AGUJEROS NEGROS: singularidades en el universo

Desde los 8 años me he fascinado con la astronomía, la física y la cosmología y desde entonces he sido autodidacta y aficionada al tema. En el año 2000, como parte del grupo Centauri del Departamento de Física y Astrofísica de la Universidad de La Serena preparé, investigué y expuse en el II congreso Nacional de Astronomía en Copiapó. He acá el tema de mi investigación, los apasionantes agujeros negros que son, sin duda, mi mayor fascinación en el tema.

Hace unos trescientos años aproximadamente, Isaac Newton sugería que la luz se comportaba como un conjunto de partículas y luego Huygens afirmaba que ésta tenía las características de una onda. Hoy sabemos que ambas posturas son correctas y en base a esta dualidad, se empezó a cuestionar la siguiente situación: ¿si la luz se desplaza como una onda, cuánto puede afectar la gravedad el desplazamiento del haz luminoso, sabiendo que éste viaja a una velocidad finita?

Teniendo en cuenta esta interrogante, John Michell señaló que una estrella lo suficientemente masiva y compacta tendría un campo gravitatorio tan intenso, cuya velocidad de escape superaría a la velocidad de la luz, y por ende ésta no podría escapar, convirtiéndose en un cuerpo oscuro y de gran atracción gravitatoria: los agujeros negros.

Cabe mencionar que la idea de la existencia de un cuerpo muy masivo la sugirió por primera vez el francés Laplace, en el siglo XVIII, pero no fue hasta 1969 que John Wheeler pudo dar una descripción gráfica de estos colosos cósmicos. Los llamados agujeros negros, si bien no se han podido observar directamente, sí han podido ser comprobados los efectos que producen en cuerpos cercanos a él.

Pensando en el interés y misterio que despiertan estas regiones oscuras del universo, se pretende dar una visión global con el fin de lograr un mejor entendimiento acerca de los sucesos que dentro de ellos ocurren y un mayor aprendizaje acerca de los misterios que rodean a los enigmáticos “black holes”.

¿QUÉ SON Y CÓMO SE FORMAN LOS AGUJEROS NEGROS?

Las estrellas al agotar su combustible (el que produce brillo y calor en la estrella), es decir al cesar la conversión de Hidrógeno a Helio y de éste a Oxígeno y finalmente Hierro, llega un momento en que el calor producido por las reacciones nucleares se hace poco para mantener la dilatación de la estrella y compensar la gravedad de ésta. Entonces la estrella se colapsa, aumenta su densidad la que sólo podrá ser frenada por la repulsión entre las capas electrónicas de los átomos, pero si la masa de la estrella es de tres a seis masas solares, vencerá a la repulsión de capas electrónicas y tanto sus electrones como protones se fusionarán formando un núcleo de neutrones, convirtiéndose en una estrella de neutrones.

La velocidad de los electrones tiene límite: la velocidad de la luz y si la estrella exige, para mantener su equilibrio, una velocidad mayor a éstos, el colapso de los neutrones es inminente. Como no existe ninguna fuerza capaz de frenar esta fusión de neutrones, el colapso sigue aumentando y con ello su gravedad hasta llegar a un punto de densidad infinita y cuya velocidad de escape supera el radio crítico, por lo que ni la luz puede escapar y por lo tanto no podremos verlo, pero sí detectar los efectos que produce. Son los agujeros negros.

Luego de experimentar la explosión como una Supernova tipo I, debido a la masa de la estrella inicial (7 o más soles) se desprende material al espacio, pero el núcleo tendrá que soportar las reacciones entre las partículas cuyo límite, como se mencionó, es el de la velocidad de la luz. Si el núcleo de la estrella tiene una masa igual o superior a 1,5 de la masa solar, no podrá soportar su gravedad y continuará comprimiéndose hasta convertirse en un agujero negro. A esta masa límite se le conoce como el “Límite de Chandrasekhar”. A continuación se observa un esquema comparativo en cuanto a la deformación espacial que producen cuerpos de masas diferentes y el comportamiento de la luz en torno a ello.

ANATOMÍA DE LOS AGUJEROS NEGROS

Pese a ser cuerpos que se comportan con leyes físicas desconocidas para el hombre, además de ser regiones del espacio – tiempo que rompen con los parámetros y dimensiones conocidas, son cuerpos y por ende materia que ocupa gran parte del espacio deuniverso (90 % de materia oscura, en la que se incluyen). Como todos los cuerpos, sin importar tamaño y composición, tienen su estructura; y la naturaleza de los agujeros negros indica dos características exclusivas de ellos:

Horizonte de sucesos o Radio de Schwarzschild: Así podemos denominar al círculo que bordea al black hole, donde se pueden observar los últimos y débiles haces luminosos, aquellos que tratan de escapar pero no lo consiguen. Más allá del horizonte de sucesos nada puede escapar y se pierden en una singularidad que rompe los ejes del espacio y del tiempo. Al lado del agujero negro, la fuerza de gravedad es tan inmensa que produce una inestabilidad donde se concentra la energía de tal manera que es capaz de producir, simultáneamente, partículas y antipartículas que se aniquilan rápidamente, produciendo elevadas tº en la zona, como la energía resultante de esta acción.

Singularidad: El centro del agujero contiene toda la masa de la estrella muerta. Incapaz de soportar la enorme gravedad, la estrella se comprime hasta llegar a un punto de infinita densidad que, prácticamente, no ocupa espacio: es la singularidad. Si la estrella que sufre la compresión no gira, la gravedad comprime la materia en forma simétrica (un punto); pero, si el objeto gira, las fuerzas de rotación lo ensancharán y adquirirá una forma de anillo, que se irá adelgazando infinitesimalmente. Todos los agujeros negros tienen una singularidad en su centro.

TIPOS DE AGUJEROS NEGROS

Existen dos tipos: estelares (producto del colapso gravitatorio de una estrella) y galácticos (aquellos surgidos en los inicios del universo y que son los núcleos de los cuásares). De ellos, subdividimos a los siguientes: estacionarios, giratorios, con carga eléctrica, supermasivos, explosivos y constructivos.

Agujeros Negros Estacionarios o de Schwarzschild: No tienen ni giro ni carga, consisten en una singularidad rodeada por un horizonte de sucesos. Todo lo que cruce el horizonte, será forzado a la singularidad.

Agujeros Negros Giratorios o de Kerr: La singularidad tiene forma de anillo y está rodeada por dos horizontes de sucesos. Hacia el interior del horizonte externo está la ergósfera (región que tiende a arrastrar la materia hacia adentro, y que además, actúa como remolino cósmico) y hacia fuera el límite estático.En estos hoyos negros, una estrella masiva acaba su vida como un agujero que gira velozmente, lo que produce un disco de gas caliente a su alrededor, el cual al girar, permite que las corrientes eléctricas fluyan, actuando como un electroimán que genera campos magnéticos. Sus diferentes regiones están separadas por el límite estático y los horizontes de sucesos externo e interno.

Agujeros Negros con Carga Eléctrica o de Reissner – Nordstrom: Son agujeros con carga eléctrica, pero sin giro. Tienen dos horizontes de sucesos y la región entre ambos es una zona de sentido único, en la que la materia sólo puede moverse hacia adentro. Una vez traspasado el horizonte interno, la materia no es aspirada hacia la singularidad.

Agujeros Negros Supermasivos: Este tipo de coloso cósmico se ubica al centro de los cuásares, actuando como un enorme motor. Son éstos, los que permiten percibir, a distancias de miles de millones de años luz, la existencia de estas galaxias jóvenes y activas, que emiten chorros de gas, energía y radiación, producto de una inmensa fuente de energía en su núcleo.

Agujeros Negros Explosivos: Aquellos que pueden brillar intensamente, encoger y explotar. Propuestos por S. Hawking y demostrando que el campo gravitatorio alrededor del agujero negro emite energía, "desaguando” hacia fuera energía y masa del hoyo negro, en lo que se conoce como “radiación de Hawking”. Pero, esta radiación propuesta por el físico es despreciable en los agujeros grandes, pero los muy pequeños radian energía en gran cantidad hasta explotar. Estos “miniagujeros”, tendrían la masa de una montaña y el tamaño de un núcleo atómico.

Todos los agujeros negros se evaporan, pero los más grandes se consumen lentamente, y su radiación es tan débil como indetectable. A medida que empequeñecen, el proceso se va acelerando y el agujero acaba por consumirse. En esta disminución, las paredes del pozo se pronuncian cada vez más, hay una mayor liberación de masa y energía, y el cambio de tamaño incrementa la evaporación, el halo de partículas liberándose se hace cada vez más caliente y brillante hasta llegar al cuatrillón de grado celsius donde el agujero explotará en una millonésima de segundo con una energía equivalente a mil millones de bombas de hidrógeno.

Agujeros Negros Constructivos: Propuestos por S. Hawking, en su teoría de “La Espuma Cósmica”, la que plantea dos posibles formas de nacimiento de un universo. Uno de los planteamientos sugiere que la materia que desaparece en un agujero negro, en base a la ley de conservación de la masa “nada se pierde y nada se crea, todo se transforma”, puede brotar al fondo de éste, engendrando un universo nuevo y muy diferente a su antecesor.

Agujeros Negros no Puntuales: Si imaginamos un agujero negro donde traspasado su horizonte de sucesos, donde el tiempo se pueda frenar tanto en el límite como en su área interior, de manera que se pueda detener la calidad de curvatura y densidad infinitas que caracterizan a la singularidad. De ser así lograríamos tener un agujero negro que iría implosionando la fusión de neutrones y la situación de “tiempo detenido” estaría en el centro de la estrella muerta, impidiendo la concentración de más materia en ese punto. La situación se iría dando capa a capa, desde el núcleo hacia el horizonte de sucesos y permitiendo la distribución de densidades en forma homogénea, de tal manera que se haga sólido en toda su extensión, sin singularidad.

AGUJEROS BLANCOS

Pese a que jamás se ha detectado alguno, se cree que se asemejarían a un faro brillante y en apariencia, una fuente inagotable de materia y energía.

Pero, ¿existen en nuestro universo agujeros blancos que proyectan la mezcla de materiales de un agujero negro que pertenece a otro universo? Lo más probable es que la masa y energía expulsada del agujero negro se concentraría en un punto, formando un agujero blanco que, con tal cantidad de materia, se concentraría por su propia gravedad y colapsaría en un nuevo agujero negro que engulliría al agujero blanco, autodestruyéndose.

SINGULARIDADES DESNUDAS Y SINGULARIDADES

Los agujeros negros, tras su horizonte de sucesos esconden su “singularidad”, pero en determinadas situaciones se puede formar un agujero negro sin este horizonte de eventos, lo que haría visible a la singularidad. Pero, como tienen densidad infinita, las leyes de nuestra física allí no rigen, entonces, sin este límite, no existe una protección para el universo que circunda a los agujeros negros desnudos, lo que sería catastrófico para los futuros exploradores que intenten acercarse a ellos e investigarlos.

Roger Penrose, quien demostró esta teoría, propuso además la teoría de un “censor cósmico”, que sea capaz de verificar que las singularidades estén “decentemente vestidas” por un horizonte de eventos, separándolas de nuestro universo.

AGUJEROS DE GUSANO

El riesgo de “espaguetización” que se sufre al acercarse a un black hole, producto de la diferencia de gravedad que rige en los pies y en la cabeza, produce un alargamiento del objeto que va cayendo, cada vez mayor, hasta desintegrarlo. Además la imposibilidad de salir de él, hace imposible que intentemos viajar hacia uno de ellos. Agregamos a ello, que el túnel que conecta al agujero negro con otro universo se abre sólo un instante y luego colapsa, incluso de manera prematura frente a alguna perturbación,de manera que perderíamos el rumbo por toda la eternidad, sin saber adónde vamos y adónde estamos.

Teóricamente se barajan algunas alternativas para solucionar este último punto, una de ellas es el uso de la antigravedad que crearía un agujero de gusano. Al contrario del horizonte de sucesos, el agujero de gusano permitiría viajar en ambos sentidos, entrar y salir hacia y desde otros universos, conectándolos y sirviendo como atajo seguro entre dos regiones distantes de un universo curvado.

Ahora, ¿cómo se puede mantener abierta la boca de un agujero de gusano?, Kip Thorne, creador de esta teoría, explica que para mantener la estabilidad del túnel, se deben reforzar las paredes y evitar que ambos extremos se cierren, para ello, debe existir un material especial que ejerza un empuje sobre las paredes. Ese material no debe estar sometido a la gravedad, sino a su opuesto: la antigravedad, que tienda a alejar las cosas.

Si pudiésemos viajar a través de ellos en poco tiempo a distintas regiones, significa que iríamos más rápidos que la luz y, según Einstein esto significaría que retrocederíamos en el tiempo, así estos agujeros podrían ser las puertas de entrada hacia el pasado.

La relatividad nos dice que cuánto más rápido viaja un objeto, más lento parece avanzar el tiempo, este efecto se conoce como la “dilatación del tiempo”.

Ejemplo: Ana y Karen tiene 30 años y el tiempo transcurre igual para ellas en la tierra, pero Ana es astronauta y va en una nave que alcanza el 98% de la velocidad de la luz (294.000 km/seg), para ella el tiempo transcurre lentamente (supongamos 5 años de ida, 5 años de vuelta), para luego regresar a la tierra, la sorpresa será que Karen, su gemela, tendrá 80 años, mientras que Ana sólo tendrá 40. Esto se conoce como “la paradoja de las gemelas”.

Si combinamos esta paradoja con un agujero de gusano, se podría crear una máquina del tiempo que nos permitiera viajar a través de él en ambos sentidos. Kip Thorne sugiere que se podría sujetar un extremo a una nave que alcance alta velocidad espacial, y el otro en la tierra. En el ejemplo de las gemelas, la nave tarda en regresar 50 años terrestres y 10 años en la nave, así el agujero de gusano uniría a la tierra con la nave con una antelación de 40 años. Es decir, un hombre de cuarenta años podría volver a su propio nacimiento, viajando a través de él.

ESPEJISMOS Y ARRUGAS

Los agujeros negros funcionan como un lente y su efecto principal es hacer que una estrella que se ubique atrás de él, parezca más brillante. Por otro lado, la distorsión del espacio en las proximidades de una galaxia actúa como un lente gigante que hace divergir la luz que nos llega de ella, pareciendo un espejo que multiplica la imagen, en vez de conservar una sola. Son los conocidos “espejismos galácticos”. Pero ¿porqué se producen estos espejismos cósmicos? La t. de la relatividad afirma que cuando un haz de luz pasa cerca de un objeto de mucha masa, como el sol, se dobla. El agujero negro, no sólo tiene una masa mucho mayor, sino que, además tiene una enorme gravedad, lo que hace desviar y concentrar la luz en otra estrella u objeto lejano, haciéndolo más brillante. Otra forma de detectar a los agujeros negros son las llamadas “arrugas”.

Si, por ejemplo tenemos un sistema binario formado por dos agujeros negros, éstos orbitan uno alrededor del otro (siempre y cuando sean de masas y gravedad equivalentes), lo que origina ondas gravitatorias que se propagan por el espacio. A medida que los agujeros emiten estas ondas al espacio, giran en espiral y se aproximan cada vez más, lo que hace aumentar el número de ondas emitidas, hasta fusionarse. Así tenemos los siguientes pasos:

- Las arrugas son originadas por cuerpos masivos (agujeros o púlsares), que orbitan uno alrededor de otro. También pueden ser producidas por explosiones de supernovas o fusión de dos estrellas de neutrones.

- Las arrugas del espacio se propagan desde su origen a la velocidad de la luz.

- Las ondas gravitatorias causan distorsión en la forma del espacio, así como las olas afectan al mar.

- El objeto, por muy masivo que sea, será afectado por la onda, encogiendo o estirando, aunque sea mínimo su efecto.

Estas ondas son vibraciones en el tejido del espacio originadas por cuerpos masivos. Aún no se han detectado, pero Albert Einstein las explicó en su Relatividad General; en teoría deben ser capaces de estirar y encoger los objetos por los cuales pasen, aunque sean muy difíciles de detectar, debido a la sensibilidad que se requiere para ello.

CONCLUSIÓN

Generalmente cuando se habla de astronomía, se relaciona a ésta inmediatamente con el sistema solar, las galaxias y las estrellas visibles y, si bien es cierto que en ella se incluye su estudio, no se mencionan mayormente a las radiogalaxias, los cuásares, los agujeros negros o las estrellas de neutrones y, mucho menos, los complejos procesos que en ellos ocurren.

Esto ocurre debido al casi nulo conocimiento acerca de las características y evolución de estos cuerpos por parte del público en general, los que, a su vez, son una fuente inagotable de misterios, que han provocado años de investigación científica, cientos de ecuaciones, teorías y enigmas cada vez más inexplicables para quienes los estudian y conocen más acerca de ellos.

En base a esta problemática, es que se ha querido dar una visión general acerca de uno de los enigmas más grandes para la ciencia y lograr tener un mayor entendimiento acerca de los agujeros negros y los fenómenos que traen consigo. No es fácil entender los procesos físicos conocidos que en ellos ocurren, y, más aún aquellos que suponemos basándonos en teorías y ecuaciones matemáticas, acerca de lo que se supone sucede en su interior. Tampoco es fácil entender fenómenos como la aniquilación de partículas en su región exterior, los agujeros de gusano, las singularidades o los espejismos y arrugas en el espacio, entre otros tópicos a ver, pero es imposible hablar de agujeros negros y no hablar de los temas ya mencionados, porque en conjunto han sido la fuente inagotable de inspiración para el estudio de uno de los más grandes enigmas que el universo ha creado (siempre y cuando éstos sean parte de nuestro universo) ¿quién sabe?.

Fuentes:
Deborah Dultzin – Hacyan & Shahen Hacyan “TEMAS SELECTOS DE ASTROFÍSICA”

Hawking, Stephen “A BRIEF HISTORY OF TIME, From the Big Bang to Black Holes”
“HISTORIA DEL UNIVERSO” , Publicado por Diario La Tercerawww.geocities.com/capecanaveral
Becklake, Sue, “LIBRO OFICIAL DEL ESPACIO”