Composición de un agujero negro

Cuando escuchas la frase "agujero negro", es casi seguro que evoca una sensación de misterio y asombro, tal vez teñido con un elemento de peligro. Si bien el término "agujero negro" se ha convertido en sinónimo en el lenguaje cotidiano de "un lugar donde algo va, nunca se ve de nuevo, "la mayoría de la gente está familiarizada con su uso en el mundo de la astronomía, si no necesariamente con características precisas y definiciones.

Durante décadas, uno de los estribillos más comunes que resumen los agujeros negros ha estado en la línea de "un lugar donde la gravedad es tan fuerte, ni siquiera la luz puede escapar ". Si bien este es un resumen lo suficientemente preciso para empezar, es natural preguntarse cómo pudo suceder algo así para empezar con.

Abundan otras preguntas. ¿Qué hay dentro de un agujero negro? ¿Existen diferentes tipos de agujeros negros? ¿Y cuál es el tamaño típico de un agujero negro, suponiendo que tal cosa exista y pueda medirse? El lanzamiento del telescopio Hubble revolucionó la forma de estudiar los agujeros negros.

Antes de profundizar en el tema de los agujeros negros, y los malos juegos de palabras, es útil repasar la terminología básica utilizada para definir las propiedades y la geometría de los agujeros negros.

Más notablemente, cada agujero negro tiene en su centro efectivo, unsingularidad, que consiste en materia tan comprimida que es casi una masa puntual. La enorme densidad resultante produce un campo gravitacional tan poderoso que, a cierta distancia, ni siquiera los fotones, que son las "partículas" de luz, pueden liberarse. Esta distancia se conoce comoRadio de Schwarzchild; en un agujero negro no giratorio (y aprenderá sobre el tipo más dinámico en una sección posterior), la esfera invisible con este radio con la singularidad en su centro forma elhorizonte de eventos​.

Por supuesto, nada de esto explica de dónde vienen realmente los agujeros negros. ¿Aparecen espontáneamente y en lugares aleatorios en todo el cosmos? Si es así, ¿hay alguna previsibilidad en su apariencia? Teniendo en cuenta su poder alardeado, sería útil saber si un agujero negro podría estar planeando instalarse en las inmediaciones del sistema solar de la Tierra.

La existencia de agujeros negros se propuso por primera vez en la década de 1700, pero los científicos de la época carecían de los instrumentos necesarios para confirmar nada de lo que habían propuesto. A principios de la década de 1900, el astrónomo alemán Karl Schwarzchild (sí, ese) usó la teoría de Einstein de relatividad para establecer el comportamiento más prominente físicamente de los agujeros negros: su capacidad para "atrapar" la luz.

En teoría, según el trabajo de Schwarzchild, cualquier masa podría servir como base para un agujero negro. El único requisito es que su radio después de ser comprimido no exceda su radio de Schwarzchild.

La existencia de agujeros negros ha presentado a los físicos un enigma, aunque atractivo para intentar resolverlo. Se cree que gracias a la curvatura del espacio-tiempo resultante de la extraordinaria fuerza de la gravedad en la vecindad del agujero negro, las leyes de la física en efecto se rompen; Debido a que el horizonte de sucesos es inaccesible desde el análisis humano, este conflicto no es en realidad un conflicto para los astrofísicos.

Si uno piensa en el tamaño de un agujero negro como la esfera formada por el horizonte de sucesos, la densidad es muy diferente que si el negro En cambio, el agujero se trata solo como la estrella colapsada ridículamente pequeña con masa que forma la singularidad (más sobre esto en un momento).

Los científicos creen que los agujeros negros pueden ser tan pequeños como ciertos átomos, pero poseer tanta masa como una montaña en la Tierra. Por otro lado, algunos pueden ser hasta 15 veces más masivos que el sol y al mismo tiempo ser pequeños (pero no de tamaño atómico). Estasagujeros negros estelaresse encuentran en todas las galaxias, incluida la Vía Láctea, en la que residen la Tierra y el sistema solar.

Aún otros agujeros negros pueden ser mucho, mucho más grandes. Estasagujeros negros supermasivospuede ser más de un millón de veces más masivo que el sol, y se cree que cada galaxia tiene una en su centro. El que está en el centro de la Vía Láctea, apodadoSagitario A, es lo suficientemente grande como para contener unos pocos millones de Tierras, pero este volumen palidece en comparación con la masa del objeto, estimada en 4 millones de soles.

En lugar de formarse y aparecer de manera impredecible, una amenaza ligeramente insinuada anteriormente, se cree que los agujeros negros se forman al mismo tiempo que los objetos más grandes en los que ellos viven." Se cree que algunos pequeños agujeros negros se formaron al mismo tiempo que el propio cosmos entró en existencia, en el momento del Big Bang, casi 14 mil millones de años. atrás.

En consecuencia, los agujeros negros supermasivos dentro de las galaxias individuales se forman en el momento en que esas galaxias se fusionan y se forman a partir de la materia interestelar. Otros agujeros negros se forman como consecuencia de un evento violento llamadosupernova​.

Una supernova es la muerte implosiva o "traumática" de una estrella, a diferencia de una estrella que se quema como una gigantesca brasa celestial. Tales eventos ocurren cuando una estrella ha agotado tanto de su combustible que comienza a colapsar bajo su propia masa. Esta implosión da como resultado una explosión de rebote que arroja gran parte de lo que queda de la estrella, dejando una singularidad en su lugar.

Uno de los problemas antes mencionados para los físicos es que la densidad de la porción del agujero negro considerada como la singularidad no se puede calcular como algo que no sea infinito, ya que no se sabe qué tan pequeña es realmente la masa (por ejemplo, qué poco volumen tiene ocupa). Para calcular de manera significativa la densidad de un agujero negro, se debe utilizar su radio de Schwarzchild.

Un agujero negro de masa terrestre tiene una densidad teórica de aproximadamente 2 × 10²⁷ g / cm³ (como referencia, la densidad del agua es de solo 1 g / cm³). Tal magnitud es prácticamente imposible de poner en el contexto de la vida cotidiana, pero los resultados cósmicos son predeciblemente únicos. Para calcular esto, divide la masa por el volumen después de "corregir" el radio usando las masas relativas del agujero negro y el sol, como se muestra en el siguiente ejemplo.

​Problema de muestra:Un agujero negro tiene una masa de aproximadamente 3,9 millones (3,9 × 10⁶) soles, con masa solar de 1,99 × 10³³ gramos, y se supone que es una esfera con un radio de Schwarzchild de 3 × 10⁵ cm. Cual es su densidad?

Primero, encuentre elradio efectivo de la esfera que forma el horizonte de eventosmultiplicando el radio de Schwarzchild por la relación entre la masa del agujero negro y la del sol, dada como 3,9 millones:

Luego calcule el volumen de la esfera, encontrado a partir de la fórmula V = (4/3) πr³:

Finalmente, divide la masa de la esfera por este volumen para obtener la densidad. Debido a que se le da la masa del sol y el hecho de que la masa del agujero negro es 3.9 millones de veces mayor, puede calcular esta masa como (3.9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ gramo. Por tanto, la densidad es:

Los astrónomos han producido diferentes sistemas de clasificación para los agujeros negros, uno basado solo en la masa y el otro basado en la carga y la rotación. Como se señaló anteriormente, la mayoría (si no todos) los agujeros negros giran alrededor de un eje, como la propia Tierra.

La clasificación de los agujeros negros en función de la masa produce el siguiente sistema:

• ​Agujeros negros primordiales:Estos tienen masas similares a las de la Tierra. Estos son puramente hipotéticos y pueden haberse formado a través de perturbaciones gravitacionales regionales inmediatamente después del Big Bang.
• ​Agujeros negros de masa estelar:Mencionados anteriormente, estos tienen masas entre aproximadamente 4 y 15 masas solares y son el resultado del colapso "tradicional" de una estrella más grande que el promedio al final de su vida útil.
• ​Agujeros negros de masa intermedia:Sin confirmar a partir de 2019, estos agujeros negros, unos pocos miles de veces más masivos que el sol, pueden existir en algunos cúmulos de estrellas, y también más tarde pueden convertirse en agujeros negros supermasivos.
• ​Agujeros negros supermasivos:También mencionado anteriormente, estos cuentan con entre un millón y mil millones de masas solares y se encuentran en los centros de grandes galaxias.

En un esquema alternativo, los agujeros negros se pueden clasificar de acuerdo con su rotación y carga en su lugar:

• ​Agujero negro de Schwarzschild:También conocido comoagujero negro estático, este tipo de agujero negro no gira y no tiene carga eléctrica. Por lo tanto, se caracteriza solo por su masa.
• ​Agujero negro de Kerr:Este es un agujero negro giratorio, pero como un agujero negro de Schwarzschild, no tiene carga eléctrica.
• ​Agujero negro cargado:Estos vienen en dos variedades. Un cargado,no giratorioagujero negro se conoce como unAgujero negro de Reissner-Nordstrom, mientras está cargado,giratorioagujero negro se llamaAgujero negro de Kerr-Newman​.

Habría tenido razón al comenzar a preguntarse cómo los científicos han sacado tantas conclusiones confiables sobre objetos que, por definición, no pueden visualizarse. Gran parte del conocimiento de los agujeros negros se ha inferido por el comportamiento y la apariencia de objetos relativamente cercanos. Cuando un agujero negro y una estrella están lo suficientemente cerca, se produce un tipo especial de radiación electromagnética de alta energía que puede alertar a los astrónomos alerta.

A veces se pueden ver grandes chorros de gas que se proyectan desde los "extremos" de un agujero negro; A veces, este gas puede fusionarse en una forma vagamente circular conocida comodisco de acreción. Se teoriza además que los agujeros negros emiten un tipo de radiación llamada, apropiadamente,radiación del agujero negro(oRadiación de Hawking). Esta radiación puede escapar del agujero negro debido a la formación de pares "materia-antimateria" (p. Ej.,electronesypositrones) justo fuera del horizonte de sucesos, y la subsiguiente emisión de solo los miembros positivos de estos pares como radiación térmica.

Antes del lanzamiento deltelescopio espacial HubbleEn 1990, los astrónomos llevaban mucho tiempo desconcertados por los objetos muy distantes que llamabancuásares, una compresión de "objetos cuasi estelares". Como agujeros negros supermasivos, cuya existencia era Descubiertos más tarde, estos objetos de alta energía que giran rápidamente se encuentran en los centros de grandes galaxias. Los agujeros negros se consideran ahora como las entidades que impulsan el comportamiento de los cuásares, que se encuentran a distancias enormes porque existieron en la relativa infancia del cosmos; su luz acaba de llegar a la Tierra después de unos 13 mil millones de años en tránsito.

Algunos astrofísicos han propuesto que las galaxias que parecen ser de diferentes tipos básicos cuando se ven desde la Tierra pueden de hecho ser del mismo tipo, pero con diferentes lados de ellas hacia la Tierra. A veces, la energía del cuásar es visible y proporciona una especie de efecto de "faro" en términos de cómo la Tierra instrumentos registran la actividad del cuásar, mientras que en otras ocasiones las galaxias parecen más "tranquilas" debido a su orientación.