ASTREDEX
UN VIAJE SIN RETORNO
Junio 2022 - www.astredex.com
Volumen 22, Número 1.
Secciones de investigación
LA CIENCIA DETRÁS DE LOS GRAN AGUJEROS NEGRO Y sus grandes incognitas dentro del campo de la fisica.
LOS AGUJEROS NEGRO Y LA CURVATURA DEL ESPACIO
La deformación del espacio-tiempo por la fuerza de gravitación fue predicha en Einstein. Yaiza Martinez
LA EXPLOSIÓN FINAL La duración total del fenómeno de evaporación depende de la masa del cuerpo en cuestión.
Antonio Heras
Stephen Hawking
ALBERT EINSTEIN Y SU PRIMERA TEORIA La relatividad general explica la existencia de los agujeros negros. Stephen Hawking
Respuestas a grandes incognitas
SI LOS AGUJEROS NEGRO ABSORVEN TODO ¿QUE HACEN CON ELLO? Cuando llegamos cerca de un agujero negro, las leyes de la física son muy extremas. Sara Cazzoli
¿COMO SE FORMA UN AGUJERO NEGRO? Cuando explota en una supernova y expulsa sus capas externas a gran velocidad. Elsa Velasco
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SUMARIO 8.- La ciencia detrás de los agujeros negro. Y sus grandes incognitas dentro del campo de la fisica. 10.- La primera teoria de Einstein. La relatividad general da la explicación de la existencia de los agujeros negro. 12.- ¿A donde van los objetos absorvidos por los agujeros negro? Las leyes de la fisica son más extremas cuando nos acercamos a uno.
14.- La creación de un agujero negro Se cree que es por la explosión de una supernova a gran velocidad.
En la portada
16.- La curvatura del espacio y tiempo La deformación del espacio y tiempo fue predicha por Einstein. Recreación computarizada de
18.- ¿Una explosión final? un agujero negro absorviendo El fenomeno de evaporación la luz y deformando el espacio va a depender totalmente de la y tiempo. masa.
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PALABRAS DEL EDITOR Una breve reflexion a las predicciones teoricas de Einstein
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Albert Einstein en 1947
Se le considera el científico más importante, conocido y popular del siglo XX.
esde hace poco más de medio siglo, recién terminada la primera guerra mundial, cuando el nombre de EINSTEIN se hizo mundialmente conocido, muchos trabajos eruditos y casi todos los estudios de divulgación sobre EINSTEIN, hacían referencia, e incluso se centraban sobre ella, a la idea de que, por fin, EINSTEIN había logrado demostrar que todo es relativo. Esta historia, es un tópico fascinante de cómo el trabajo de un genio puede llegar a ser malentendido, no se ha escrito todavía. El hecho documentado es rico y revelador, tanto psicológica como sociológicamente. El hecho es verdaderamente tan rico que, de hecho, en la actualidad, constituye todo un ambiente intelectual. Una prueba asombrosa es el anuncio realizado por la propia revista Time, decía bajo un dibujo de EINSTEIN y en unas letras especialmente grandes, lo siguiente: TODO ES RELATIVO. Teniendo en cuenta que los anuncios son un reflejo de creencias comúnmente aceptadas o de deseos, esperanzas y temores, la aparición de dicho mensaje, TODO ES RELATIVO, es un anuncio profesionalmente valioso, puede tomarse como una prueba de que, en verdad, ese mensaje constituye un ambiente intelectual. Atentamente, Cristofher H. Guevara Editor
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¿QUE SABEMOS DE LOS AGUJEROS NEGRO?
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s una región finita del espacio en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada como para generar un campo gravitatorio tal, que ninguna partícula –ni siquiera la luz–puede escapar de él. Los agujeros negros pueden ser capaces de emitir un tipo de radiación, la radiación de Hawking, conjeturada por Stephen Hawking en la década de 1970. La radiación emitida por agujeros negros como Cygnus X-1 no
procede del propio agujero negro sino de su disco de acreción. La gravedad de un agujero negro, provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es previsto por las ecuaciones del campo de Einstein. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del universo, y una vez dentro de él, ningún tipo de partícula, sea material o electromagnética, puede salir, ni siquiera los fotones.
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UNA BREVE EXPLICACIÓN
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pesar de que existen explicaciones intuitivas del comportamiento de un agujero negro, en cosmología teórica no existe una definición simple de qué constituye un agujero negro, y todos los teóricos trabajan con definiciones topológicas sofisticadas de qué constituye un agujero negro. De hecho en un espacio-tiempo compacto no hay una manera adecuada y general de definir qué condiciones debe cumplir una región para ser considerada un agujero negro. En espacio-tiempos no
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compactos se requieren algunas condiciones técnicas para decidir si una región es un agujero negro, así se dice que en un espacio-tiempo asintóticamente plano y predictible (que contiene una hipersuperficie de Cauchy que satisface ciertos requisitos), se dice que hay una región de agujero negro si el pasado causal de la hipersuperficie de tipo luz situada en el infinito futuro no contiene a todo el espacio-tiempo (eso significa que dicha hipersuperficie es inalcanzable desde algunos puntos del espacio tiempo, precisa-
mente aquellos contenidos en el área de agujero negro). La frontera del pasado causal de la hipersuperficie de tipo luz futura es el horizonte de eventos.
Se han estudiado extensivamente dos clases principales de agujeros negros. Los agujeros negros de masa estelar, de tres a docenas de veces la masa del Sol, se extienden por toda nuestra galaxia, la Vía Láctea, mientras que los monstruos supermasivos que pesan entre 100.000 a milles de millones de masas solares se encuentran en los centros de la mayoría de las galaxias grandes, incluida la nuestra. Durante mucho tiempo los astrónomos han teorizado sobre la existencia de una tercera
clase denominada agujeros negros de masa intermedia, con un peso de entre 100 a más de 10.000 masas solares. El ejemplo más concreto hasta la fecha se observó el 21 de mayo de 2019, cuando el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser detectó las ondas gravitacionales de una fusión entre dos agujeros negros que creó un agujero negro que pesaba 142 soles.
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STEPHEN HAWKING y LA CIENCIA DETRÁS DE LOS AGUJEROS NEGRO
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ue el último físico cuyo singular perfil traspasó las barreras de la ciencia para llegar a convertirse, como Einstein, en icono de la cultura popular. Su imagen ha quedado vinculada al campo que captó el grueso de su trabajo, los agujeros negros. Los descubrimientos de Stephen Hawking (8 enero 1942–14 marzo 2018) proyectaron luz en la oscuridad de estos misteriosos objetos astronómicos, pero al mismo tiempo abrieron preguntas que
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continuarán dando trabajo a los científicos durante décadas. En la mente del público, los agujeros negros se imaginan como inmensas aspiradoras cósmicas que absorben todo lo que encuentran en su camino, incluso la luz. Una idea evocadora, pero incorrecta: el agujero negro no es ni crea un vacío, sino todo lo contrario; atrae por efecto de la gravedad, al ser tan descomunal la densidad de su masa. Se entiende así que nada deberíamos temer si el Sol que-
dara sustituido por un agujero negro de su misma masa: aunque nuestro mundo fuera mucho más oscuro, los planetas continuarían orbitando sin inmutarse, precisamente porque la masa del agujero negro sería equivalente a la del Sol.
La Radiación de Hawking
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a demostración de Hawking de que los agujeros negros pueden emitir radiación es “su resultado más importante”, apunta a OpenMind Juan Maldacena, físico del Institute for Advanced Study de Princeton que ha aportado grandes contribuciones en teoría de cuerdas y gravedad cuántica. Pero en su día esta radiación de Hawking abrió un auténtico cisma entre físicos relativistas y cuánticos, ya que los segundos encontraban un problema radical: si según la cuántica la información asociada a las partículas nunca se destruye,
pero nada de materia ni energía escapa jamás del agujero negro, ¿cómo puede este simplemente desaparecer llevándose dicha información fuera de la existencia? La radiación de Hawking está ampliamente admitida por la física actual, si bien es casi imposible llegar a medirla y por tanto verificarla: paradójicamente, la expulsan en mayor cantidad los agujeros negros más pequeños e indetectables, mientras que los grandes, aquellos que los astrofísicos pueden estudiar directamente, producen tan poca que es indistinguible. Pero, al
menos, en el laboratorio se ha logrado recrear un fenómeno parecido: investigadores del Instituto de Tecnología de Israel Technion han generado análogos de minúsculos agujeros negros que funcionan con el sonido en lugar de la luz y en los que han conseguido demostrar algo similar a la radiación de Hawking. Estos experimentos han confirmado dos predicciones del físico: que la radiación es espontánea –se genera a partir del espacio vacío– y que es estacionaria –no cambia de intensidad con el tiempo.
La imagen simula la apariencia de un agujero negro donde la materia que cae se ha acumulado en una estructura delgada y caliente llamada disco de acreción. Crédito: Event Horizon Telescope Collaboration.
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EINSTEIN Y LA TEORIA DE LA RELATIVIDAD El concepto teórico de agujero negro surgió de la resolución de las ecuaciones de la teoría de la relatividad general del físico alemán, pero no fue hasta los años 60 que se sentaron las bases para comprenderlos
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a existencia de agujeros negros es una de las predicciones de la Teoría de la relatividad general. Albert Einstein formula la primera teoría de la relatividad, más ‘sencilla’, en 1905 y 10 años más tarde publica una versión más compleja en la que incorpora la gravitación. En ella, el físico alemán proporciona una descripción de la gravedad como una propiedad geométrica del espacio-tiempo. En particular, dice que la curvatura del espacio-tiempo está directamente relacionada con la masa, la velocidad y la energía de la materia o radiación, y Einstein enuncia sus ecuaciones de campo, aunque no será él quien consiga solucionarlas de forma exacta. Y en esta teoría predice por primera vez la existencia de agujeros negros. Esta teoría predice cómo se debe comportar la luz en las inmediaciones de un agujero negro, de un objeto muy masivo que no emite luz. Y enuncia las ecuaciones de campo que per-
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miten calcularlos. Sin embargo, a Einstein no le gustaba la idea de, como decía la definición de agujero negro, ni la luz pudiera escapar de ellos. Porque hay una zona, el horizonte de sucesos, a partir de la cual cuando metes materia pierdes información. Y eso no le acababa de convencer.
Einstein nunca llegó a entender que había un objeto como un agujero negro, tal como lo entendemos ahora.
La teoría de la relatividad general tiene más de 100 años. En el 2015 se cumplió un siglo de una de las mayores creaciones jamás generadas por una sola mente humana.
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a actual descripción de la gravitación de la física moderna se ha probado en el universo local, como en el Sistema Solar, y también de forma más reciente en otros cuerpos, como sistemas binarios de pulsares. La idea de que pudiera haber objetos oscuros surge por primera vez a finales del siglo XVIII. Fueron dos filósofos, John Mitchell y Pierre-Simon Laplace, los que propusieron que había cuerpos capaces de atrapar la luz y volverse invisibles para el resto del Universo. Para demostrar su idea, aplicaron las leyes de Newton para calcular la velocidad de escape de una partícula de luz de un cuerpo. Y predijeron que había estrellas tan densas que ni la luz podría escapar de ellas.
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¿A DONDE VAN LOS OBJETOS QUE ABSORBE EL AGUJERO NEGRO?
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ara entender lo que ocurre alrededor de uno de ellos necesitas saber lo que es el horizonte de sucesos. Se trata de un límite teórico, no es una zona del espacio a la que puedas apuntar con un dedo y decir “es ahí”. Es una frontera que se define como la última órbita en la que una onda electromagnética viajando a la velocidad de la luz puede llegar a nosotros. Veamoslo como un ejemplo. Si tiramos una manzana hacia
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el cielo, vuelve a caer hacia nosotros debido a la fuerza de gravedad de la Tierra. Si fuéramos superhéroes o superheroínas y pudiéramos tirar la manzana con muchísima velocidad, por encima de 11 kilómetros por segundo (la velocidad de escape de la Tierra), la manzana llegaría al espacio y escaparía a la gravedad de nuestro planeta. Un agujero negro tiene un campo gravitatorio muchísimo más fuerte que el de la Tierra, por lo que cerca de él necesitas una ve-
locidad mucho mayor para escapar de su fuerza de gravedad. Tanta que, cuando estamos cerca de uno de ellos, la velocidad que se necesita para escapar de su gravedad es más alta que la velocidad de la luz. Pero aquí aparece un problema porque, según la teoría de la relatividad, hay un límite, que es el de la velocidad de la luz. Con las leyes de la física que conocemos actualmente no hay nada que vaya más rápido que la velocidad de la luz.
En el horizonte de sucesos la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz, es decir, que una onda electromagnética que va a la velocidad de la luz un poco por fuera del horizonte de sucesos puede llegar a nosotros, pero un poco por dentro del horizonte de sucesos ya no puede llegar a nosotros porque no puede viajar más rápido que la luz. Así que cuando pensamos en un objeto cerca de un agujero negro, no es que lo absorba, sino que una vez cruzado el horizonte de sucesos, las partículas seguirían dando vueltas a su alrededor porque para escapar tendrían que ir más rápido que
la luz. Si nosotros pudiéramos seguir la trayectoria de un objeto que cruzara el horizonte de sucesos y se acercara a un agujero negro nos llegaría la última información que puede viajar a la velocidad de la luz (es decir justo en el horizonte de sucesos), y sería como una imagen detenida para siempre. Si lanzáramos
una nave espacial hacia un agujero negro, lo que observaríamos es que cuanto más se acercara al horizonte de sucesos la veríamos moverse a cámara lenta y cuando llegara al horizonte de sucesos la veríamos parada. Pero si estuviéramos dentro de la nave, para nosotros el tiempo seguiría siendo lo mismo, nos acercaríamos al agujero negro, cruzaríamos el horizonte de sucesos y seguiríamos dando vueltas alrededor del agujero negro. Pero si estuviéramos en la nave y quisiéramos llamar a nuestra familia a casa, una vez cruzado el horizonte de sucesos no podríamos hacerlo porque nuestra información no podría viajar más rápido que la luz. Lo que ocurre una vez cruzado el horizonte de los sucesos se queda dentro del horizonte de los sucesos, desconectado de lo que hay fuera.
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¿CÓMO SE CREA UN AGUJERO NEGRO? Hay al menos dos tipos de agujeros negros...
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no de ellos se conoce como agujero negro de masa estelar. Puedes imaginártelo como un agujero negro de “una sola gran estrella”. Este tipo de agujero negro se forma cuando una gran estrella consume todo su combustible y explota (esto se conoce como supernova). Luego lo que queda colapsa y se transforma en un objeto súper compacto—un agujero negro. Las estrellas deben contener bastante más materia que nuestro
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Sol para que esto pueda suceder. Por lo que nuestro Sol, y la mayoría de las estrellas, nunca se convertirán en agujeros negros. Los agujeros negros de masa estelar sólo tienen unas pocas decenas de kilómetros de ancho—tal vez unas 40 millas. Sólo imagina. Nuestro Sol es tan grande que aproximadamente un millón de Tierras cabrían dentro de él. Una estrella con suficiente materia para convertirse en un agujero negro puede contener 10 veces más materia
que el Sol. ¡Ahora imagina que una estrella con tal cantidad de materia se encoge hasta caber en un espacio que podríamos recorrer en menos de una hora en automóvil! ¡Un agujero negro con toda la masa de la Tierra tendría el tamaño de una uña!
APRENDE MÁS SOBRE LOS AGUJEROS NEGRO
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na mision espacial que está ayudando a hacer eso es un telescopio espacial llamado XMM-Newton. Fue lanzado hacia la órbita terrestre en 1999 por la NASA y la Agencia Espacial Europea. El telescopio observa el universo en rayos X de alta energía, un tipo de luz que no podemos ver con nuestros ojos. La materia, como el gas y las partículas de polvo, cerca de los agujeros negros libera rayos X mientras gira a la velocidad
de la luz justo antes de que el agujero negro se la trague. Al observar estos rayos X, el telescopio XMM puede ayudar a los científicos a comprender los agujeros negros.
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LA CURVATURA DEL ESPACIO TIEMPO Y LOS AGUJEROS NEGRO
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ientíficos norteamericanos han comprobado y medido por vez primera la distorsión del espacio tiempo que por efecto de la gravedad se produce en torno a un agujero negro. Cien años después de la formulación de la Teoría de la Relatividad, la ciencia confirma de nuevo una de las predicciones de Einstein, sobre las que se apoya además la teoría física de los viajes en el tiempo. Los datos se han obtenido mediante las observaciones realizadas por un satélite de 16 | ASTRADEX UN VIAJE SIN RETORNO
la Nasa sobre un agujero negro bautizado como GRS 1945+105, situado a unos 40.000 años luz de la Tierra, en la constelación de Águila. Por Yaiza Martínez. Un equipo de astrónomos ha descubierto evidencias que confirman que la enorme fuerza gravitacional de un agujero negro puede absorber todo aquello que le rodea, incluida la luz. Se trata de una serie de mediciones que muestran, además, cómo estos cuerpos celestes arrastran en su giro el espacio tiempo que los bordea, creando en sus cer-
canías un océano espacio temporal distorsionado. La deformación del espacio-tiempo por la fuerza de gravitación fue predicha en Einstein. Las teorías especial y general de la Relatividad de Einstein, escritas en 1905 y 1916 respectivamente, mostraron que muy altas velocidades o una intensificación de la gravedad, pueden curvar el tiempo de la misma forma que lo haría una pelota sobre una lámina de goma.
Desvelados por los rayos X
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n agujero negro es una región del espacio donde las fuerzas gravitacionales son tan grandes que ni siquiera la luz puede evadirlas. Los gases y el polvo que le rodean se arremolinan a su alrededor y acaban cayendo dentro de él como el agua en una vasija. Este proceso genera copiosas cantidades de luz, predominantemente de radiaciones de rayos X, sobre todo en las regiones más internas del llamado “disco de acrecimiento”, que se define como una estructura en forma de disco alrededor de un objeto
central masivo. Cerca del agujero negro, la gravedad es más intensa, pero la luz puede todavía encontrar un escape hacia el exterior de su atracción gravitacional. En esa “huida” de la luz hacia fuera, ésta pierde una energía que se emite en forma de rayos X, que los científicos pueden estudiar con telescopios de rayos X como el Rossi Explorer. De esta forma, es posible el acercamiento a los agujeros negros, que por su naturaleza oscura resultan prácticamente inasequibles.
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LA EXPLOSIÓN FINAL
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unque extremadamente lenta, la evaporación de un agujero negro no dura eternamente. Con el tiempo, la masa disminuye, la temperatura aumenta, por tanto, también la velocidad de evaporación. Cuando la masa comienza a ser muy baja, la temperatura aumenta rápidamente y la evaporación alcanza una velocidad fulminante. Por último, el proceso se termina con una explosión que marca la desaparición del agujero negro. La duración total del fenómeno de evaporación depende de la masa del cuerpo en cuestión. Cuanto más grande es un agujero negro, más bajas son su temperatura y velocidad de evaporación, así pues, más grande es su duración de vida. Se considera así que los agujeros negros de residuos de estrellas desaparecerán de aquí a 1065 años (la cifra 1 seguida de 65 ceros), los agujeros negros supermasivos en 1090 años y los más masivos en 10100 años. Después del período de desaparición de las galaxias y cúmulos, el fenómeno más destacado en el futuro del Universo será la evaporación de los agujeros negros. La relatividad general describe los agujeros negros como cuerpos de los cuales nada puede escaparse, ni la materia ni la luz, lo que implica que su masa sólo puede aumentar con el tiempo. Sin embargo, en los años setenta, el astrofísico británico Stephen Hawking mostró que esta visión no es correcta. Al contrario, un proceso cuántico que involucra las partículas virtuales puede muy bien hacer disminuir la masa de un agujero negro.
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LA EVAPORACIÓN DE UN AGUJERO NEGRO
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maginemos que un electrón virtual y su antipartícula surgen del vacío y aparecen cerca del rayo de Schwartzschild de un agujero negro. Es totalmente posible que el electrón se hunda muy rápidamente en el agujero negro y desaparezca allí, pero que su antipartícula consiga escapar de la trampa. En este caso, el antiélectron virtual, que habría debido destruirse rápidamente con su compañero, no está ya en condiciones de hacerlo. Va, pues, a vagar un cierto tiempo y terminar por encontrar otro electrón virtual creado en circunstancias similares. En este momento, las dos partículas pueden destruirse y dar nacimiento a fotones.
El proceso precedente conduce, a partir de partículas virtuales nacidas temporalmente de una fluctuación de energía, a fotones bien reales que poseen una energía ordinaria. Esto puede, a primera vista, parecer contrario a las leyes de la física, ya que la energía se crea a partir de la nada. De hecho, Stephen Hawking mostró que este no es el caso. Entre su creación y aniquilación, las partículas virtuales pueden entrar en el mundo real, ya que roban un poco de energía gravitacional al agujero negro. Para este último, el proceso se traduce por una ligera disminución de energía, así pues, de masa, de ahí el nombre de evaporación.
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