Pregunta: ¿Qué es un agujero negro?

¿Qué es un agujero negro? ¿Cuándo se forman los agujeros negros? ¿Pueden los científicos ver un agujero negro? ¿Qué es el “horizonte de sucesos” de un agujero negro?

Respuesta: Un agujero negro es una entidad teórica predicha por las ecuaciones de la relatividad general . Un agujero negro se forma cuando una estrella de masa suficiente sufre un colapso gravitacional, con la mayor parte o toda su masa comprimida en un área de espacio suficientemente pequeña, causando una curvatura espaciotemporal infinita en ese punto (una “singularidad”). Una curvatura espaciotemporal tan masiva no permite que nada, ni siquiera la luz, escape del “horizonte de sucesos” o frontera.

Los agujeros negros nunca se han observado directamente, aunque las predicciones de sus efectos han coincidido con las observaciones. Existe un puñado de teorías alternativas, como los Objetos Magnetosféricos que Colapsan Eternamente (MECO), para explicar estas observaciones, la mayoría de las cuales evitan la singularidad del espacio-tiempo en el centro del agujero negro, pero la gran mayoría de los físicos creen que la explicación del agujero negro es la representación física más probable de lo que está ocurriendo.

Agujeros negros antes de la relatividad

En la década de 1700, hubo quienes propusieron que un objeto supermasivo podría atraer la luz hacia él. La óptica newtoniana era una teoría corpuscular de la luz que trataba la luz como partículas.

John Michell publicó un artículo en 1784 prediciendo que un objeto con un radio 500 veces mayor que el del sol (pero la misma densidad) tendría una velocidad de escape de la velocidad de la luz en su superficie y, por tanto, sería invisible. Sin embargo, el interés en la teoría murió en la década de 1900, cuando la teoría ondulatoria de la luz tomó prominencia.

Cuando rara vez se hace referencia en la física moderna, estas entidades teóricas se denominan “estrellas oscuras” para distinguirlas de los verdaderos agujeros negros.

Agujeros negros de la relatividad

A los pocos meses de la publicación de la relatividad general de Einstein en 1916, el físico Karl Schwartzchild produjo una solución a la ecuación de Einstein para una masa esférica (llamada métrica de Schwartzchild ) … con resultados inesperados.

El término que expresa el radio tiene una característica inquietante. Parecía que para un cierto radio, el denominador del término se convertiría en cero, lo que haría que el término “explotara” matemáticamente. Este radio, conocido como radio de Schwartzchild , s , se define como:

s = 2 

GM / 

2

G es la constante gravitacional, M es la masa y c es la velocidad de la luz.

Dado que el trabajo de Schwartzchild resultó crucial para comprender los agujeros negros, es una extraña coincidencia que el nombre Schwartzchild se traduzca como “escudo negro”.

Propiedades del agujero negro

Un objeto cuya masa completa M se encuentra dentro de s se considera un agujero negro. Horizonte de eventos es el nombre que se le da a s , porque a partir de ese radio, la velocidad de escape de la gravedad del agujero negro es la velocidad de la luz. Los agujeros negros atraen masa a través de fuerzas gravitacionales, pero nada de esa masa puede escapar jamás.

Un agujero negro a menudo se explica en términos de un objeto o masa que “cae” en él.

Y los relojes X caen en un agujero negro

  • Y observa que los relojes idealizados en X se ralentizan y se congelan en el tiempo cuando X golpea s
  • Y observa la luz de X corrimiento al rojo, alcanzando el infinito en s (por lo tanto, X se vuelve invisible, pero de alguna manera todavía podemos ver sus relojes. ¿No es grandiosa la física teórica ?)
  • X percibe un cambio notable, en teoría, aunque una vez que cruza s es imposible que escape de la gravedad del agujero negro. (Incluso la luz no puede escapar del horizonte de sucesos).

Desarrollo de la teoría del agujero negro

En la década de 1920, los físicos Subrahmanyan Chandrasekhar dedujeron que cualquier estrella de más de 1,44 masas solares (el límite de Chadrasekhar ) debe colapsar bajo la relatividad general. El físico Arthur Eddington creía que algunas propiedades evitarían el colapso. Ambos tenían razón, a su manera.

Robert Oppenheimer predijo en 1939 que una estrella supermasiva podría colapsar, formando así una “estrella congelada” en la naturaleza, en lugar de solo en matemáticas. El colapso parecería ralentizarse, de hecho se congela en el tiempo en el punto en que cruza s . La luz de la estrella experimentaría un fuerte corrimiento al rojo en s .

Desafortunadamente, muchos físicos consideraron que esto era solo una característica de la naturaleza altamente simétrica de la métrica de Schwartzchild, creyendo que en la naturaleza tal colapso no se produciría debido a asimetrías.

No fue hasta 1967, casi 50 años después del descubrimiento de s , que los físicos Stephen Hawking y Roger Penrose demostraron que los agujeros negros no solo eran un resultado directo de la relatividad general, sino también que no había forma de detener tal colapso. . El descubrimiento de los púlsares apoyó esta teoría y, poco después, el físico John Wheeler acuñó el término “agujero negro” para el fenómeno en una conferencia del 29 de diciembre de 1967.

El trabajo posterior ha incluido el descubrimiento de la radiación de Hawking , en la que los agujeros negros pueden emitir radiación.

Especulación del agujero negro

Los agujeros negros son un campo que atrae a teóricos y experimentadores que quieren un desafío. Hoy en día existe un acuerdo casi universal de que existen los agujeros negros, aunque su naturaleza exacta todavía está en duda. Algunos creen que el material que cae en los agujeros negros puede reaparecer en algún otro lugar del universo, como en el caso de un agujero de gusano .

Una adición significativa a la teoría de los agujeros negros es la radiación de Hawking , desarrollada por el físico británico Stephen Hawking en 1974.