidad de la luz.

La velocidad de la luz es de 299.800 Km/seg.
11 Km/seg es equivalente a 40.000 Km/hr.
147.000.000 Km es casi igual al radio de la órbita de la Tierra alrededor del Sol.

Dónde Podremos Encontrar Agujeros Negros?

Es imposible observar directamente un agujero negro, de modo que cualquier candidato a ser un agujero negro tiene que ser identificado por su efecto sobre la materia que lo rodea.
Si ninguna otra explicación es válida para los fenómenos observados, entonces es probable que esté presente un agujero negro.

Hay algunos objetos que son buenos candidatos para la presencia de un agujero negro.

1. Toda estrella brilla y sobrevive debido a la fuerza de la gravedad, que está tratando de comprimirla, y justo balancea la presión generada por el horno nuclear en su centro, que está tratando de expandirla. Una vez que el horno se queda sin combustible, lo que debe ocurrir eventualmente, la presión decrece, pierde su batalla contra la gravedad, y la estrella colapsa.
   Los astrónomos piensan que una de sólo tres cosas puede ocurrir a una estrella en esta situación, dependiendo de su masa. Una estrella menos masiva que el Sol colapsa hasta formar una 'enana blanca', con un radio de sólo unos pocos miles de Kilómetros. Si la estrella tiene entre una y cuatro veces la masa del Sol, puede producir una 'estrella de neutrones', con un radio de sólo unos pocos Kilómetros, y tal estrella podría ser reconocida como una 'pulsar'. Las relativamente pocas estrellas con masas mayores que cuatro veces la masa del Sol, no pueden evitar colapsar más allá de sus radios de Schwarzschild, y convertirse en agujeros negros.
   Y así, los agujeros negros podrían ser los cadáveres de estrellas masivas.

2. La mayoría de los astrónomos piensa que las galaxias como la Vía Láctea fueron formadas a partir de una gran nube de gas que colapsó y se dividió en estrellas individuales. Ahora vemos a las estrellas concentradas más fuertemente en sus centros, o núcleos. Es posible que justo en el centro hubiese demasiada materia para formar una estrella ordinaria, o que las estrellas que se formaron estaban tan cerca unas de otras que coalescieron para formar un agujero negro.
   Por eso se argumenta que agujeros negros verdaderamente masivos, equivalentes a cien millones de estrellas como el Sol, podrían existir en los centros de algunas galaxias.

Cómo Podremos Ver Un Agujero Negro?

Debido a que los agujeros negros son pequeños, y a que ninguna señal escapa de ellos, podría parecer una tarea imposible el encontrarlos. Sin embargo, la fuerza de la gravedad permanece, de modo que si detectamos gravedad donde no hay una fuente visible de luz, entonces un agujero negro podría ser el responsable. Este tipo de argumento, por sí sólo, no es muy convincente, de modo que debemos buscar otras pistas.
Si hay otro material alrededor de un agujero negro, que pudiera caer en él, entonces lo hará. Hay entonces un buen chance de que mientras cae produzca alguna señal detectable, no desde el agujero negro mismo, sino desde justo afuera de él.

La mayoría de las estrellas no son individuales, como el Sol, sino que se las encuentra en parejas, pequeños grupos, o en grandes cúmulos. Si en una pareja, las estrellas tienen masas diferentes, entonces la más masiva quemará su combustible más rápidamente, y podría convertirse en un agujero negro, mientras que la otra permanece como una estrella normal, consumiendo su combustible más lentamente. El gas puede entonces ser absorbido desde la estrella hacia el agujero negro. El gas se hace muy caliente, con una temperatura de millones de grados, y brillará, no con luz visible, sino con rayos-X. Estos rayos-X tendrán un efecto observable en la producción de luz de la estrella ordinaria. Puesto que la estrella y el agujero negro giran uno alrededor del otro en pocos días, podríamos esperar ver variaciones regulares en el brillo y en la producción de rayos-X.

Hay algunas fuentes de rayos-X que tienen todas las propiedades descritas arriba. Desafortunadamente, es imposible distinguir entre un agujero negro y una estrella de neutrones, a menos que podamos comprobar que la masa del objeto invisible es demasiado grande como para que sea una estrella de neutrones.
Los astrónomos del RGO encontraron importante evidencia de que una de estas fuentes, llamada Cyg X-1 (lo que significa que es la primera fuente de rayos-X descubierta en la constelación de Cygnus), realmente contiene un agujero negro.
Las cosas son muy diferentes si hay un masivo agujero negro en el centro de una galaxia. Es posible allí, que una estrella sea tragada por el agujero negro. La atracción de la gravedad sobre tal estrella será tan fuerte como para desintegrarla en sus átomos componentes, y para lanzarlos a altas velocidades en todas direcciones. Algunos de los fragmentos caerán en el agujero, incrementando su masa, mientras que otros producirán un estallido de ondas de radio, luz, y rayos-X.

Este es justo el comportamiento observado en las galaxias del tipo llamado 'Quasares', y podría muy bien estar ocurriendo en una forma más moderada en el centro de nuestra propia Vía Láctea.

Los astrónomos del RGO fueron parte del equipo que encontró que la galaxia NGC 4151 contiene cerca de 1.000 millones de veces la masa del Sol, concentrada en una región nuclear cuyo diámetro no es mayor que 4.000 veces la distancia entre la Tierra y el Sol. La explicación más plausible actualmente, es que la mayor parte de esta masa está en un agujero negro en su centro.

Vea también; 'Qué es una Estrella' y 'Pulsares'.

Producido por el Departamento de Servicios de Información del Royal Greenwich Observatory.

PJA Miércoles Abril 17 09:57:41 GMT 1996

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Actualizada: Septiembre 22 '97, Junio 26 '14

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