Artículos ¿Por qué nada puede salir de un agujero negro?

Desde el momento que sabemos que en el universo existen agujeros negros y que uno de ellos está en el centro de la Vía Láctea, estos objetos ejercen una fascinación increíble, sobre todo en nuestra imaginación ¿Cómo se forman los agujeros negros supermasivos en el centro de las grandes galaxias?, ¿Por qué algunos agujeros negros forman sistemas binarios?, ¿Qué le sucede a la materia y a la luz dentro de un hoyo negro?, ¿Cómo “muere” un agujero negro?, son algunas de las preguntas que surgen en la mente de cualquier persona curiosa.

Un agujero negro es básicamente un objeto colapsado, con una enorme masa concentrada en un pequeño lugar, cuya fuerza de gravedad es tan grande que atrae materia y energía y ningún objeto, ni siquiera la luz, puede escapar de él. Los agujeros negros fueron predichos por Albert Einstein en su Teoría de la Relatividad General y se sabe que pueden surgir de la muerte de una estrella con más de tres veces la masa de nuestro Sol. Para tratar de desentrañar estos enigmáticos objetos, conversamos con el Doctor en Astronomía Ezequiel Treister y con parte de su equipo compuesto por las estudiantes de postgrado Carla Fuentes, Alejandra Melo, Mónica Taormina y Valeria Olivares, todos del Departamento de Astronomía de la Universidad de Concepción.

Noviembre 2014

Un agujero negro no se puede observar directamente, sólo vemos los componentes constituyentes de éstos y/o los efectos gravitacionales que producen sobre las estrellas y la materia a su alrededor. Los agujeros negros están compuestos por el disco de acreción (agregación de materia a un cuerpo), corona y jets, y para ver el efecto que producen en otros objetos o materia necesitamos telescopios que observen en longitudes de onda de rayos-x, infrarrojo y radio. Estos telescopios son distintos de los que conocemos: los de rayos-x se encuentran orbitando la Tierra como satélites, mientras que los telescopios de radio, o radiotelescopios, son antenas que apuntan a un cierto objetivo.

La materia no cae en línea recta hacia el agujero, sino que lo hace siguiendo una trayectoria espiral alrededor de él, formando el disco de acreción. En la parte más interna de este disco, la materia se calienta mucho y puede “inflarse” formando una nube de gas llamada corona. Además puede que una fracción de la materia en el disco y la corona no caiga en el agujero negro y sea expulsada como dos chorros de partículas, estos son los jets. El disco de acreción y la corona emiten rayos X y los jets son chorros de partículas, por eso es posible detectarlos y saber que son parte de un agujero negro.

Por la gravedad, la que está relacionada con la masa. Mientras más masivo un objeto, más gravedad tiene. Ésta es la fuerza que hace que estemos parados sobre el planeta y no salgamos volando, es la que mantiene a la luna girando alrededor de la Tierra y a los planetas en sus órbitas alrededor del Sol.

La “velocidad de escape” es aquella que se necesita para vencer la fuerza gravitacional de un cuerpo, por ejemplo los cohetes espaciales necesitan alcanzar 11,2 km/segundo para salir de la órbita de la Tierra. En el caso de los agujeros negros, ni siquiera la luz, que viaja a más de 300.000 km/segundo, la mayor velocidad posible, puede escapar.

Cuando el Sol muera, su masa se contraerá a unos pocos kilómetros, dando origen a una “enana blanca”, que es lo que les sucede a las estrellas con una masa de hasta 1.44 veces la del Sol. Las estrellas de hasta 3 masas solares normalmente explotan, en el fenómeno que se conoce como “Supernova”, y luego se contraen para convertirse en una “estrella de neutrones”.

Las estrellas masivas de más de 3 masas solares, dependiendo de otros factores como su masa inicial, rotación o su composición química, siguen contrayéndose, hasta que las partículas de sus átomos están estrechamente apretadas entre sí, esto provoca que su masa esté contenida en unos pocos kilómetros, las partículas ya no pueden salir y aumenta su gravedad, por lo que atrae cualquier objeto que pase cerca, transformándose en un agujero negro de masa estelar.

Los agujeros negros supermasivos tienen una masa de millones a miles de millones de veces la del Sol. El que está en el centro de la Vía Láctea mide aproximadamente 4 millones de masas solares. Esto nos puede dar una idea de las dimensiones espaciales, además de hacernos sentir diminutos. También debemos saber que nuestro Sistema Solar está a unos 25.000 años luz del centro de la galaxia, y que un año luz equivale a 9.460.800.000.000 km, que leído sería 9 billones 460 mil 800 millones de kilómetros, esto es lo que recorre la luz en un año. Las distancias son tan enormes que no es posible pensar que un agujero negro “devorará” la galaxia, muchos de ellos no tienen objetos cercanos que puedan acretar o atraer, por lo tanto permanecen en reposo.

El cómo se forman estos agujeros negros supermasivos continúa siendo un tema de estudio actual en astrofísica. Una posibilidad es que lo hacen a partir de la muerte de una estrella muy masiva creada poco tiempo después del Big Bang. Estas estrellas tienen vidas muy cortas y al morir habrían dejado como remanente un agujero negro. Otra hipótesis es que los primeros agujeros negros supermasivos se crean a partir del colapso de una nube de gas, que no alcanza a formar estrellas y forma directamente un agujero negro. Todavía no se sabe si es alguno de estos mecanismos, o algún otro, el que formó estos primeros y enormes agujeros negros en el Universo.

¿Qué le sucede a la materia y a la luz cuando caen a un agujero negro? Una de las teorías que predice la existencia de agujeros negros es la Teoría General de la Relatividad desarrollada por Albert Einstein, que nos explica que cuando la materia y la luz atraviesan el “horizonte de eventos” no pueden escapar. El horizonte de eventos se define como una frontera tal que los sucesos a un lado de ella no pueden afectar a un observador que se encuentra al otro lado, por ejemplo, la luz emitida desde dentro del horizonte de eventos, jamás podrá ser observada por nosotros que estamos al otro lado de este límite.

Algunos agujeros negros parecen constituir sistemas binarios, ¿Esto significa que terminarán devorándose uno al otro? La teoría nos dice que cuando hay dos agujeros negros interactuando, es decir, uno se mueve alrededor del otro, luego de un tiempo terminarán uniéndose para formar uno más grande. Sin embargo eso no está claro, pues también hay otras teorías que dicen que los agujeros negros terminan girando uno alrededor del otro pero jamás uniéndose. Por ahora no sabemos cuál de estas teorías es correcta, pero en el futuro la detección de ondas gravitacionales nos permitirá saber la repuesta.

En principio un agujero negro nunca muere. Una vez formado nunca se destruye. Sin embargo, una teoría atribuida a Stephen Hawking, dice que en un mecanismo explicado por la mecánica cuántica, los agujeros negros pueden ir perdiendo una cantidad de materia muy pequeña, a través del fenómeno conocido como radiación de Hawking. Si bien en un agujero negro supermasivo la cantidad de materia perdida por esta razón es casi imperceptible, en un Universo infinito todos los agujeros negros terminarían desintegrándose debido a la radiación de Hawking, en cuyo caso la materia es devuelta al Universo en forma de radiación.

Hace unos meses dos investigadores pusieron en duda la existencia de los agujeros negros tal como los conocemos. Uno de ellos es Stephen Hawking, el destacado científico famoso por su teoría que dice que los agujeros negros no son completamente negros, debido a que emiten radiación, la llamada “radiación de Hawking”. El físico ahora sugiere que los agujeros negros no tienen un “horizonte de eventos” que retenga la materia y la luz y no la deje salir, sino que es un “horizonte aparente”, en el que la materia, luz e información queda atrapada temporalmente y puede volver a salir en forma de radiación, donde la información emerge de manera caótica, es decir, no se podría reconstruir un objeto que ha caído en un agujero negro.

Además, la investigadora estadounidense Laura Mersini-Houghton, de la Universidad de Carolina del Norte-Chapel Hill, publicó un estudio según el cual los agujeros negros matemáticamente no existen. Pero nuestros expertos que nos dicen que matemáticamente los agujeros negros sí existen ya que corresponden a las soluciones de las ecuaciones de campo de Einstein, donde se describen por un horizonte de eventos y una singularidad, las cuales observacionalmente aún no se han detectado. Además, observaciones modernas claramente indican que los agujeros negros sí existen, pues vemos sus efectos y detectamos fenómenos físicos en el Universo que hasta donde sabemos sólo se pueden explicar por la presencia de un agujero negro.

Los agujeros negros son unas de las soluciones de las ecuaciones de campo de Einstein en la Teoría General de la Relatividad. Existen dos soluciones para estas ecuaciones: Agujeros Negros de Schwarzschild y Agujeros Negros de Kerr. Éste último es un agujero negro en rotación. Este modelo explica los agujeros negros de masa estelar producidos por el colapso de estrellas supermasivas.

Hay quienes creen que lograr entender los agujeros negros sería el posible camino para aunar las teorías de la Relatividad General y de la Mecánica Cuántica, es decir lograr explicar cómo funciona el Universo a nivel macro, estrellas, planetas, galaxias, y a nivel micro, moléculas, átomos, partículas subatómicas. Pero en realidad es al revés, sólo si tenemos una teoría que una la Relatividad General con la Mecánica Cuántica podremos entender que es lo que pasa en el centro exacto de un agujero negro, en la región conocida como la singularidad.

Fuentes :

Centro de Estudios Científicos

Astronomical Society of the Pacific

European Space Agency

http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/askkids/blackholes.shtml 

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