AGUJEROS NEGROS

¿ Qué es un agujero negro ?

¿ Que tamaño tiene un agujero negro ?

¿ Qué te pasaría si cayeras dentro de un agujero negro ?

Un amigo tuyo se encuentra a una distancia segura, y te ve caer en un agujero negro. ¿ Qué es lo que él ve ?

Si los agujeros negros existen, ¿ podrían absorber toda la materia del Universo ?

¿ Qué pasaría si el Sol se convirtiera en un agujero negro ?

¿ Hay evidencia acerca de la existencia de los agujeros negros ?

¿ Qué es un agujero blanco ?

¿ Qué es un agujero de gusano ?


¿Qué es un agujero negro ?

En pocas palabras, un agujero negro es una región del espacio con tanta concentración de materia y un campo gravitacional tan fuerte, que ni siquiera la luz puede salir de él. Dado que la mejor descripción de lo que es la gravedad la encontramos en la Teoría de la Relatividad de Einstein, debemos recurrir a ella para entender detalladamente qué son los agujeros negros. Pero vayamos despacio, y pensemos cómo la gravedad actúa bajo condiciones normales.

Supongamos que estás parado en la superficie de un planeta, y lanzas una piedra hacia arriba. Si no la lanzaste demasiado fuerte, llegará hasta una altura máxima, luego de la cual comenzará a caer debido a la acción de la gravedad. Pero si hubieras lanzado la piedra lo suficientemente fuerte, de forma que ésta pudiese escapar a la acción de la gravedad, continuaría subiendo indefinidamente. La velocidad necesaria para lograr que la piedra escape a la acción de la gravedad, se conoce con el nombre de "velocidad de fuga". Esta velocidad de fuga, está intimamente ligada a la masa del planeta; si el planeta es muy masivo, su gravedad será extremadamente fuerte, y su velocidad de fuga será muy elevada. Un planeta menos masivo, tendrá una velocidad de fuga menor. La velocidad de fuga depende también de la distancia a la que nos encontremos del centro del planeta; cuanto más cerca del centro estemos, mayor será la velocidad de fuga. La velocidad de fuga de la Tierra es de 11.2 Km. por segundo, mientras que en la Luna, la velocidad de fuga es de sólo 2.4 Km. por segundo.

Imaginemos ahora un objeto con una concentración tan enorme de materia en un radio tan reducido, que la velocidad de fuga se haga superior a la velocidad de la luz (300.000 Km. por segundo). Dada la imposibilidad de superar la velocidad de la luz, -según la Teoría de la Relatividad- nada puede escapar a un campo gravitacional tan intenso. Ni siquiera la luz misma.

La idea acerca de la existencia de un objeto que reuniera estas características, la formuló Laplace en el siglo XVIII. Casi inmediatamente después que Einstein desarrollara su Teoría de la Relatividad General en 1915, Karl Schwarzchild formuló una descripción matemática que responde al comportamiento de este tipo de fenómeno. Pero fue mucho después, con los trabajos de Oppenheimer, Volkoff y Snyder en los años 30', que se comenzó a tener en cuenta seriamente la posibilidad de que este tipo de objetos existan realmente en el Universo. Estos investigadores demostraron que cuando una estrella suficientemente masiva agota su fuente de energía, es incapaz de hacer frente a su propia gravedad, y colapsa transformándose en un agujero negro.

Según la Teoría de la Relatividad General, la gravedad es una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo. La masa de los objetos distorsiona el espacio y el tiempo, de forma tal que las leyes de la física clásica no sirven para describir lo que entonces sucede.

Cerca de un agujero negro, la distorsión espacio-temporal es demasiado fuerte, y hace que se cumplan extrañas propiedades alrededor del mismo. En particular, un agujero negro tiene lo que se denomina "horizonte de sucesos". Se trata de una superficie esférica que delimita el contorno del agujero negro. Se puede atravesar este horizonte, pero es imposible volver atrás. En efecto, una vez cruzado el horizonte, se es inexorablemente absorbido hacia la "singularidad" en el centro del agujero negro.

Pensemos en el horizonte de sucesos como el lugar en el que la velocidad de fuga se hace igual a la velocidad de la luz. Fuera del horizonte la velocidad de fuga es menor que la de la luz. Si tu nave espacial es lo suficientemente potente, podrás escapar. Pero si te encuentras dentro del horizonte, ya no importa qué tan potente sea tu nave... no escaparás.

El horizonte tiene algunas propiedades geométricas muy extrañas. Para un observador en reposo situado a una cierta distancia del agujero negro, el horizonte aparece como una estática superficie esférica. Pero a medida que éste se acerca al horizonte, se da cuenta que en realidad se mueve a una velocidad extraordinaria. De hecho, lo hace a la velocidad de la luz ! Esto explica por qué es tan fácil cruzar el horizonte si uno se dirige hacia adentro, y por qué es imposible volver a salir. Dado que en el horizonte la velocidad de fuga es igual a la de la luz, deberíamos superar la velocidad de la luz para poder salir... y ya dijimos que esto es imposible.

Si todo esto te resulta un poco extraño, no te preocupes. Es extraño ! El horizonte, en cierta forma, se encuentra en reposo y al mismo tiempo se mueve a la velocidad de la luz.

Una vez dentro del horizonte, el espacio-tiempo está tan distorsionado que las coordenadas que describen la distancia radial y el tiempo se invierten. Esto es, "r", la coordenada espacial que indica qué tan lejos estamos del centro, se transforma en una coordenada temporal y, a su vez, la coordenada temporal "t" se convierte en una coordenada espacial. Una de las consecuencias de todo esto, es que no podemos evitar movernos hacia valores cada vez más pequeños de "r", cuando en condiciones normales deberíamos movernos hacia valores cada vez más grandes de "t". Eventualmente, cuando "r" se haga igual a cero, nos encontraremos con la singularidad. Podrías intentar evitar esto dando toda la potencia a los motores de tu nave espacial, pero sería inútil; no importa en qué dirección vayas, no podrás evitar tu futuro.

El término agujero negro fue usado por primera vez por John Archibald Wheeler, y desde entonces se los denomina de esta manera. Anteriormente, se conocía a estos objetos con el nombre de "estrellas congeladas". Explicaré esto a continuación.

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¿Qué tamaño tiene un agujero negro ?

Existen dos formas para calcular el tamaño de un agujero negro: a través de su masa o del espacio que ocupa. Hablemos primero un poco sobre la masa de los agujeros negros.

En principio, no existe un límite en cuanto a la masa que un agujero negro pueda tener. Cualquier cantidad de materia puede dar lugar a un agujero negro si se la comprime lo suficiente. Se cree que la mayoría de los agujeros negros que se conocen actualmente se generaron a partir de la muerte de estrellas masivas. Una masa típica para este tipo de estrellas es de alrededor de 10 veces la masa del Sol, o sea 10^{31} Kg. (aquí usé notación científica: 10^{31} significa un 1 seguido de 31 ceros, o sea 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000). Los científicos creen también que algunas galaxias albergan agujeros negros en sus centros.

Cuanto más masivo es un agujero negro, más espacio ocupa. En efecto, el radio de Schwarzschild (el radio del horizonte) y la masa son directamente proporcionales. Un agujero negro con una masa igual a la del Sol, tendría un radio de unos 3 Km. Así, un agujero negro con una masa diez veces la del Sol, tendría un radio de unos 30 Km. El Sol, tiene un radio de unos 700,000 Km. y hoy se conocen agujeros negros super masivos con un radio igual a cuatro veces el del Sol.

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¿Qué te pasaría si cayéramos dentro de un agujero negro ?

Supongamos que estás dentro de tu nave espacial, y te diriges hacia el agujero negro que se encuentra en el centro de la galaxia (actualmente, hay varias controversias entre los científicos, sobre si en el centro de nuestra galaxia hay o no un agujero negro, pero asumamos que sea así por un momento). Aún lejos del agujero negro, apagas los motores y te dejas ir. Qué sucede ?

Al principio, no sentirás la acción de ninguna fuerza gravitacional en absoluto. Como si estuvieras en caída libre dentro de un ascensor, cada parte de tu cuerpo y de tu nave espacial se mueven en la misma dirección, y te sentirás muy liviano. Esto es exactamente lo que le sucede a los astronautas cuando están en órbita; al estar sus cuerpos y su nave espacial liberados de la gravedad terrestre, no sienten la acción de ninguna fuerza gravitacional, porque todo se mueve exactamente en el mismo sentido. A medida que te acerques más y más al agujero negro, comenzarás a sentir la acción de una gravedad de magnitudes monstruosas. Imagina que tus pies están más cerca del centro del agujero negro que tu cabeza. Recuerda que dijimos anteriormente que la gravedad aumenta en las inmediaciones del centro del agujero negro. De esta forma, tus pies sentirán una atracción gravitatoria hacia el centro mucho mayor que tu cabeza. Como resultado, te sentirás "estirado" como si se tratara de un elástico. Este efecto recibe el nombre de "tidal force", y se hace más y más intenso a medida que te acercas al centro del agujero negro, y terminará por despedazarte.

Para un agujero negro con las dimensiones del que debería tener el que está situado en el centro de la galaxia (unos 3 millones de Km. de radio aprox.), no sentirías el efecto de "tidal force" hasta que estés a unos 600.000 Km. de distancia del centro del agujero negro. Esto es después de haber cruzado el horizonte. Si cayeras en un agujero negro más pequeño, que tuviera una masa igual a la del Sol, el efecto "tidal force" comenzaría a ponerte incómodo a unos 6000 Km. de distancia del centro, y podrías volver atrás antes de cruzar el horizonte. Esta es la razón por la cual hemos decidido hacerte caer en un gran agujero negro en lugar de uno pequeño; deseamos que aún estés vivo por un momento después de haber cruzado el horizonte.

Qué es lo que ves mientras estás cayendo ? Sorprendentemente, no estarás viendo nada que sea particularmente interesante. Las imágenes de los objetos lejanos se distorsionan de una forma extraña, dado que la gravedad del agujero negro curva los rayos de luz. En particular, nada en especial sucede en el momento en el que cruzas el horizonte. Es más; una vez cruzado el horizonte, podrás seguir viendo las cosas que están fuera del mismo, porque la luz del exterior puede llegar hasta ti. Pero nadie que esté en el exterior podrá verte, por supuesto, dado que la luz no puede salir del horizonte.

Cuánto tiempo transcurre durante todo este proceso ? Bueno, esto depende desde que punto hayas comenzado. Digamos que has comenzado a una distancia de la singularidad igual a 10 radios del agujero negro. Entonces, para un agujero negro de 3 millones de Km. de radio, te llevará 8 minutos llegar al horizonte. Una vez cruzado éste, solo tendrás 7 segundos hasta llegar a la singularidad. Obviamente, estos tiempos son directamente proporcionales al tamaño del agujero negro, de modo que en uno más pequeño, tu muerte será mucho más rápida.

Una vez cruzado el horizonte, en los restantes 7 segundos, sientes pánico y enciendes tus motores a toda potencia para evitar la singularidad. Desafortunadamente, las coordenadas espacio-temporales se han invertido, y la singularidad es ahora parte de tu futuro. No hay manera de evitar el futuro. De hecho, cuanta más potencia des a tus motores, más rápido llegarás a la singularidad.

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Un amigo tuyo se encuentra a una distancia segura, y te ve caer en un agujero negro. ¿Qué es lo que él ve ?


Tu amigo ve las cosas de una manera muy distinta a la tuya. A medida que te acercas al horizonte, el te ve moverte cada vez más despacio. No importa cuán lejos él se encuentre, nunca te verá llegar al horizonte.

Supongamos que el agujero negro se ha formado a partir del colapso de una estrella. Así como la materia se colapsó para dar lugar al agujero negro, tu amigo te ve a ti hacerte más y más pequeño, casi llegar pero nunca alcanzar el radio de Shwarzschild. Este es el por qué los agujeros negros se conocían antes con el nombre de estrellas congeladas, pues toda su actividad parece congelarse a una distancia apenas por encima del radio de Schwarzschild.

Por qué él ve las cosas de este modo ? En realidad, es como si se tratara de una ilusión óptica. Sucede que a medida que te acercas al horizonte, la luz que emites tarda cada vez más en llegar a tu amigo como consecuencia del incremento de la velocidad de fuga, a raíz del inmenso campo gravitatorio. Hay un punto (cuando la velocidad de fuga iguala a la de la luz) en el que la luz queda atrapada en el horizonte, dando la sensación de estar congelada. Así, tu habrás cruzado el horizonte, pero tu amigo te verá congelado en un cierto punto indefinidamente.

Y hay más. El tiempo pasa mucho más lentamente en las cercanías del horizonte. De forma tal que si permanecieras un tiempo cerca del horizonte sin cruzarlo y luego volvieras con tu amigo, notarías que el tiempo ha pasado mucho más rápidamente para él.

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¿Si los agujeros negros existen, podrían absorber toda la materia del Universo ?


No. Un agujero negro tiene un horizonte, que delimita una región de la cual nada puede escapar. Si cruzas el horizonte, serás absorbido hacia la singularidad. Mientras estés del otro lado del horizonte, podrás evitarlo. De hecho, para cualquiera que esté del lado de afuera del horizonte, el efecto de la gravedad no es distinto al de cualquier otro planeta o estrella de la misma masa.

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¿Qué pasaría si el Sol se convirtiera en un agujero negro ?

Primero deja que te aclare que el Sol no tiene ninguna intención de hacer algo parecido. Sólo las estrellas con una masa considerablemente superior a la del Sol terminan sus vidas en forma de agujero negro. El Sol continuará siendo lo que es por al menos unos 5.000 millones de años más. Después, se transformará en una "gigante roja", engullendo a Mercurio y a Venus, y haciendo que la vida sea bastante incómoda en la Tierra (los océanos se evaporarán, la atmósfera desaparecerá, y ese tipo de cosas). Luego, el Sol terminará su vida como una "enana blanca". Si fuera tu, iría pensando adónde ir para ese entonces.

Pero divaguemos. Qué pasaría si el Sol se convirtiera en un agujero negro por algún motivo ? El mayor problema es que por aquí todo se pondría muy frío y oscuro. A pesar de ello, la Tierra y demás planetas no serían absorbidos por el agujero negro, sino que continuarían sus órbitas normales como lo hacen hoy día. Por que ? Porque aunque el horizonte de este agujero negro sería muy pequeño -unos 3 Km.- , la masa continuaría siendo la misma, por lo tanto la gravedad no sería mayor a la que el Sol nos afecta actualmente.

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¿Hay evidencia acerca de la existencia de los agujeros negros ?

Sí. No se puede ver directamente un agujero negro, dado que la luz nunca puede pasar el horizonte de sucesos o radio de Schwarzschild. Esto significa que debemos remitirnos a otro tipo de pruebas para constatar la existencia de los agujeros negros.

Supongamos que has encontrado una región del espacio donde piensas que puede haber un agujero negro. Cómo puedes estar seguro de si está o no realmente ahí ? Lo primero que podrías hacer, es medir cuánta masa hay en esa región. Si encuentras que hay una gran cantidad de masa concentrada en un pequeño espacio, y ese espacio está oscuro, lo más probable es que se trate de un agujero negro. Hay dos tipos de sistemas en los que los astrónomos han hallado objetos negros, masivos y compactos: los centros de algunas galaxias (incluyendo nuestra Vía Láctea) y en sistemas binarios emisores de rayos x.

De acuerdo con algunos descubrimientos recientes (1995, Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics), han sido observadas hasta el momento ocho galaxias que podrían contener un agujero negro en su centro. La masa de dichos objetos varían en un rango que va desde el millón a varios miles de millones de veces la masa del Sol. La masa se mide calculando la velocidad a la que las estrellas y el gas orbitan alrededor del centro de la galaxia; a mayor velocidad orbital, mayor fuerza gravitacional. Este es el método usado en astronomía para medir la masa de los cuerpos, y por el cual conocemos, por ejemplo, la masa del Sol.

Estos objetos masivos oscuros en el centro de las galaxias parecen ser agujeros negros por al menos dos razones. Primero, porque difícilmente sean otra cosa; son demasiado densos y oscuros para ser estrellas o remanentes de estrellas. Segundo, esto explicaría la existencia de unos enigmáticos objetos llamados quásars, que no serían otra cosa que galaxias con agujeros negros en su centro.

Una clase completamente diferente de agujeros negros la podemos encontrar en nuestra galaxia. Estos son más livianos, con una masa comparable a la de cualquier estrella, originados cuando una estrella termina su vida explotando como supernova.

Por otro lado, las estrellas pueden presentarse también como sistemas binarios, esto es, dos estrellas, girando una alrededor de la otra. Cuando una de esas estrellas colapsa y se transforma en un agujero negro, entonces resulta fácil detectarlos. En un sistema binario compuesto por una estrella y un agujero negro, podemos ver como gran cantidad de materia gaseosa de la estrella es absorbida en forma de enormes espirales hacia el centro del agujero negro.

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¿Qué es un agujero blanco ?

Las ecuaciones de la Teoría General de la Relatividad, tienen una interesante propiedad matemática: son simétricas en el tiempo. Esto significa que por cada solución a una ecuación, existe un resultado positivo y uno negativo. Aplicando estas ecuaciones al comportamiento de los agujeros negros, nos encontramos con algo que vendría a ser un agujero blanco. Si un agujero negro es una región del espacio de la cual nada puede escapar, la solución inversa y simétrica sería una región del espacio en la cual nada puede penetrar. De hecho, así como los agujeros negros sólo pueden atraer materia hacia su interior, los agujeros blancos sólo podrían escupir materia hacia el exterior.

Los agujeros blancos son una solución matemática válida a las ecuaciones de la Relatividad General, pero eso no quiere decir que existan. En efecto, probablemente no existan, ya que no hay manera de producirlos. Producir un agujero blanco sería tan imposible como querer destruir un agujero negro.

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¿Qué es un agujero de gusano ?

Hasta ahora, solo hemos considerado agujeros negros ordinarios. Es decir, no hemos considerado el papel que juegan la carga eléctrica y la rotación del agujero negro sobre sí mismo. Ahora las cosas se complican un poco. Particularmente, porque es entonces posible caer en un agujero negro y no llegar a la singularidad. En efecto, el interior de un agujero negro cargado eléctricamente y en rotación, podría estar unido a un agujero blanco, de forma que al ser absorbido por el agujero negro, uno sea automáticamente expulsado por un agujero blanco. Esta combinación agujero negro - agujero blanco se denomina agujero de gusano.

El agujero blanco podría llegar a estar muy lejos del agujero negro; de hecho, podría llegar a no pertenecer a nuestro Universo, sino a un Universo paralelo (esto es, una región del espacio que, de no ser por el agujero de gusano, está completamente desconectada de nuestro espacio conocido).

Así, un agujero de gusano podría proveernos la forma de cubrir enormes distancias en forma rápida, o incluso ser la puerta de entrada a otro Universo. O podría tratarse incluso de una regresión en el tiempo. Qué lindo suena todo esto, verdad ?

Pero bajemos a la Tierra. A esta altura, ya hay cosas que deberías saber. Los agujeros de gusano muy probablemente no existan. Como hemos dicho antes, que algo sea válido matemáticamente, no significa que necesariamente deba existir.

Así que si te caes en un agujero negro, lo más probable no es que salgas expulsado a otra parte, sino que llegues a la singularidad, y ahí termine todo.

De todas formas, si existiera una agujero de gusano, éste no sería muy estable, y la menor perturbación provocaría su colapso.

Pero suponiendo que fueran estables,aún así sería prácticamente imposible viajar a través de ellos. La radiación generada por los mismos (rayos x, rayos gamma, microondas, etc.) terminarían friéndonos como un huevo.

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Esta secció dedicada als forats negres ha sigut extreta íntegrament de la pàgina Web d'un altre estudiant de la Universitat de València, el qual senyala al final d'aquesta que "La mayor parte de este texto ha sido extraído de una página personal que encontré buscando información sobre este tema, mi trabajo ha sido recopilarlo en esta página retocando un poco el contenido y añadiendo información que creía interesante.". Els meus agraïments per tant al seu autor, la pàgina web del qual és: http://mural.uv.es/juangar/htm/agujeros.htm