Un agujero negro u hoyo negro es una región del espacio-tiempoprovocada por una gran concentración de masa en su interior, con enormeaumento de la densidad, lo que provoca un campo gravitatorio tal queninguna partícula ni la energía, por ejemplo la luz, puede escapar dedicha región.
La curvatura del espacio-tiempo o «gravedad de un agujero negro»provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamadahorizonte de sucesos. Esto es debido a la gran cantidad de energía delobjeto celeste. El horizonte de sucesos separa la región de agujeronegro del resto del Universo y es la superficie límite del espacio apartir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo la luz.Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijola existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio. En losaños 70, Hawking y Ellis[1] demostraron varios teoremas importantessobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros. Previamente, en1963, Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatrodimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometríacuasi-esférica determinada por tres parámetros: su masa M, su cargaeléctrica total e y su momento angular L.
Se cree que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellasla Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos. La existencia deagujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en especiala través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxiasactivas.
Proceso de formación
El origen de los agujeros negros es planteado por el astrofísicoStephen Hawking en su libro titulado Agujeros negros y la historia deltiempo. Allí él mismo comenta acerca del proceso que da origen a laformación de los agujeros negros. Dicho proceso comienza posteriormentea la muerte de una gigante roja (estrella de gran masa), llámese muertea la extinción total de su energía. Posteriormente al pasar variosmiles de millones de años la fuerza gravitatoria de dicho sol comienzaa ejercer fuerza sobre si mismo originando una masa concentrada en unpequeño volumen, convirtiéndose de ese modo en una enana blanca. Eneste punto dicho proceso puede proseguir hasta el colapso de dichoastro por la auto atracción gravitatoria que termina por convertir aesta enana blanca en un agujero negro. Este proceso acaba por reuniruna fuerza de atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz, en estemomento podemos hablar de una masa infinita atrapada sin volumen, quees el mismo centro del agujero negro denominado singularidad. Al pasarel tiempo este agujero negro podría desarrollar fuerzas de atracciónsuficientes para devorar sistemas solares y hasta galaxiascircundantes.
Últimamente se ha comprobado la existencia de un agujero negro enel centro de la galaxia en donde se encuentra nuestro sistema solar, laVía Láctea.
El concepto de un cuerpo tan denso que ni la luz pudiese escaparde él, fue descrito en un artículo enviado en 1783 a la Royal Societypor un geólogo inglés llamado John Michell. Por aquel entonces lateoría de Newton de gravitación y el concepto de velocidad de escapeeran muy conocidas. Michell calculó que un cuerpo con un radio 500veces el del Sol y la misma densidad tendría, en su superficie, unavelocidad de escape igual a la de la luz y sería invisible. En 1796, elmatemático francés Pierre-Simon Laplace explicó en las dos primerasediciones de su libro Exposition du Systeme du Monde la misma ideaaunque, al ganar terreno la idea de que la luz era una onda sin masa,en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores.
En 1915, Einstein desarrolló la relatividad general y demostró quela luz era influenciada por la interacción gravitatoria. Unos mesesdespués, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones deEinstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora queel radio de Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de unagujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquelentonces. El propio Schwarzschild pensó que no era más que una soluciónmatemática, no física. En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró queun cuerpo con una masa crítica, (ahora conocida como límite deChandrasekhar) y que no emitiese radiación, colapsaría por su propiagravedad porque no había nada que se conociera que pudiera frenarla(para dicha masa la fuerza de atracción gravitatoria sería mayor que laproporcionada por el principio de exclusión de Pauli). Sin embargo,Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzaría un tamañonulo, lo que implicaría una singularidad desnuda de materia, y quedebería haber algo que inevitablemente pusiera freno al colapso, líneaadoptada por la mayoría de los científicos.
En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podríasufrir un colapso gravitatorio y, por tanto, los agujeros negrospodrían ser formados en la naturaleza. Esta teoría no fue objeto demucha atención hasta los años 60 porque, después de la Segunda GuerraMundial, se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica.
En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujerosnegros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que endeterminados casos no se podía impedir que se crease un agujero negro apartir de un colapso. La idea de agujero negro tomó fuerza con losavances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento delos púlsares. Poco después, el término "agujero negro" fue acuñado porJohn Wheeler.
Clasificación teórica
Según su origen, teóricamente pueden existir al menos tres clases de agujeros negros:
Agujeros negros primordiales
Aquellos que fueron creados temprano en la historia del Universo. Sus masas pueden ser variadas y ninguno ha sido observado.
Según la masa
* Agujeros negros supermasivos: con masas de varios millones demasas solares. Son el corazón de muchas galaxias. Se forman en el mismoproceso que da origen a las componentes esféricas de las galaxias.
* Agujeros negros de masa estelar. Se forman cuando una estrellade masa 2,5 mayor que la masa del Sol se convierte en supernova eimplosiona. Su núcleo se concentra en un volumen muy pequeño que cadavez se va reduciendo más.
Según el momento angular
Un agujero negro sin carga y sin momento angular es un agujeronegro de Schwarzschild, mientras que un agujero negro rotatorio (conmomento angular mayor que 0), se denomina agujero negro de Kerr.
En las cercanías de un agujero negro se suele formar un disco deacrecimiento. Lo compone la materia con momento angular, cargaeléctrica y masa, la que es afectada por la enorme atraccióngravitatoria del mismo, ocasionando que inexorablemente atraviese elhorizonte de sucesos y, por lo tanto, lo incremente.
Véase también: Acreción
En cuanto a la luz que atraviesa la zona del disco, también esafectada, tal como está previsto por la Teoría de la Relatividad. Elefecto es visible desde la Tierra por la desviación momentánea queproduce en posiciones estelares conocidas, cuando los haces de luzprocedentes de las mismas transitan dicha zona.
Hasta hoy es imposible describir lo que sucede en el interior de unagujero negro; sólo se puede imaginar, suponer y observar sus efectossobre la materia y la energía en las zonas externas y cercanas alhorizonte de sucesos y la ergosfera.
Uno de los efectos más controvertidos que implica la existencia deun agujero negro es su aparente capacidad para disminuir la entropíadel Universo, lo que violaría los fundamentos de la termodinámica, yaque toda materia y energía electromagnética que atraviese dichohorizonte de sucesos, tienen asociados un nivel de entropía. StephenHawking propone en su último libro que la única forma que no aumente laentropía sería que la información de todo lo que atraviese el horizontede sucesos siga existiendo de alguna forma.
Otra de las implicaciones de un agujero negro supermasivo sería laprobabilidad que fuese capaz de generar su colapso completo,convirtiéndose en una singularidad desnuda de materia.
La entropía en los agujeros negros
Según Stephen Hawking, en los agujeros negros se viola el segundoprincipio de la termodinámica, lo que dio pie a especulaciones sobreviajes en el espacio-tiempo y agujeros de gusano. El tema está siendomotivo de revisión; actualmente Hawking se ha retractado de su teoríainicial y ha admitido que la entropía de la materia se conserva en elinterior de un agujero negro (véase enlace externo). Según Hawking, apesar de la imposibilidad física de escape de un agujero negro, estospueden terminar evaporándose por la llamada radiación de Hawking, unafuente de rayos X que escapa del horizonte de sucesos.
El legado que entrega Hawking en esta materia es de aquellos que,con poca frecuencia en física, son calificados de bellos. Entrega loselementos matemáticos para comprender que los agujeros negros tienenuna entropía gravitacional intrínseca. Ello implica que la gravedadintroduce un nivel adicional de impredictibilidad por sobre laincertidumbre cuántica. Parece, en función de la actual capacidadteórica, de observación y experimental, como si la naturaleza asumieradecisiones al azar o, en su efecto, alejadas de leyes precisas másgenerales.
La hipótesis de que los agujeros negros contienen una entropía yque, además, ésta es finita, requiere para ser consecuente que talesagujeros emitan radiaciones térmicas, lo que al principio pareceincreíble. La explicación es que la radiación emitida escapa delagujero negro, de una región de la que el observador exterior no conocemás que su masa, su momento angular y su carga eléctrica. Eso significaque son igualmente probables todas las combinaciones o configuracionesde radiaciones de partículas que tengan energía, momento angular ycarga eléctrica iguales. Son muchas las posibilidades de entes, si sequiere hasta de los más exóticos, que pueden ser emitidos por unagujero negro, pero ello corresponde a un número reducido deconfiguraciones. El número mayor de configuraciones corresponde conmucho a una emisión con un espectro que es casi térmico.
Físicos como Jacob D. Bekenstein han relacionado a los agujeros negros y su entropía con la teoría de la información.
Los agujeros negros en la física actual
Se explican los fenómenos físicos mediante dos teorías que secontradicen entre ellas; la mecánica cuántica, que explica lanaturaleza de «lo muy pequeño», donde predomina el caos y laestadística, y la relatividad general, que explica la naturaleza de «lomuy pesado» y que afirma que en todo momento se puede saber conexactitud dónde está un cuerpo. Cualquiera de estas teorías estánexperimentalmente confirmadas pero, al intentar explicar la naturalezade un agujero negro, es necesario discernir si se aplica la cuánticapor ser algo muy pequeño o la relatividad por ser algo tan pesado. Estáclaro que hasta que no se disponga de una física más avanzada no seconseguirá explicar realmente la naturaleza de este fenómeno.
Descubrimientos recientes
En 1995 un equipo de investigadores de la UCLA dirigido por AndreaGhez demostró mediante simulación por ordenadores la posibilidad de laexistencia de agujeros negros supermasivos en el núcleo de lasgalaxias. Tras estos cálculos mediante el sistema de óptica adaptablese verificó que algo deformaba los rayos de luz emitidos desde elcentro de nuestra galaxia (la Vía Láctea). Tal deformación se debe a uninvisible agujero negro supermasivo que ha sido denominado Sgr.A (oSagittarius A), al mismo se le supone una masa 4,5 millones de vecesmayor que la del Sol. El agujero negro supermasivo del centro denuestra galaxia actualmente es poco activo ya que ha consumido granparte de la matería bariónica, que se encuentra en la zona de suinmediato campo gravitatorio y emite grandes cantidades de radiación.
Por su parte la astrofísica Fayal Özel ha explicado algunascaracterísticas probables en torno a un agujero negro: cualquier,incluido el espacio, cosa que entre en la fuerza de marea provocada porun agujero negro se aceleraría a extremada velocidad como en un vórticey todo el tiempo dentro del área de atracción de un agujero negro sedirigiría hacia el mismo agujero negro.
En junio de 2004 astrónomos descubrieron un agujero negro súpermasivo, el Q0906+6930, en el centro de una galaxia distante a unos12.700 millones de años luz. Esta observación indicó una rápidacreación de agujeros negros súper masivos en el Universo joven.
La formación de micro agujeros negros en los aceleradores departículas ha sido informada, pero no confirmada. Por ahora, no haycandidatos observados para ser agujeros negros primordiales.
El mayor
En el año 2007 se descubrió el agujero negro, denominado IC 10 X-1,está en la constelación de Casiopea cerca de la galaxia IC 10, a unadistancia de 1,8 millones de años luz de la Tierra con una masa deentre 24 y 33 veces la de nuestro Sol, y se considera el mayor hasta lafecha.
Posteriormente en abril de 2008 la revista Nature publicó unestudio realizado en la Universidad de Turku (Finlandia) por un equipode científicos dirigido por Mauri Valtonen descubrió un sistemabinario, un blazar llamado OJ287, tal sistema está constituido por unagujero negro menor que orbita en torno al mayor, la masa del mayorsería de 18.000 millones de veces la de nuestro Sol. Se supone que encada intervalo de rotación el agujero negro menor golpea la ergosferadel mayor dos veces generándose un quásar.
El menor
Sin contar los posibles microagujeros negros que casi siempe sonefímeros al producirse a escalas subatómicas; macroscópicamente enabril de 2008 el equipo coordinado por Nikolai Saposhnikov y LevTitarchuk ha identificado el más pequeño de los agujeros negrosconocidos hasta la fecha; ha sido denominado J 1650, se ubica en laconstelación Ara (o Altar) de la Vía Láctea (la misma galaxia de lacual forma parte la Tierra). J 1650 tiene una masa equivalente a 3,8soles y tan solo 24 km de diámetro se habría formado por el colapso deuna estrella; tales dimensiones estaban previstas por las ecuaciones deEinstein. Se considera que son practicamente las dimensiones mínimasque puede tener un agujero negro ya que una estrella que colapsara yprodujera un fenómeno de menor masa se transformaría en una estrella deneutrones. Se considera que pueden existir muchos más agujeros negrosde dimensiones semejantes.
Chorros de plasma
En abril de 2008 la revista Nature publicó un estudio realizado enla Universidad de Boston dirigido por Alan Marscher explica que chorrosde plasma colimados parten de campos magnéticos ubicados cerca delborde de los agujeros negros. En zonas puntuales de tales camposmagnéticos los chorros de plasma son orientados y acelerados avelocidades cercanas a C (velocidad de la luz), tal proceso escomparable a la aceleración de partículas para crear una corriente dechorro (jet stream) en un reactor. Cuando los chorros de plasma que sonoriginados por un agujero negro son observables desde la Tierra taltipo de agujero negro entra en la categoría de blazar.
Que un agujero negro "emita" radiaciones parece una contradicción,sin embargo esto se explica: todo objeto (supóngase una estrella) quees atrapado por la gravitación de un agujero negro, antes de sercompletamente "engullido", antes de pasar tras el horizonte de sucesos,se encuentra tan fuertemente presionado por las fuerzas de marea delagujero negro en la zona de la ergosfera que una pequeña parte de sumateria sale disparada a velocidades próximas a la de la luz (comocuando se aprieta fuertemente una naranja: parte del material de lanaranja sale eyectado en forma de chorros de jugo, en el caso de losobjetos atrapados por un agujero negro, parte de su masa sale disparadacentrífugamente en forma de radiación fuera del campo gravitatorio dela singularidad).
Formación de estrellas por el influjo de agujeros negros
Nuevas estrellas podrían formarse a partir de los discos elípticosen torno a agujeros negros; tales discos elípticos se producen porantiguas nubes de gas desintegradas previamente por los mismos agujerosnegros; las estrellas producidas por condensación o acreción de talesdiscos elípticos al parecer tienen órbitas muy elípticas en torno a losagujeros negros supermasivos.
Si no leistes no comentes