Cómo funcionan los agujeros negros

UNO Calabozo es lo que queda cuando muere una estrella masiva.

Si has leído Cómo funcionan las estrellas, sabes que una estrella es enorme, increíble reactor de fusión. Dado que las estrellas son tan masivas y están hechas de gas, existe un campo gravitacional intenso que siempre intenta colapsar la estrella. Las reacciones de fusión que tienen lugar en el núcleo son como una bomba de fusión gigante que intenta detonar la estrella. LA equilibrado entre las fuerzas gravitacionales y explosivas es lo que define el tamaño de la estrella.

Cuando la estrella muere, las reacciones de fusión nuclear se detienen porque se quema el combustible para esas reacciones. Al mismo tiempo, la gravedad de la estrella atrae materia y comprime el núcleo. A medida que el núcleo se comprime, se calienta y eventualmente crea una explosión de supernova en la que el material y la radiación explotan en el espacio. Lo que queda es el núcleo altamente comprimido y extremadamente masivo. La gravedad del núcleo es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar.

Este objeto ahora es un agujero negro y literalmente desaparece de la vista. Debido a que la gravedad del núcleo es tan fuerte, el núcleo se hunde a través del tejido del espacio-tiempo, creando un agujero en el espacio-tiempo; por eso el objeto se llama Calabozo.

El núcleo se convierte en la parte central del agujero negro llamado singularidad. La apertura del agujero se llama Horizonte de eventos.

Puede pensar en el horizonte de sucesos como la boca del agujero negro. Después de que algo excede el horizonte de eventos, desaparece para siempre. Una vez dentro del horizonte de eventos, todos los “eventos” (puntos en el espacio-tiempo) se detienen y nada (ni siquiera la luz) puede escapar. El radio del horizonte de eventos se llama Radio de Schwarzschild, en honor al astrónomo Karl Schwarzschild, cuyo trabajo condujo a la teoría de los agujeros negros.

El concepto artístico de un agujero negro y su entorno: el círculo ennegrecido es el horizonte de sucesos y la región en forma de huevo es la ergosfera.

Foto cortesía de NASA.

Hay dos tipos de agujeros negros:

LA Schwarzschild El agujero negro es el agujero negro más simple, en el que el núcleo no gira. Este tipo de agujero negro tiene solo una singularidad y un horizonte de eventos.

LA Kerr el agujero negro, que es probablemente la forma más común en la naturaleza, gira porque la estrella a partir de la cual se formó ha girado. Cuando la estrella en rotación colapsa, el núcleo continúa girando y esto se transfiere al agujero negro (conservación del momento angular) El agujero negro de Kerr consta de las siguientes partes:

Si un objeto pasa por el archivo ergosfera todavía puede ser expulsado del agujero negro ganando energía al girar el agujero.

Sin embargo, si un objeto cruza el Horizonte de eventos, será succionado por el agujero negro y nunca escapará. Se desconoce lo que sucede dentro del agujero negro; incluso nuestras teorías de la física actuales no se aplican a la vecindad de una singularidad.

Aunque no podemos ver un agujero negro, tiene tres propiedades que pueden o pueden medirse:

Por ahora, podemos medir con seguridad la masa del agujero negro solo por el movimiento de otros objetos a su alrededor. Si un agujero negro tiene un compañero (otra estrella o un disco de materia), es posible medir el radio de rotación o la velocidad de la órbita del material alrededor del agujero negro invisible. La masa del agujero negro se puede calcular utilizando la tercera ley modificada de Kepler del movimiento planetario o rotacional.

Imagen del telescopio espacial Hubble del NGC 4261 Galaxy Core

Foto cortesía de NASA / Space Telescope Science Institute. Crédito: L. Ferrarese (Universidad Johns Hopkins) y NASA

Aunque no podemos ver los agujeros negros, podemos detectar o adivinar la presencia de un agujero midiendo sus efectos en los objetos circundantes. Se pueden utilizar los siguientes efectos:

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Muchos agujeros negros tienen objetos a su alrededor y, al observar el comportamiento de los objetos, es posible detectar la presencia de un agujero negro. Luego, use medidas del movimiento de objetos alrededor de un agujero negro sospechoso para calcular la masa del agujero negro.

Lo que buscas es una estrella o un disco de gas que se comporte como si hubiera una gran masa cerca. Por ejemplo, si una estrella o disco de gas visible tiene un movimiento “centelleante” o giratorio Y no hay una razón visible para ese movimiento Y el patrón invisible tiene un efecto que parece ser causado por un objeto con una masa superior a tres masas (demasiado grandes para ser una estrella de neutrones), por lo que es posible que un agujero negro esté en el origen del movimiento. Luego, estimará la masa del agujero negro observando el efecto que tiene sobre el objeto visible.

Por ejemplo, en el núcleo de la galaxia NGC 4261, hay un disco marrón en forma de espiral que gira. El disco tiene aproximadamente el tamaño de nuestro sistema solar, pero pesa 1.200 millones de veces más que el sol. Una masa tan masiva para un disco puede indicar que hay un agujero negro en el disco.

Lente de gravedad

La teoría de la relatividad general de Einstein predice que la gravedad puede doblar el espacio. Esto se confirmó más tarde durante un eclipse solar, cuando se midió la posición de una estrella antes, durante y después del eclipse. La posición de la estrella ha cambiado porque la luz de la estrella se ha duplicado por la gravedad del sol. Por lo tanto, un objeto con una gravedad inmensa (como una galaxia o un agujero negro) entre la Tierra y un objeto distante podría desviar la luz del objeto distante hacia un foco, muy parecido a una lente. Este efecto se puede ver en la imagen de abajo.

Estas imágenes muestran el brillo del MACHO-96-BL5 de los telescopios terrestres (a la izquierda) y el Telescopio Espacial Hubble (a la derecha).

Foto cortesía de NASA / Space Telescope Science Institute. Crédito: NASA y Dave Bennett (Universidad de Notre Dame)

En la foto, el brillo del MACHO-96-BL5 se produjo cuando un lente gravitacional pasó entre él y la Tierra. Cuando el telescopio espacial Hubble miró el objeto, vio dos imágenes de primer plano del objeto, lo que indica un efecto de lente gravitacional. El objeto intermedio era invisible. Por lo tanto, se concluyó que un agujero negro pasó entre la Tierra y el objeto.

Radiación emitida

Cuando el material cae en un agujero negro de una estrella compañera, se calienta a millones de Kelvin y se acelera. Los materiales sobrecalentados emiten rayos X, que pueden ser detectados por telescopios de rayos X, como el Observatorio de rayos X Chandra en órbita.

La estrella Cygnus X-1 es una poderosa fuente de rayos X y se considera un buen candidato para un agujero negro. Como se muestra arriba, los vientos estelares de la estrella compañera, HDE 226868, soplan materia en el disco de acreción alrededor del agujero negro. Cuando este material cae en el agujero negro, emite rayos X, como se muestra en esta imagen:

Imagen de rayos X de Cygnus X-1 tomada desde el Observatorio de rayos X Chandra en órbita

Foto cortesía de NASA / CXC

Además de los rayos X, los agujeros negros también pueden expulsar materiales a alta velocidad para formar chorros. Se han observado muchas galaxias con tales chorros. Actualmente, se cree que estas galaxias tienen agujeros negros supermasivos (miles de millones de masas solares) en su centro que producen chorros y fuertes emisiones de radio. Un ejemplo es la galaxia M87, como se muestra a continuación:

Es importante recordar que los agujeros negros no son aspiradoras cósmicas, no consumirán todo. Por lo tanto, aunque no podemos ver los agujeros negros, hay evidencia indirecta de que existen. Se han asociado con viajes en el tiempo y agujeros de gusano y siguen siendo objetos fascinantes en el universo.

Publicado originalmente: 26 de noviembre de 2006