fidelleandro Jefe moderador (a)
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| Tema: Los agujeros negros Lun Mayo 17, 2010 5:08 pm | |
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Cuando en la primera década del siglo XX (1905 para ser más exactos) Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad muy pocos pudieron visualizar el gran impacto que ésta teoría podría tener en la física y en el entendimiento de los fenómenos estelares. Con la observación de un eclipse solar en 1919 se corroboró que su teoría tenía grandes bases para poder entender mejor al universo. Si bien Einstein no recibió por éste trabajo el premio Nóbel de física al menos brindó a los astrónomos la posibilidad de poder entender los descubrimientos que se realizarían en las décadas posteriores. Uno de éstos descubrimientos fue la existencia de los agujeros negros.
Los agujeros negros, vistos desde la perspectiva que nos brinda la teoría de la relatividad y de las teorías que de ella se derivaron nos muestran una inquietante visión de un universo que día a día nos sorprende más, con estrellas evolucionando, planetas que podrían albergar vida y un misterioso comportamiento en el interior de los agujeros negros en donde las cosas no pueden ser explicadas con los conocimientos que poseemos, pues allí dentro, ni la física ni las matemáticas que conocemos (o que estamos conociendo) se cumplen.
El sólo hecho de saber que las cosas tal como las conocemos no funcionan siguiendo nuestra lógica convierte de por sí a los agujeros negros en un fenómeno más que interesante. ¿Te puedes imaginar poder tener un movimiento cuya distancia no puede ser medida? ¿O tal vez imaginar un disco compacto con cinco caras y que pueda ser a la vez bidimensional?. Cosas tan extrañas como las que han sido mencionadas son las que provocan el interés en los agujeros negros.
¿Qué pasará con los agujeros negros en el universo?, ¿cómo se comportan y qué tamaño tienen?, ¿un agujero negro acabará con la existencia del universo tal como lo conocemos? éstas preguntas frecuentes e inquietantes intentarán ser resueltas en los vínculos siguientes y tratarán de mostrarte de manera simple lo que hasta ahora conocemos acerca de los agujeros negros.
Definición:
Considerando lo complicado que podría resultar el intentar explicar la naturaleza de los agujeros negros utilizando las matemáticas (puesto que habría que entender la teoría general de la relatividad de Albert Einstein) pasaremos a dar una explicación mucho más sencilla de este fenómeno considerando a la gravedad con un comportamiento clásico (el efecto de la manzana de Newton).
Siempre que el profesor de física nos aburría en su clase, a alguno que otro osado no se le ocurría mejor cosa en que entretenerse que el tirarle trozos de tiza a sus compañeros o si era demasiado intrépido lo dirigía hacia adelante. Bueno, si bien esto último sólo se dio una vez en toda mi vida de escolar y universitario, era típico ver que en ocasiones la tiza llegaba a su destino alcanzando en ocasiones mayor o menor altura. Ahora bien, asumamos que el chiste hubiera consistido en ver quien lanzaba la tiza más alto, lo que esperaríamos es que quien la lance con menor fuerza no sólo perdería sino que en su intento la tiza sólo se elevaría unos cuantos centímetros y rápidamente perdería velocidad hacia arriba y empezaría a caer, lo primero que se nos vendría a la mente es que empezaría a caer con una aceleración igual a la de la gravedad (que en nuestro planeta es de 9,81 m./s2). Hasta aquí no hay nada de otro mundo, todo sigue las reglas físicas que nos han enseñado (o que nos quisieron enseñar). Aja, pero aquí surge la posibilidad de que alguien pueda lanzarla muy fuerte, tan fuerte que no llegaría a caer (si, no te asustes, ahora te lo explico), si alguien lograra lanzarla tan fuerte que lograra escapar al campo de acción de la fuerza gravitatoria entonces la tiza nunca caería hacia la tierra, este es el principio de los lanzamientos de transbordadores espaciales, la velocidad que requieres para lograr esto se denomina "velocidad de escape" y lógicamente necesitarías mucha ayuda para alcanzarla con sólo tu brazo.
Ahora bien, esta velocidad de escape dependerá fuertemente de la masa del planeta y de su densidad (no me preguntes por qué, asúmelo nomás), de manera que, si la masa posee una alta densidad (es decir posee mayor cantidad de kilogramos por centímetro cúbico) entonces la gravedad será mayor, un planeta con menor densidad tendrá entonces una menor fuerza gravitatoria. Ahora, volviendo a la velocidad de escape, ésta variará dependiendo de cuan lejos te encuentres del centro del cuerpo o planeta (por ejemplo no es lo mismo lanzar la tiza en Viña del Mar, Chile al nivel del mar que hacerlo en Cerro de Pasco, Perú a 4400 metros sobre el nivel del mar, como supondrás en Cerro de Pasco será más fácil porque estarás más lejos del centro de la tierra y la velocidad de escape será un poco menor). Otra cuestión adicional, para que te des una idea de las diferencias entre velocidades de escape en la tierra es de 11,2 Km./s mientras que en la luna (menos denso) es de 2,4 Km./s (¡una relación de casi 5 a 1!) por ello cuando vemos alguna películas o documentales vemos que las misiones a la Luna llevaban pesadísimos uniformes que compensaban esta baja velocidad, de lo contrario con un salto fuerte hubieran salido despedidos de la luna rumbo al infinito (y mas allá...sic!).
Pues entonces vamos a imaginar ahora que existe un cuerpo (y de hecho existe), que posee un radio diminuto pero con una gran concentración de masa (por ejemplo, imagínate inicialmente un botón de tu camisa o tu polo y haz de cuenta que pesa tanto como un camión de carga, digamos 6 toneladas, definitivamente no lo podrías cargar, es más no podrías ni andar ni siquiera ponerte la camisa), pues bien, si esa te parece una idea extremista imagínate un cuerpo en el espacio, con un radio diminuto y a este cuerpo otórgale una concentración de masa tan grande que la velocidad de escape que de ella se origine sea igual o mayor a la velocidad de la luz. ¿Crees que algún rayo de luz escapará a esta velocidad de escape, es decir algún objeto podrá romper la gravedad de este cuerpo?... IMPOSIBLE, porque la velocidad de escape necesaria es la mayor conocida hasta la actualidad: la de la luz, nada puede viajar más rápido, entonces, este cuerpo que haz imaginado pasa a no poder emitir ni reflejar luz, ¿qué ocurre entonces? desaparece de la vista humana, pero al poseer una enorme gravedad empieza a atraer hacia si a los cuerpos que estén en sus proximidades. Bueno, si hasta aquí entendiste entonces, no necesito decirte que ese cuerpo se ha convertido en un 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).
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:
Formación de estrellas - El límite de Chandrasekhar
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.
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.
Detectando un Agujero Negro
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.
Chandra X-ray Observatory HRC images above.
Escala: 30 arcseg.
Relatividad y agujeros negros
Hasta el momento, (si es que has seguido el orden del menú de la izquierda), hemos podido ver a grosso modo qué es un agujero negro, hemos revisado un poco de la historia de cómo fue que se encontró un término apropiado a este fenómeno, hemos visto como se forman (recuerda siempre a Chandrasekhar), hemos visto inclusive con un caso práctico como es que son detectados, y hemos entrado a la polémica de cómo es que pueden ser medidos. Pues bien, a partir de aquí las cosas van a tratar de ser un poco más profundas, dado que no podemos decir que conocemos de agujeros negros si es que no hemos entendido a cabalidad su relación con la teoría de la relatividad general (olvídate de Newton si quieres entenderlo). Así que abróchate los cinturones y sigue leyendo.
Hemos visto que un agujero negro es un fenómeno cuya característica más saltante es la gravedad casi infinita que posee, sabemos que es tan grande que ni siquiera la luz puede escapar, pero la idea se rompe si es que queremos entenderlo con la física básica que nos brindaron en el colegio. La teoría general de la relatividad describe a la gravedad como una manifestación de la curvatura del espacio - tiempo. Cuanto más masivo sea un objeto mayor será su influencia sobre el espacio y el tiempo, si hablamos de casos límites un objeto masivo distorsionará al espacio - tiempo de tal manera que las reglas geométricas que conocemos dejarían de aplicarse.
El entendimiento de qué pueda ocurrir en un agujero negro (hablamos claro de lo que pasaría al pasar el horizonte de sucesos) es pura especulación puesto que al no cumplirse ninguna ley física no podemos ni siquiera predecir que ambiente existirá. Es como querer saber cómo era todo antes del Big Bang, es decir, ¡sólo Dios lo sabe!. Supuestamente la teoría de la relatividad especial puede predecir que ocurre hasta llegar a ese horizonte de sucesos, sencillamente todo movimiento deja de existir (incluido el paso del tiempo) pero la veracidad de dicha teoría se puso en mayo del 2000 en tela de juicio pues un grupo de científicos realizaron un experimento en un túnel cuántico en donde demostraron que los fotones pueden viajar más rápido que la luz. Esto revoluciona todo lo hasta ahora conocido.... significa que nuestro entendimiento sobre el comportamiento físico cerca al horizonte de sucesos puede no ser como lo predice la teoría de Einstein.
La teoría de la relatividad habla acerca de que la gravedad afecta al tiempo pues afecta a la velocidad de la luz... bueno, mucho de lo que se ha hablado parte de esa premisa, no se trata de algo tan sencillo de aceptar considerando que en la actualidad existen dos teorías dominantes en la física: la teoría cuántica y la teoría de la relatividad, cada una irreconciliable en algunos puntos con la otra. Sin embargo se piensa que muchos de los fenómenos descubiertos y estudiados en los últimos tiempos como las singularidades parten inevitablemente de la relatividad general.
Y se hizo la luz
Newton aseguraba que la luz, al poseer una naturaleza ondulatoria, necesitaba un medio a través del cual desplazarse, pero debido a que no se podía entender qué era lo que había entre los planetas y en general e el cosmos extra atmosférico se definió la existencia de una materia que permitía a la luz desplazarse en el espacio, a esta materia se le denominó "éter" y aunque no se tenía pruebas de su existencia, esta era necesaria para que la mecánica de Newton se cumpla también fuera del planeta.
Era entonces necesario definir exactamente en qué consistía dicho éter, se pensaba según la mecánica clásica que éste era un medio en reposo absoluto. Esto tenía serias repercusiones sobre los planetas puesto que consideraba que nuestro planeta se movía a través de éste éter, por ello se debía de conocer a ciencia cierta cuál era la velocidad de la tierra respecto de éste éter. Dado el reto no se esperó mucho para que muchos científicos empezaran a realizar investigaciones y experimentos para determinar la existencia del éter en la realidad; fue así como en 1881 A.A. Michelson realizó un experimento que logró un objetivo completamente distinto al trazado inicialmente.
Nadie sabe para quien trabaja
El razonamiento de Michelson fue que si la Tierra se desplazaba a través de un éter entonces una especie de fuerza generada por el mismo éter (Michelson le denominó "viento de éter" debería de barrer la superficie terrestre, esto debería de originar un cambio en la velocidad de la luz que viaja con el éter, es decir, con el viento a favor la luz debería de tener una velocidad completamente distinta a la de la que tendría si tuviera dicho viento en contra. Fue entonces que se decidió a medir una distancia idéntica tanto a favor como en contra del viento, de esa manera, al tener dos velocidades distintas el éter demostraría su existencia.
Grande fue la sorpresa cuando se determinó que la velocidad de la luz era la misma no importando siquiera que dirección se utilizara para medirla, esto echó por la borda la existencia del éter y determinó que la luz poseía una velocidad determinada y, al parecer constante.
Números imaginarios
Pero... ¿cuál era la velocidad límite?, puesto que la constancia de la luz contradecía abiertamente las leyes newtonianas ¿cómo podíamos explicar éste gran detalle?. Los estudios realizados por Hendrik Antón Lorentz demostraban que debía de haber una ecuación de transformación de coordenadas que reemplazaba la de Galileo que decía que el tiempo permanecía constante para dos observadores, dichas ecuaciones tienen las siguientes formas:
x' = (x - vt)/(1-ß2)½ » t' = (t - vx/c2)/(1-ß2)½
Donde:
x espacio recorrido por objeto A x' espacio recorrido por objeto A'
v velocidad de objeto A v' velocidad de objeto A'
t tiempo utilizado por objeto A t' tiempo utilizado por objeto A'
c velocidad de la luz ß relación v/c
De estas ecuaciones vemos que si existiera una velocidad mayor que la de la luz tendríamos un valor de ß mayor que 1 con lo que tendríamos valores de espacio y tiempo imaginarios (recuerdas los números imaginarios determinados por la raíz de -1). Entonces no existe una velocidad mayor que la de la luz. (ahora veremos mas adelante que no es la mayor de todas, por un estudio que se hizo recientemente)
¿Los agujeros negros se comerían todo el universo?
La respuesta a esto deja de ser complicada y es bastante simple... NO, y te explico por qué, habíamos definido un agujero negro... bueno Stephen Hawking lo hizo junto a Roger Penrose hace aproximadamente 40 años, como el horizonte de sucesos dentro del cual todo objeto es absorbido irremediablemente hacia el centro de dicha singularidad. Pues bien, ¿a qué nos referimos con horizonte de sucesos?, ¿recuerdas el radio de Schwarzchild? bueno, si no lo recuerdas era el radio a partir del cual un agujero negro tragaba irremediablemente a todo objeto, es decir, dicho radio definía el horizonte de sucesos, entonces dichos radios en los agujeros negros conocidos no son del tamaño del universo (es más, no se sabe a ciencia cierta el tamaño del universo aunque se tiene una idea aún vaga).
Esto significa que los agujeros negros podrán tragarse cuerpos cercanos pero no absorberán a todos los objetos del universo. A no ser que un porcentaje considerable de la materia en el universo se convierta en agujeros negros... pero eso es improbable.
El efecto es similar al de la gravedad normal, éste tiene un campo de acción luego del cual no logra alterar en gran medida a los demás objetos, por ejemplo, la atracción gravitatoria terrestre sólo afecta a los cuerpos que pasan cerca de él (la Luna y algunos planetas) pero no afectará a las estrellas que componen toda la vía láctea o menos de otra galaxia.
Especulaciones
Respecto a este tema se ha especulado mucho, se han presentado una serie de teorías, algunas disparatadas y otras no tanto, se dice de los agujeros negros que son la puerta al cielo, mientras que otros plantean que los agujeros negros podrían ser una especie de tele transportadores de la materia (esta visión fue presentada inicialmente hace más de 25 años en la serie "Star Trek" pero todas ellas no son mas que conjeturas sin base plenamente demostrable. Lo único cierto es que, hablando respaldados por la ciencia, un agujero negro posee un límite en su radio de acción, así que calma, que hasta donde sabemos el universo va a seguir su marcha inexorable.
En esta fotografía podemos apreciar cómo un agujero negro empieza a absorber a un objeto cercano, en este caso se trata de una estrella que poco a poco va siendo absorbida por un agujero negro cercano a ella, éste agujero posee una distancia de alcance considerable, pero no podría afectar a otros objetos fuera de esa distancia.
La foto fue captada por el radio telescopio Chandra en 1999 y forma parte de una serie de imágenes que poco a poco va demostrando que los agujeros negros cumplen ciertas características planteadas inicialmente con el uso de las matemáticas y los conocimientos derivados de la teoría de la relatividad.
Nota importante: Es necesario recalcar que hace tan sólo unos meses científicos norteamericanos lograron demostrar que la velocidad de la luz no es la máxima posible, sino que con un túnel cuántico lograron movilizar fotones a una velocidad igual y mayor. Si bien este resultado pone en tela de juicio ciertos parámetros considerados por la relatividad no la descalifica (aún) del todo.
¿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.
Esquema gráfico de un agujero negro tomado de
http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Hangar/8084
¿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. (Si viste la película Contacto con Jodie Foster te puedes dar una idea cabal de lo que se dice líneas arriba)
Y ahora unas cuantas noticias
¿Quién se preocupa por la cuarta dimensión?
Científicos de Viena intentan comprender los misterios del principio holográfico: ¿Cuántas dimensiones hay en nuestro universo?
Algunas de las mentes más brillantes del mundo están realizando trabajos en este sector – y no han tenido éxito hasta el momento: Crear una teoría unificada de la gravitación cuántica a menudo se considera el “Santo Grial” de la ciencia moderna. Daniel Grumiller del Instituto de Física Teórica en la Universidad Tecnológica de Viena, puede ahora al menos descubrir algunos de los misterios de la gravitación cuántica. Sus resultados sobre los agujeros negros y las ondas gravitatorias son bastante alucinantes, como poco. Recientemente ganó el premio START y usará esos fondos para captar más jóvenes físico para la UT de Viena.
Percibimos en espacio a nuestro alrededor como tridimensional. De acuerdo con Einstein, el tiempo y el espacio están inseparablemente unidos haciendo de nuestro espacio-tiempo un continuo de cuatro dimensiones. Durante décadas, los científicos se han estado preguntando por la existencia de dimensiones adicionales ocultas hasta el momento a nuestros sentidos. Grumiller y sus colegas están intentando una aproximación distinta: En lugar de postular dimensiones adicionales, creen que nuestro universo podría de hecho describirse en menos de cuatro dimensiones.
“Un holograma, como puedes ver en tus billetes o tarjetas de crédito, parece mostrar una imagen tridimensional, incluso aunque de hecho es bidimensional”, explica Grumiller. En este caso, la realidad tiene menos dimensiones de lo que parece tener aparentemente. Este “principio holográfico” desempeña un papel importante en la física del espacio-tiempo. En lugar de crear una teoría de la gravedad para todas las dimensiones del espacio y el tiempo, se puede formular una nueva teoría cuántica con menos dimensiones espaciales. De esta forma, una teoría 3D de la gravitación se vuelve en una teoría cuántica en 2D, en la cual la gravedad no aparece. Aún así, esta teoría cuántica predice correctamente fenómenos como los agujeros negros o las ondas gravitatorias.
“La cuestión de cuántas dimensiones tiene en realidad nuestro mundo, probablemente no tiene una respuesta adecuada, ni puede contestarse de forma explícita”, explica Grumiller. “Dependiendo de la pregunta concreta que tratemos de responder, una aproximación y otra pueden ser más útiles”.
Grumiller está actualmente trabajando en teorías gravitatorias que incluyen dos dimensiones espaciales y una dimensión temporal. Pueden mapearse sobre una teoría cuántica bidimensional sin gravedad. Tales teorías pueden usarse para describir agujeros negros de rotación rápida o “cuerdas cósmicas” – defectos del espacio-tiempo, que probablemente aparecieron poco después del Big Bang. Junto con sus colegas de la Universidad de Viena, Grumiller está organizando un taller internacional, que tendrá lugar entre el 14 y 24 de abril de 2009. Renombrados participantes, como científicos de Harvard, Princeton, el MIT ay muchas otras universidades, revelan que los físicos gravitatorios de Viena tienen una alta consideración internacional.
Los astrónomos descubren un vínculo entre los agujeros negros supermasivos y la formación de galaxias
Dos galaxias elípticas gigantes, NGC 4621 y NGC 4472, parecen similares desde la distancia, como se observa en las imágenes de la derecha del Estudio Digital del Cielo Sloan. Pero ampliando en los núcleos de estas galaxias con el Telescopio Espacial Hubble revela sus diferencias sus diferencias (izquierda, imágenes en blanco y negro). NGC 4621 muestra un núcleo brillante, mientras que NGC 4472 es mucho más tenue. El núcleo de esta galaxia está poblado con menos estrellas. Muchas estrellas han sido lanzadas fuera del núcleo cuando la galaxia colisionó y se fusionó con otra. Sus dos agujeros negros supermasivos se orbitaron entre sí, y su gran gravedad lanzó las estrellas fuera del núcleo de la galaxia. Crédito: NASA/AURA/STScI and WikiSky/SDSS
Una pareja de astrónomos de Texas y Alemania han usado un telescopio del Observatorio McDonald de la Universidad de Texas en Austin junto con el Telescopio Espacial Hubble y muchos otros telescopios de todo el mundo para descubrir nuevas pruebas de que las galaxias más grandes y masivas del universo y los agujeros negros supermasivos en sus corazones crecieron juntos a lo largo del tiempo.
“Evolucionaron simultáneamente”, dijo John Kormendy de la Universidad de Texas en Austin, que fue coautor de la investigación junto a Ralf Bender del Instituto Max Planck para Física Extraterrestre en Alemania y Ludwig Maximilians del Observatorio de la Universidad. Los resultados se publican en el ejemplar de esta semana de la revista Astrophysical Journal Letters.
Los astrónomos saben que las galaxias, esas vastas ciudades de millones o miles de millones de estrellas, crecen a través de colusiones y fusiones. El trabajo de Kormendy y Bender implica a las mayores galaxias del universo — “las galaxias elípticas” que tienen una forma aproximada a un balón de rugby y que pueden estar hechas de hasta billones de estrellas. Virtualmente todas estas galaxias contienen un agujero negro en sus centros, es decir, una región infinitamente densa que contiene la masa de millones o miles de millones de veces la del Sol y de la cual no puede escapar la luz.
Una teoría principal actual dice que cuando colisionan las galaxias, sus agujeros negros terminan orbitándose entre sí. Juntos, los dos agujeros negros actúan como una batidora: Agitan violentamente el centro galáctico con si increíblemente potente gravedad, y arrojan estrellas fuera de las regiones centrales. Cuando el par de agujeros negros cae al centro del nuevo remanente de la fusión, este núcleo supergaláctico carece de estrellas que han salido volando. Kormendy y Bender midieron la atenuación resultante de tales núcleos galácticos, el conocido como “déficit de luz”.
El déficit de luz en los núcleos galácticos es sorprendente a la vista de décadas de trabajo por parte de muchos astrónomos, incluyendo a Kormendy y Bender, los cuales demostraron que las mayores galaxias elípticas contienen los agujeros negros más masivos en sus centros. Estos son monstruos que “pesan” mil millones de veces la masa del Sol. Atraen las estrellas alrededor de ellos con una gravedad ferozmente potente. Los astrónomos esperan que unos agujeros negros tan masivos tirasen de las estrellas de la galaxia hacia un diminuto y denso cúmulo en el centro. Pero observaciones en la década de 1980 con telescopios terrestres y observaciones mucho mejores en la década de 1990 con el Telescopio Espacial Hubble revelaron lo contrario. Las mayores galaxias tenían grandes y dispersos centros de baja densidad. ¿Por qué los agujeros negros no están rodeados por densos cúmulos de estrellas? ¿Dónde están las estrellas que faltan?
La teoría de que los agujeros negros binarios lanzan gravitatoriamente a las estrellas fuera de los centros galácticos ha sido la explicación popular pero no demostrada. Ninguna observación con telescopios proporcionó una evidencia contundente – hasta ahora.
“Nuestras nuevas observaciones son sólidas y un vínculo directo entre los agujeros negros y las propiedades del centro de la galaxia”, dice Kormendy. “Son el “arma humeante” que conecta los agujeros negro con la formación de los sorprendentemente dispersos centros de las galaxias elípticas gigantes”.
Kormendy y Bender hicieron estudios detallados de 11 galaxias en el Cúmulo de Virgo. Para lograr una descripción global exhaustiva de cada galaxia, usaron la visión de gran angular de la Cámara de Foco Principal en el Telescopio de 0,8 metros del Observatorio McDonald. Usaron el Telescopio Espacial Hubble para estudiar estos mismos núcleos galácticos en mayor detalle. Se usaron muchos otros telescopios para conectar los datos centrales de Hubble con los datos externos del telescopios McDonald. Los resultados sobre 27 galaxias elípticas en el Cúmulo de Virgo medidas por Kormendy, Bender, y sus colegas de la Universidad de Texas David Fisher y Mark Cornell, y patrocinados por la Fundación Nacional de Ciencia, tienen prevista su publicación en un próximo ejemplar de Astrophysical Journal Supplement Series.
Sus medidas de precisión del brillo – es decir, el número de estrellas — a distintas distancias del centro de las galaxias elípticas les permitieron calcular con mucha más exactitud que anteriormente las masas de estrellas “que faltan” en el centro de las elípticas más grandes. Esto reveló más sorpresas: La masa perdida se incrementaba de forma análoga a la masa medida en los agujeros negros centrales. Se sabía que ambas cantidades estaban relacionadas, pero no que la correlación era tan estrecha como para estar dentro del margen de error. Es decir, que la correlación es virtualmente perfecta.
La masa perdida también se incrementa simultáneamente con otra propiedad de la galaxia conocida por estar directamente relacionada con los agujeros negros, y es la velocidad a la que se forman las estrellas más lejos en la propia galaxia, donde no pueden sentir la gravedad del agujero negro.
“A los astrónomos les encantan las correlaciones estrechas”, dice Bender. “Nos dicen lo que están conectado y con qué. Las nuevas observaciones nos dan unas pruebas mucho más sólidas de que los agujeros negros controlan la formación galáctica, al menos en sus centros “.
De acuerdo con Linda Sparke, directora del programa de la NSF para ciencias astronómicas, “Esta valiosa investigación demuestra cómo los agujeros negros crecen junto con la galaxia. Son grandes noticias. Hemos aceptado desde hace mucho tiempo que los agujeros negros no se colocan aleatoriamente en las galaxias. Las galaxias más luminosas albergan los agujeros negros más masivos. Pero no aún no sabíamos cómo los agujeros negros y las galaxias influyen entre sí. Kormendy y Bender han visto la huella de pares de agujeros negros fusionándose en los centros de enormes galaxias elípticas, revelando las pruebas de que los mayores agujeros negros se forman después de que colisionen galaxias menores para producir un sistema más grande”.
Kormendy añade finalmente, “Hemos creído desde hace mucho que los agujeros negros alimentan los quásares en los núcleos galácticos, los cuales son los objetos más brillantes del universo. Y hemos llegado a sospechar que poner agujeros negros gigantes en los centros de galaxias jóvenes e iluminar tanta luz de quásar sobre ellas afecta a la formación de la galaxia. En otras palabras, sospechamos que el estudio de los quásares y el estudio de las galaxias son el mismo tema. No podemos comprender una sin la otra.
“Creemos que haber ayudado a fusionar estos temas conectando directamente los agujeros negros a la estructura de la galaxia”, comenta. “John Muir en su famosa cita comenta que todo está relacionado con todo lo demás en el mundo. Cuando encontramos que temas distintos están relacionados, construimos una teoría de formación galáctica en la que tenemos confianza”.
Un agujero negro crea una curvatura en el espacio-tiempo
La abolladura es la clase de cosa que predijo la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. Afecta al movimiento de la materia que cae en el agujero negro.
El espacio-tiempo curvado es invisible, pero los científicos dedujeron su existencia tras detectar dos frecuencias de rayos-X procedentes del agujero negro que eran idénticas a las emisiones anotadas nueve años antes. El descubrimiento permitió a los científicos calcular el giro del agujero negro, una medida crucial necesaria para describir el comportamiento del objeto.
Rayos-X parpadeantes
Los agujeros negros se forman cuando estrellas muy masivas empiezan a agotar su combustible. Sus núcleos implosionan en un punto de densidad infinita y sus capas externas estallan en una potente explosión de supernova. Dentro de un límite teórico llamado horizonte de eventos, la gravedad del agujero negro es tan fuerte que nada, incluyendo a la luz, puede escapar.
Las frecuencias de rayos-X detectadas por el equipo de investigadores provienen del exterior del horizonte de eventos de GRO J1655-40, un agujero negro situado a unos 10 000 años luz de la Tierra. Es unas siente veces más masivo que el Sol y aspirando gas de una estrella compañera cercana.
GRO J1655-40 sufre cortos periodos de intensas emisiones de rayos-X, seguidas por largos periodos de relativa calma. Los científicos piensan que este patrón de parpadeo de la actividad de rayos-X está relacionado con cómo se acumula la materia alrededor del agujero negro.
El gas aspirado de la compañera se acumula sin cesar en un disco de acreción alrededor del agujero negro. Este proceso continua durante varios años. Mientras tiene lugar la acumulación, el agujero negro consume muy poco gas del disco.
Cada pocos años, sin embargo, algo —los científicos no están seguros de qué— dispara una repentina comilona por parte del agujero negro, causando que engulla la mayor parte de la materia del disco en un periodo de solo unos meses.
Los agujeros negros emiten millones de veces más rayos-X durante estos periodos de mayor actividad que cuando están en calma.
En los últimos años, el Explorador Sincrónico Rossi de Rayos-X ha captado a GRO J1655-40 de festín dos veces, una vez en 1996 y de nuevo en 2005. Entre las frecuencias de rayos-X observadas en 1996 hubo una a 450 Hz y otra a 300 Hz. Estas dos frecuencias fueron observadas nuevamente en 2005.
Esto fue sorprendente dado que cuando emiten rayos-X, los agujeros negros son conocidos por su falta de estabilidad. Los rayos-X son emitidos por partículas de gas supercalentado cuando cae por el agujero negro y roza con otras partículas. Sin embargo, la luminosidad y frecuencia a la que parpadean los rayos-X varía de un momento a otro ya que la razón a la que el agujero negro consume el gas no es constante.
Por tanto, detectar dos frecuencias estables con una diferencia de nueve años sugiere que no están causadas por las fluctuaciones de la consumición de gas por parte del agujero negro, sino por alguna otra cosa.
“Debido a que es muy difícil obtener que el comportamiento del gas sea el mismo dos veces, esto apunta con fuerza a que estas frecuencias están siendo fijadas por la masa y giro del agujero negro, propiedades fundamentales del mismo agujero negro”, comenta el co-autor del estudio Jon Miller de la Universidad de Michigan a SPACE.com.
Dado que el agujero negro es tan masivo y gira tan rápido, curva el espacio-tiempo a su alrededor.
Espacio-tiempo
Mientras desarrollaba su Teoría de la Relatividad General, Einstein combinó las tres dimensiones del espacio con una dimensión del tiempo en un útil concepto que llamó espacio-tiempo.
El espacio-tiempo puede imaginarse como una lámina elástica que se curva bajo el peso de los objetos que se colocan sobre ella. Cuanto más masivo es el objeto, más curva el espacio-tiempo. Si el objeto masivo está también girando, esto provoca que el espacio-tiempo no solo se curve sino que también se retuerza. Los científicos llaman a esto el efecto de “arrastre de marcos”.
El espacio-tiempo retorcido causará que el gas que cae en el agujero negro se mueva de cierta forma. El fenómeno puede ser comparado a grandes rasgos con el movimiento de una aguja en un tocadiscos: cuando la aguja se mueve a través de un surco grabado en el disco, este produce un sonido, la naturaleza exacta del cual está determinada por las deformaciones físicas del mismo surco.
De la misma forma, el agujero negro ha creado unas deformaciones estables en el tejido del espacio-tiempo que afectan a la materia que se mueve a su alrededor. El gas que se arremolina alrededor del agujero negro actúa como la aguja, pero en lugar de producir sonidos específicos, produce ciertas frecuencias de luz de rayos-X.
Dos picos
Los científicos piensan que las partículas de gas que se mueven en el curvado espacio-tiempo cerca del agujero negro exhiben dos tipos de movimientos, cada uno dando lugar a una frecuencia única. Un movimiento es el orbital del gas cuando gira alrededor del agujero negro. Este produce la frecuencia de 450 Hz. La frecuencia más baja de 300 Hz está causada por el ligero temblor del gas debido a las deformaciones del espacio-tiempo.
“Si el espacio-tiempo no estuviese curvado, probablemente sólo hubiésemos visto un pico”, dijo el co-autor del estudio Jeroen Homan del Instituto Kavli para Astrofísica e Investigación Espacial del MIT.
Los científicos piensan que todos los agujeros negros giratorios emiten dos frecuencias estables, y que las frecuencias están fuertemente ligadas a la masa y giro del agujero negro.
La masa de GRO J1655-40 había sido calcuada previamente en base a observaciones de la órbita de su estrella compañera. El trozo de información que faltaba era la razón de giro del agujero negro. El hallazgo de la nueva frecuencia ayudará a resolver este problema.
“Ahora podemos empezar a determinar el giro y de esta forma, por primera vez, a describir más completamente el agujero negro”, dijo Miller.
El descubrimiento fue anunciado a principios de este mes en la reunión de la Sociedad Astronómica Americana.
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