El bautizo
Se atribuye a John Archibald Wheeler la denominación "Agujero negro", 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 inevitablemente. Antes de este nombre poseía diversas denominaciones como "estrella congelada", "ojo del diablo", entre otros.
La evolución de su nombre ha ido de la mano con el entendimiento de dicho fenómeno que de por sí resulta fascinante. En 1783 John Michell planteó la idea de lo que sucedería con una estrella súper masiva la cual poseyera una gravedad tan grande que ni la misma luz escapara 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 por los agujeros negros (aún no bautizados) suscitan el interés entre 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 genera dentro de un agujero negro. Otros científicos inmersos en el estudio de los agujeros negros fueron (antes de llamarlos así) Carl Sagan, Werner Israel, Richard Feynman, entre otros.
Y finalmente ...
Luego de diversos estudios e infinidad de descubrimientos 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).
Formación de agujeros negros
Los agujeros negros se forman a partir de estrellas moribundas las cuales después 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 estrella moribunda no permite que nada se escape a su campo gravitatorio, inclusive la luz.
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.¿Qué significa lo anterior? que si la estrella es muy grande su gravedad podría provocar que esta "colapse 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).
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. 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.
Tamaño
Agujeros negros: ¿Se pueden realmente medir?
Tal como lo describe Ted Bunn en "Black Holes FAQ", no podemos hablar de una única medida de grandeza de los agujeros negros ni en general de nada que exista; sino que debemos de tomar en cuenta el espacio que ocupa en el universo y la masa que posee.
Masa de los agujeros negros
Si analizamos la segunda propiedad debemos de considerar que hasta el momento lo que se sabe de la masa que poseen los agujeros negros es que esta no tiene límites conocidos (ningún máximo ni mínimo). Pero si analizamos las evidencias actuales podemos considerar que dado que los agujeros negros se forman a partir de la muerte de estrellas masivas debería de existir un límite máximo del peso de los agujeros negros que sería a lo mucho igual a la masa máxima de una estrella masiva. Dicha masa límite es igual a diez veces la masa del Sol (más o menos 1x1031 kilogramos o si no lo entiendes 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 kilogramos). En los últimos años se ha encontrado evidencia de la existencia de agujeros negros en el centro de galaxias masivas. Se cree a partir de esto que dichos agujeros negros poseerían una masa de un millón de soles).
Tamaño de los agujeros negros
Si analizamos el tema del espacio que ocupa un agujero negro debemos de considerar como parámetro principal una variable matemática denominada el radio de Schwarzchild el cual es el radio del horizonte de sucesos que comprende al agujero negro (dentro de este radio la luz es absorbida por la gravedad y cualquier cuerpo es absorbido con una fuerza gravitatoria infinita hacia el centro del agujero negro no pudiendo escapar de éste). Ahora bien los científicos han logrado hallar una relación directa entre la masa y el espacio ocupado de un agujero negro, esto significa que si un agujero negro es diez veces más pesado que cualquier estrella ocupará también diez veces el espacio ocupado por esa estrella. Para darnos una idea más clara compararemos el tamaño del sol con un agujero negro súper masivo, el sol posee un radio de aproximadamente 700,000 kilómetros mientras que el agujero negro súper masivo poseerá un radio de a lo más cuatro veces más grande que el del Sol.
Como detectamos a los agujeros negros
Para la detección de estos se utilizan medidores de rayos X.
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, ya que alteran las orbitas de los cuerpos celestes que se acercan a estos
El proyecto FERMI
El Universo es el hogar de numerosos fenómenos exóticos y hermosos, algunos de los cuales pueden generar cantidades inimaginables de energía. Los agujeros negros supermasivos, las estrellas de neutrones, las corrientes de gas caliente que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de luz son sólo algunas de las maravillas que generan radiación de rayos gamma, la forma más energética de la radiación, miles de millones de veces más energética que el tipo de luz visible a nuestros ojos.
Por esta razón se creó el proyecto del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi.
Fermi está abriendo la exploración al mundo de la alta energía, ayudando a responder de donde vienen estas manifestaciones de energía. Con Fermi, los astrónomos tienen una herramienta superior para estudiar donde se localizan los agujeros negros, conocidos por arrojar grandes cantidades de rayos gamma y rayos X y que este telescopio puede detectar fácilmente. Y los cosmólogos están ganando una valiosa información sobre el nacimiento y la evolución temprana del Universo.
Para esta misión, se reunieron las comunidades de física de partículas, la NASA en asociación con el Departamento de Energía de los EE.UU. he instituciones de Francia, Alemania, Japón, Italia y Suecia. General Dynamics fue elegido para construir la nave espacial. Fermi fue lanzado el 11 de junio 2008.
ANIMACIONES
Utilizando datos de observación de rayos gamma que el telescopio espacial Fermi de la NASA ha recolectado, los científicos han descubierto recientemente una gigantesca estructura misteriosa en nuestra galaxia. Esta característica nunca antes vista se parece a un par de burbujas que se extienden por encima y por debajo del centro de nuestra galaxia.
Pero estos enormes lóbulos de rayos gamma que emite no son fácilmente visibles. Mediante el procesamiento de los datos recopilados, un grupo de científicos fue capaz de recrear estas estructuras.
Cada lóbulo es de 25.000 años luz de alto y toda la estructura puede tener pocos millones de años de antigüedad. Dentro de las burbujas, los electrones muy energéticos interactúan con la luz de baja energía para crear rayos gamma, aun nadie sabe el origen de estos electrones.
¿Las burbujas son remanentes de una gran explosión posteriores a la formación de alguna estrella? ¿Son remanentes de una erupción de un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia? O ¿Qué fenómenos están produciendo estos lóbulos? Los científicos aún no están seguros, pero cuanto más aprenden acerca de esta estructura, mejor se entendera la Vía Láctea.
Esta simulación de computadora muestra como es atrapado el gas de una estrella, se forma un vórtice alrededor del agujero negro antes de caer al interior de éste. Parte de ese gas es expulsando a altas velocidades hacia el espacio. Los astrónomos observaron una llamarada de luz ultravioleta que produce el gas que cae en el agujero negro, y el brillante helio que es expulsado de este agujero negro.
Esta animación muestra cómo se pudo formar el agujero negro en SN 1979C. Se muestra el colapso de una estrella masiva, después de haber agotado su combustible. A continuación, se muestra un destello de luz, producto de la ruptura de la superficie de la estrella, seguida de una potente explosión de una supernova.
Centaurus A es una galaxia elíptica gigante activa a 12 millones de años luz de distancia. En su corazón se encuentra un agujero negro con una masa de 55 millones de soles. Ahora, el proyecto TANAMI ha proporcionado la mejor imagen de la historia al mostrarnos los rayos de partículas que emite el agujero negro, revela características tan pequeñas como los 15 días-luz de diámetro (3.888 X 10'11 km). Los rayos forman grandes lóbulos de gas (zona rojiza) tan grandes que van mucho más allá del rango de visibilidad de la galaxia.
Los astrónomos han usado los datos del satélite XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea para encontrar una señal de rayos X del tan buscado NGC 4151, una galaxia que contiene un agujero negro supermasivo. Se encontró cuando el agujero negro lanzo “bengalas” de rayos X, el disco alrededor del agujero se ilumina una media hora más tarde. El descubrimiento promete una nueva manera de desentrañar lo que está pasando en la zona más cercana a estos poderosos objetos.