Visión general
Los agujeros negros son los objetos más densos, más masivos y más singulares del universo. Formados en uno de tres procesos principales, ejercen tanta fuerza gravitacional que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción. Dado que nada puede salir, se le llama agujero. Dado que ni siquiera la luz ni otra radiación electromagnética puede salir, se le llama agujero negro.
Formación de un agujero negro
Las teorías actuales sostienen que los agujeros negros se forman de tres maneras principales:
La primera es que si una estrella tiene más de 9 masas solares cuando se convierte en una supernova, entonces se colapsará en un agujero negro. La razón por la que una estrella de neutrones (formada luego de la supernova) deja de colapsar es la fuerza nuclear fuerte, la fuerza fundamental que sostiene al centro de un átomo del derrumbamiento. Sin embargo, cuando una estrella es tan grande, la fuerza de gravedad es tan fuerte que supera a la fuerza nuclear fuerte y contrae el átomo completamente. Ahora no hay nada para detener el colapso de la estrella, y se colapsa en un punto (o, en teoría, un anillo) de densidad infinita.
Una segunda manera para que un agujero negro se forme es que, en algunos casos raros, dos estrellas de neutrones estén encerradas en una relación binaria. Debido a la pérdida de energía a través de la radiación gravitatoria, se acercarán lentamente en espiral la una a la otra, y se fusionarán. Cuando se fusionan, casi siempre forman un agujero negro.
Por último, una tercera vía fue propuesta por el cosmólogo cuántico Stephen Hawking. El teorizó que miles de millones de agujeros negros se produjeron en el Big Bang, de los cuales algunos todavía existen hoy en día.
Tipos y tamaños de agujeros negros
Un agujero negro es clasificado por las únicas 3 propiedades que posee: masa, rotación y campo magnético.
En la actualidad, hay sólo 2 clases reconocidas de agujero negro en cuanto a masa: los estelares y los supermasivos. Los agujeros negros estelares tienen la masa de una estrella en un rango de 10-100 masas solares. Los agujeros negros supermasivos son los núcleos de, lo que parece ser, cada gran galaxia, incluyendo a nuestra Vía Láctea. Estos últimos van de los millones hasta incluso miles de millones de masas solares.
Los agujeros negros "intermedios" son muy controversiales. No ha habido ninguna prueba universalmente aceptada de su existencia, y muchos dudan de que haya un mecanismo razonable por el cual podrían formarse.
El agujero negro más simple no tiene rotación ni campo magnético. Éste se llama agujero negro de Schwarzschild. Un agujero negro que tiene un campo magnético pero que no gira se llama agujero negro de Reissner-Nordström. Uno que tiene tanto campo magnético como rotación se llama agujero negro de Kerr.
Las diferencias se discuten en la siguiente sección: Anatomía de un agujero negro.
Anatomía de un agujero negro
Los agujeros negros de Schwarzschild
Para empezar con el tipo más simple, un agujero negro de Schwarzschild tiene dos componentes principales: una singularidad y un horizonte de sucesos. La singularidad es lo que queda de la estrella colapsada, y en teoría es un punto de dimensión 0 con densidad infinita, pero masa finita. El horizonte de sucesos es una región del espacio que es el "límite" del agujero negro. Dentro de él, la velocidad de escape es más rápida que la luz, por lo que más allá de este límite nada puede escapar.
Los agujeros negros de Reissner-Nordström
Una etapa más arriba está el agujero negro de Reissner-Nordström. Tiene la singularidad y dos horizontes de sucesos. El horizonte de sucesos exterior es una frontera donde el espacio y el tiempo se dan vuelta. Esto significa que la singularidad ya no es un punto en el espacio, pero sí en el tiempo. El horizonte de sucesos interno voltea el espacio-tiempo de vuelta a la normalidad.
Los agujeros negros de Kerr
Un agujero negro de Kerr añade otra característica a la anatomía: una ergosfera. La ergosfera reside en una región elipsoidal fuera del horizonte de sucesos externo. La ergosfera representa la última órbita estable, y el límite exterior se llama límite estático. Fuera de ella, una hipotética nave espacial podría maniobrar libremente. En el interior, el espacio-tiempo es deformado de tal manera que una nave espacial podría ser arrastrada por su rotación.
Un punto interesante que surge en el caso de un agujero negro que gira es el de la singularidad desnuda. Cuanto más rápido gira el agujero negro, más grande se vuelve el horizonte de sucesos interno, mientras que el horizonte de sucesos externo permanece del mismo tamaño. Se vuelven del mismo tamaño cuando la energía de rotación es igual a la energía de la masa del agujero negro. Si la energía de rotación se volviera mayor a la energía de la masa, los horizontes de sucesos se desvanecerían y lo que queda es una "singularidad desnuda": un agujero negro cuya única parte es la singularidad.
Sin embargo, otra característica distintiva del agujero negro de Kerr es que, ya que gira, el punto 0-D que es la singularidad en los agujeros negros de Schwarzschild y de Reissner-Nordström se pone a girar en un anillo de espesor 0. Teorías físicas interesantes se pueden llevar a cabo en torno a esta singularidad. Una consecuencia es que nada puede realmente caer en él a menos que se aproxime en una trayectoria que va a lo largo del lado del anillo. Cualquier otro ángulo y el anillo produce un campo antigravitatorio que repele la materia.
NOTA: La única parte física de un agujero negro es la singularidad. Las otras partes mencionadas son límites matemáticos. No hay ninguna barrera física llamada horizonte de sucesos, sino que marca los límites entre los tipos de espacio bajo las influencias de la singularidad.
Características adicionales
Otros dos elementos que pueden caracterizar a un agujero negro: un disco de acreción y chorros.
Un disco de acreción es materia distribuida alrededor de un agujero negro. En los agujeros negros en rotación y/o que tienen un campo magnético, la materia forma un disco debido a las fuerzas mecánicas presentes. En un agujero negro de Schwarzschild, la materia puede ser distribuida igualmente en todas direcciones, así se formaría una nube de acreción omni-direccional en lugar de un disco.
La materia en los discos de acreción es gradualmente atraída hacia el interior de un agujero negro. Así como se acerca, aumenta su velocidad, y también gana energía. Los discos de acreción se pueden calentar tanto debido a la fricción interna que pueden alcanzar temperaturas de 3 millones de grados, y emiten radiación electromagnética, como por ejemplo rayos gamma. Esta radiación puede ser usada para "pesar" al agujero negro. Al utilizar el efecto Doppler, los astrónomos pueden determinar qué tan rápido gira el material alrededor del agujero negro, y entonces pueden inferir su masa.
Los chorros se forman en agujeros negros de Kerr que tienen un disco de acreción. La materia es canalizada al interior de un toro (una donut) por el giro del agujero negro y los campos magnéticos, pero en las regiones muy cercanas sobre los polos del agujero negro, la materia puede ser energizada con temperaturas y velocidades extremadamente altas, escapando de las cercanías del agujero negro en forma de chorros de alta velocidad.
Encontrando agujeros negros
Actualmente no hay agujeros negros que hayan sido vistos con un telescopio. En realidad, esto en sí mismo es imposible porque, simplemente por definición, no se puede ver "nada". Un agujero negro sólo puede ser descubierto observando cómo actúa el material que lo rodea. A través de este método, los astrónomos han visto muchos agujeros negros; por lo general son encontrados en los centros de las galaxias, y algunos creen que cada galaxia contiene un agujero negro en su centro.
Hipotético viaje a través de un agujero negro
¿Qué pasaría si fueras a caer en un agujero negro? Mientras te acercas al agujero negro, tu reloj comenzará a correr más lento que el reloj de tus colegas en la nave espacial. Además, tus compañeros cuentan que te comienzas a tornar de un color rojizo. Esto es debido a la deformación del espacio en las proximidades del agujero negro. Entonces, justo antes de "entrar" en el agujero (pasar a través del horizonte de sucesos externo), tus amigos te verían aparentemente "congelado" allí, justo fuera del horizonte de sucesos y para ellos, tu reloj se quedaría parado (si pudieran observarlo). Ellos nunca te verían entrar en el agujero, ya que a esa distancia desde la singularidad, un objeto debe viajar a la velocidad de la luz para mantener su distancia. Así, tu imagen opaca y de color rojo quedaría congelada en sus ojos durante el tiempo que exista el agujero negro.
Sin embargo, desde tu punto de vista, al entrar en el agujero negro, nada ha cambiado. Al mirar "fuera" del agujero, el universo todavía parece relativamente normal. Sin embargo, te sientes atraído por la singularidad, y ya no puedes escapar de su alcance. En este punto, la física moderna no sabe lo que pasaría. El resultado más probable es que te encuentres compactado en un tamaño minúsculo en la singularidad.
Sin embargo, realmente no sobrevivirías en la caída hacia el interior del agujero. La inmensa curvatura del espacio alrededor de un agujero negro causaría un efecto de espaguetización: te desgarrarías porque en tus pies (suponiendo que caen primero los pies) la fuerza sería mucho mayor que en tu cabeza, y podrías ser estirado como una tira de masa camino a parecer una cuerda. Esto sería bastante desagradable, así como fatal.
Agujeros blancos
La idea de un agujero blanco es lo opuesto a un agujero negro, y divierte más en la ciencia ficción que en las revistas científicas actuales. Algunos creen que es el "otro lado" de un agujero negro. Existe la teoría de que arrojan la materia y la energía hacia afuera. Una falla en esta teoría, como muchos científicos han señalado, es que la materia eyectada desde el agujero blanco se acumularía en las proximidades del agujero, y luego colapsaría sobre sí misma, formando un agujero negro.
Los agujeros negros son los objetos más densos, más masivos y más singulares del universo. Formados en uno de tres procesos principales, ejercen tanta fuerza gravitacional que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción. Dado que nada puede salir, se le llama agujero. Dado que ni siquiera la luz ni otra radiación electromagnética puede salir, se le llama agujero negro.
Formación de un agujero negro
Las teorías actuales sostienen que los agujeros negros se forman de tres maneras principales:
La primera es que si una estrella tiene más de 9 masas solares cuando se convierte en una supernova, entonces se colapsará en un agujero negro. La razón por la que una estrella de neutrones (formada luego de la supernova) deja de colapsar es la fuerza nuclear fuerte, la fuerza fundamental que sostiene al centro de un átomo del derrumbamiento. Sin embargo, cuando una estrella es tan grande, la fuerza de gravedad es tan fuerte que supera a la fuerza nuclear fuerte y contrae el átomo completamente. Ahora no hay nada para detener el colapso de la estrella, y se colapsa en un punto (o, en teoría, un anillo) de densidad infinita.
Una segunda manera para que un agujero negro se forme es que, en algunos casos raros, dos estrellas de neutrones estén encerradas en una relación binaria. Debido a la pérdida de energía a través de la radiación gravitatoria, se acercarán lentamente en espiral la una a la otra, y se fusionarán. Cuando se fusionan, casi siempre forman un agujero negro.
Por último, una tercera vía fue propuesta por el cosmólogo cuántico Stephen Hawking. El teorizó que miles de millones de agujeros negros se produjeron en el Big Bang, de los cuales algunos todavía existen hoy en día.
Tipos y tamaños de agujeros negros
Un agujero negro es clasificado por las únicas 3 propiedades que posee: masa, rotación y campo magnético.
En la actualidad, hay sólo 2 clases reconocidas de agujero negro en cuanto a masa: los estelares y los supermasivos. Los agujeros negros estelares tienen la masa de una estrella en un rango de 10-100 masas solares. Los agujeros negros supermasivos son los núcleos de, lo que parece ser, cada gran galaxia, incluyendo a nuestra Vía Láctea. Estos últimos van de los millones hasta incluso miles de millones de masas solares.
Los agujeros negros "intermedios" son muy controversiales. No ha habido ninguna prueba universalmente aceptada de su existencia, y muchos dudan de que haya un mecanismo razonable por el cual podrían formarse.
El agujero negro más simple no tiene rotación ni campo magnético. Éste se llama agujero negro de Schwarzschild. Un agujero negro que tiene un campo magnético pero que no gira se llama agujero negro de Reissner-Nordström. Uno que tiene tanto campo magnético como rotación se llama agujero negro de Kerr.
Las diferencias se discuten en la siguiente sección: Anatomía de un agujero negro.
Anatomía de un agujero negro
Los agujeros negros de Schwarzschild
Para empezar con el tipo más simple, un agujero negro de Schwarzschild tiene dos componentes principales: una singularidad y un horizonte de sucesos. La singularidad es lo que queda de la estrella colapsada, y en teoría es un punto de dimensión 0 con densidad infinita, pero masa finita. El horizonte de sucesos es una región del espacio que es el "límite" del agujero negro. Dentro de él, la velocidad de escape es más rápida que la luz, por lo que más allá de este límite nada puede escapar.
Los agujeros negros de Reissner-Nordström
Una etapa más arriba está el agujero negro de Reissner-Nordström. Tiene la singularidad y dos horizontes de sucesos. El horizonte de sucesos exterior es una frontera donde el espacio y el tiempo se dan vuelta. Esto significa que la singularidad ya no es un punto en el espacio, pero sí en el tiempo. El horizonte de sucesos interno voltea el espacio-tiempo de vuelta a la normalidad.
Los agujeros negros de Kerr
Un agujero negro de Kerr añade otra característica a la anatomía: una ergosfera. La ergosfera reside en una región elipsoidal fuera del horizonte de sucesos externo. La ergosfera representa la última órbita estable, y el límite exterior se llama límite estático. Fuera de ella, una hipotética nave espacial podría maniobrar libremente. En el interior, el espacio-tiempo es deformado de tal manera que una nave espacial podría ser arrastrada por su rotación.
Un punto interesante que surge en el caso de un agujero negro que gira es el de la singularidad desnuda. Cuanto más rápido gira el agujero negro, más grande se vuelve el horizonte de sucesos interno, mientras que el horizonte de sucesos externo permanece del mismo tamaño. Se vuelven del mismo tamaño cuando la energía de rotación es igual a la energía de la masa del agujero negro. Si la energía de rotación se volviera mayor a la energía de la masa, los horizontes de sucesos se desvanecerían y lo que queda es una "singularidad desnuda": un agujero negro cuya única parte es la singularidad.
Sin embargo, otra característica distintiva del agujero negro de Kerr es que, ya que gira, el punto 0-D que es la singularidad en los agujeros negros de Schwarzschild y de Reissner-Nordström se pone a girar en un anillo de espesor 0. Teorías físicas interesantes se pueden llevar a cabo en torno a esta singularidad. Una consecuencia es que nada puede realmente caer en él a menos que se aproxime en una trayectoria que va a lo largo del lado del anillo. Cualquier otro ángulo y el anillo produce un campo antigravitatorio que repele la materia.
NOTA: La única parte física de un agujero negro es la singularidad. Las otras partes mencionadas son límites matemáticos. No hay ninguna barrera física llamada horizonte de sucesos, sino que marca los límites entre los tipos de espacio bajo las influencias de la singularidad.
Características adicionales
Otros dos elementos que pueden caracterizar a un agujero negro: un disco de acreción y chorros.
Un disco de acreción es materia distribuida alrededor de un agujero negro. En los agujeros negros en rotación y/o que tienen un campo magnético, la materia forma un disco debido a las fuerzas mecánicas presentes. En un agujero negro de Schwarzschild, la materia puede ser distribuida igualmente en todas direcciones, así se formaría una nube de acreción omni-direccional en lugar de un disco.
La materia en los discos de acreción es gradualmente atraída hacia el interior de un agujero negro. Así como se acerca, aumenta su velocidad, y también gana energía. Los discos de acreción se pueden calentar tanto debido a la fricción interna que pueden alcanzar temperaturas de 3 millones de grados, y emiten radiación electromagnética, como por ejemplo rayos gamma. Esta radiación puede ser usada para "pesar" al agujero negro. Al utilizar el efecto Doppler, los astrónomos pueden determinar qué tan rápido gira el material alrededor del agujero negro, y entonces pueden inferir su masa.
Los chorros se forman en agujeros negros de Kerr que tienen un disco de acreción. La materia es canalizada al interior de un toro (una donut) por el giro del agujero negro y los campos magnéticos, pero en las regiones muy cercanas sobre los polos del agujero negro, la materia puede ser energizada con temperaturas y velocidades extremadamente altas, escapando de las cercanías del agujero negro en forma de chorros de alta velocidad.
Encontrando agujeros negros
Actualmente no hay agujeros negros que hayan sido vistos con un telescopio. En realidad, esto en sí mismo es imposible porque, simplemente por definición, no se puede ver "nada". Un agujero negro sólo puede ser descubierto observando cómo actúa el material que lo rodea. A través de este método, los astrónomos han visto muchos agujeros negros; por lo general son encontrados en los centros de las galaxias, y algunos creen que cada galaxia contiene un agujero negro en su centro.
Hipotético viaje a través de un agujero negro
¿Qué pasaría si fueras a caer en un agujero negro? Mientras te acercas al agujero negro, tu reloj comenzará a correr más lento que el reloj de tus colegas en la nave espacial. Además, tus compañeros cuentan que te comienzas a tornar de un color rojizo. Esto es debido a la deformación del espacio en las proximidades del agujero negro. Entonces, justo antes de "entrar" en el agujero (pasar a través del horizonte de sucesos externo), tus amigos te verían aparentemente "congelado" allí, justo fuera del horizonte de sucesos y para ellos, tu reloj se quedaría parado (si pudieran observarlo). Ellos nunca te verían entrar en el agujero, ya que a esa distancia desde la singularidad, un objeto debe viajar a la velocidad de la luz para mantener su distancia. Así, tu imagen opaca y de color rojo quedaría congelada en sus ojos durante el tiempo que exista el agujero negro.
Sin embargo, desde tu punto de vista, al entrar en el agujero negro, nada ha cambiado. Al mirar "fuera" del agujero, el universo todavía parece relativamente normal. Sin embargo, te sientes atraído por la singularidad, y ya no puedes escapar de su alcance. En este punto, la física moderna no sabe lo que pasaría. El resultado más probable es que te encuentres compactado en un tamaño minúsculo en la singularidad.
Sin embargo, realmente no sobrevivirías en la caída hacia el interior del agujero. La inmensa curvatura del espacio alrededor de un agujero negro causaría un efecto de espaguetización: te desgarrarías porque en tus pies (suponiendo que caen primero los pies) la fuerza sería mucho mayor que en tu cabeza, y podrías ser estirado como una tira de masa camino a parecer una cuerda. Esto sería bastante desagradable, así como fatal.
Agujeros blancos
La idea de un agujero blanco es lo opuesto a un agujero negro, y divierte más en la ciencia ficción que en las revistas científicas actuales. Algunos creen que es el "otro lado" de un agujero negro. Existe la teoría de que arrojan la materia y la energía hacia afuera. Una falla en esta teoría, como muchos científicos han señalado, es que la materia eyectada desde el agujero blanco se acumularía en las proximidades del agujero, y luego colapsaría sobre sí misma, formando un agujero negro.