Agujero negro para niños

Primera imagen real en la historia de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87, presentado el 10 de abril de 2019 por el consorcio internacional Telescopio del horizonte de sucesos.

Un agujero negro es una región del espacio donde la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. Aunque no se puede ver directamente, en 2019, el Telescopio del Horizonte de Sucesos mostró la primera imagen de un agujero negro en la galaxia M87. Los agujeros negros pueden emitir una radiación llamada radiación de Hawking, pero esto es complicado. La gravedad de los agujeros negros atrae gas y lo calienta mucho. En 2016, se detectaron ondas gravitacionales de dos agujeros negros fusionándose a una distancia muy lejana de la Tierra.

Proceso de formación

Un protón y un electrón se aniquilan emitiendo un neutrón y un neutrino-electrón

Los agujeros negros se forman cuando una estrella muy grande, llamada gigante roja, se "muere" porque ya no tiene energía. Después de vivir muchos años, la estrella se convierte en una enana blanca, y si sigue adelante, la gravedad la aprieta tanto que se convierte en un agujero negro. Este agujero negro tiene una gravedad tan fuerte que ni la luz puede escapar de él. Así que, en resumen, un agujero negro es una estrella que se ha comprimido tanto por la gravedad que ha creado un lugar donde nada puede escapar.Los electrones en órbita se acercan cada vez más al núcleo atómico y acaban fusionándose con los protones, formando más neutrones mediante el proceso:

Cuando una estrella grande pasa por un proceso especial, emite muchos neutrinos. Al final, se convierte en una estrella de neutrones. Si la estrella es muy masiva, la gravedad aumenta mucho y los átomos se aprietan tanto que las partículas de neutrones se aplastan más. Esto crea un agujero negro, que es una parte del espacio donde nada puede escapar, ni siquiera la luz. Todavía no sabemos qué pasa con la materia que entra en el agujero negro, porque es un misterio que los científicos aún están tratando de entender.

Historia

Imágenes de M87 realizadas por Event Horizon Telescope el 11 de abril de 2017 anteriores a su presentación de 2019

En 1783, John Michell describió un cuerpo tan denso que la luz no podía escapar de él. En 1796, Pierre-Simon Laplace presentó una idea similar, pero se descartó más tarde. En 1915, Albert Einstein mostró que la luz puede ser afectada por la gravedad, y Karl Schwarzschild encontró la solución matemática para un cuerpo que absorbía luz, ahora conocido como el radio de Schwarzschild. En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró que una estrella con cierta masa podría colapsar en un agujero negro. La idea fue popularizada por Robert Oppenheimer en 1939 y en 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose confirmaron que los agujeros negros eran posibles. En 1969, John Wheeler acuñó el término "agujero negro". En 2019, el Telescopio del Horizonte de Sucesos mostró la primera imagen de un agujero negro en la galaxia M87.

Clasificación teórica

Simulación de lente gravitacional por un agujero negro que distorsiona la luz proveniente de una galaxia en el fondo

Según su origen, teóricamente pueden existir al menos dos clases de agujeros negros:

Los agujeros negros se clasifican en diferentes tipos según su tamaño y propiedades:

• Agujeros negros supermasivos: Son enormes, con masas de millones de veces la del Sol, y se encuentran en el centro de muchas galaxias.

• Agujeros negros de masa intermedia: Tienen masas entre 100 y un millón de veces la del Sol, y son más grandes que los agujeros negros estelares, pero más pequeños que los supermasivos.

• Agujeros negros estelares: Se forman cuando una estrella grande explota y se colapsa, teniendo más de tres veces la masa del Sol.

• Microagujeros negros: Son muy pequeños y teóricos, podrían evaporarse rápidamente debido a la radiación de Hawking.

En cuanto a sus propiedades, los agujeros negros se describen por su masa, carga y rotación:

• Agujero negro de Schwarzschild: No tiene carga ni rotación.
• Agujero negro de Reissner-Nordstrøm: Tiene carga, pero no rota.
• Agujero negro de Kerr: Rota, pero no tiene carga.
• Agujero negro de Kerr-Newman: Rota y tiene carga.

Las cuatro soluciones anteriores pueden sistematizarse de la siguiente manera:

Descripción teórica

[[Archivo:Accretion disk.jpg|thumb|Representación artística de un agujero negro con una estrella compañera que se mueve en órbita alrededor, excediendo su límite de Roche. Cuando la materia se acerca a un agujero negro, forma un disco giratorio llamado disco de acreción. Parte de esta materia se expulsa en chorros muy energéticos. La luz que pasa cerca del agujero negro también se curva, lo que afecta cómo vemos las estrellas desde la Tierra. No sabemos qué pasa dentro del agujero negro, solo podemos observar los efectos en su alrededor. Un agujero negro podría parecer que reduce la entropía del universo, lo que contradice las leyes de la termodinámica. Stephen Hawking sugiere que la información de la materia que atraviesa el agujero negro podría seguir existiendo de alguna forma.

La entropía en los agujeros negros

La fórmula de Bekenstein-Hawking para la entropía de un agujero negro

Stephen Hawking dijo que los agujeros negros podrían hacer cosas sorprendentes relacionadas con el espacio y el tiempo. Al principio, pensaba que los agujeros negros podían cambiar las reglas de cómo funciona el universo, pero luego se dio cuenta de que las reglas siguen siendo las mismas y que la materia dentro del agujero negro se mantiene. Aunque nada puede escapar de un agujero negro, este puede emitir algo llamado radiación de Hawking, que es como una forma de rayos que sale de él. Los científicos están estudiando cómo los agujeros negros emiten radiación y cómo se relacionan con la información en el universo. Concretamente esta entropía generalizada debe definirse como:

Donde, k es la constante de Boltzmann, c es la velocidad de la luz, G es la constante de gravitación universal y es la constante de Planck racionalizada, y A el área del horizonte de sucesos.

Los agujeros negros son difíciles de definir con simplicidad en la ciencia, y los científicos usan conceptos muy avanzados para entenderlos. No hay una forma fácil de decir qué hace que una región sea un agujero negro en todos los tipos de espacio-tiempo. Para algunos espacios, se necesita cumplir ciertas reglas para que se pueda decir que hay un agujero negro. Einstein no aceptaba la idea de que toda la masa de una estrella pudiera concentrarse en un punto, pero hoy sabemos que los agujeros negros pueden existir según las ecuaciones de la relatividad general. Sin embargo, algunas teorías métricas alternativas como la teoría relativista de la gravitación, muy similar a la relatividad general en casi todos los aspectos y que también explica los hechos observados en el sistema solar y la expansión del universo, usa ecuaciones de campo ligeramente diferentes donde siempre se cumple que en ausencia local de materia y en virtud de las condiciones de causalidad de la teoría, para cualquier campo vectorial isótropo (vectores tipo luz) definido sobre el espacio-tiempo se cumple la desigualdad:

No siempre podemos predecir la existencia de agujeros negros porque las teorías actuales no están claras sobre si siempre se forman. Aunque las teorías de Einstein y la de Logunov coinciden en muchos casos, no podemos confirmar si los agujeros negros son una certeza de la gravedad. Un estudio reciente en 2018, realizado por Abhay Ashtekar, Javier Olmedo y Parampreet Singh, mostró que no hay una singularidad central en los agujeros negros según una teoría llamada gravedad del bucle. Este estudio apoya algunas conclusiones anteriores, pero aún no explica todo claramente.

Los agujeros negros en la física actual

Existen dos teorías importantes para entender el universo: la mecánica cuántica, que estudia cosas muy pequeñas como átomos y electrones, y la relatividad general, que trata sobre cosas muy grandes como estrellas y planetas. La mecánica cuántica dice que las cosas pequeñas son caóticas y no siempre predecibles, mientras que la relatividad general dice que podemos predecir con precisión lo que pasa con cosas grandes. Esto hace difícil entender los agujeros negros, que son objetos tanto pequeños como grandes.

En 1995, Andrea Ghez y su equipo descubrieron un agujero negro gigante en el centro de la Vía Láctea. Este agujero negro, llamado Sagitario A*, es muy grande y ha afectado la luz que vemos. También, en 2004, se descubrió otro agujero negro gigante llamado Q0906+6930 en una galaxia lejana.

Los agujeros negros también pueden formar estrellas nuevas y emitir radiación, como descubrió Stephen Hawking con la radiación de Hawking.

Apariencia y óptica

[[Archivo:Optica_de_un_agujero_negro.jpg|thumb|center|upright=3.5|Infografía que explica en detalle la apariencia de un agujero negro. Se explican las diferentes partes de la imagen visible de un agujero negro y su disco de acreción. Los esquemas lateral y superior muestran la trayectoria de los rayos de luz desviados por la gravedad desde cada parte del agujero negro hasta el observador.]]

Nota lingüística

En países como España o Argentina, donde se diferencia entre un hoyo (concavidad) y un agujero (abertura) debe usarse el término «agujero negro». En los países como México o Chile donde hoyo y agujero son sinónimos, también son sinónimos «hoyo negro» y «agujero negro».

Frases célebres

• “Los agujeros negros no son tan negros como solíamos pensar. De hecho, pueden emitir radiación debido a efectos cuánticos, conocida como radiación de Hawking.” -Stephen Hawking

• “El universo no está hecho a medida para el hombre, ni el hombre está hecho a medida para el universo, pero el hombre es capaz de comprender y explorar el universo, incluso las cosas más extrañas como los agujeros negros.” -Carl Sagan

• “Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo donde la densidad es tan alta que la curvatura del espacio-tiempo es infinita. Son lugares donde la gravedad se convierte en un enigma.” -John Archibald Wheeler

• “Los agujeros negros nos muestran que la relatividad general y la física cuántica deben unirse en una teoría más completa, ya que en los agujeros negros los dos mundos chocan.” -Roger Penrose

• “Los agujeros negros pueden ser las claves para desentrañar los misterios más profundos del universo, revelando la física de los extremos y la estructura del espacio-tiempo.” -Jorge E. L.

• “El horizonte de eventos de un agujero negro no es una frontera, sino una región donde las leyes de la física necesitan una revisión más profunda.” -Stephen Hawking

Datos de interés

• Relojes que se detienen: En la vecindad de un agujero negro, el tiempo se desacelera. Desde una distancia segura, podrías observar que el reloj de alguien que se acerca al horizonte de eventos se mueve cada vez más lento hasta que parece detenerse por completo.

• Evaporación de agujeros negros: Según la teoría de Stephen Hawking, los agujeros negros no son totalmente "negras". Emiten una radiación muy tenue llamada radiación de Hawking, que podría hacer que los agujeros negros se evaporen lentamente con el tiempo.

• Agujeros negros y la primera imagen: En abril de 2019, el Event Horizon Telescope capturó la primera imagen de un agujero negro, en la galaxia M87. Esta imagen mostró la sombra del agujero negro rodeado de una especie de "halo" de luz.

• Más rápidos que la luz: Los chorros de partículas emitidos por agujeros negros pueden moverse a velocidades cercanas a la de la luz. Estos chorros son mucho más rápidos que cualquier cosa que podamos observar en el universo.

• Agujeros negros de tamaño primordial: Se cree que podrían existir agujeros negros pequeños, llamados agujeros negros primordiales, que se formaron poco después del Big Bang y podrían ser tan diminutos que se medirían en átomos.

• Gargantuanos y diminutos: Mientras que los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias pueden tener masas millones de veces mayores que la del Sol, los agujeros negros estelares, que se forman por el colapso de estrellas, pueden ser tan pequeños como 5 veces la masa del Sol.

• Singularidades misteriosas: El núcleo de un agujero negro, la singularidad, es un punto donde las leyes conocidas de la física se rompen. La densidad es infinitamente alta y el espacio-tiempo se curva de manera extrema.

• Doble agujero negro: En algunos casos, los agujeros negros se pueden encontrar en sistemas binarios, donde dos agujeros negros giran uno alrededor del otro. La fusión de estos agujeros negros puede generar ondas gravitacionales que viajan a través del espacio.

• Cambios de forma: Los agujeros negros pueden distorsionar el espacio-tiempo a su alrededor de tal manera que las estrellas cercanas pueden ser estiradas en forma de espagueti en un fenómeno conocido como "espaguetificación".

• No siempre comen: Algunos agujeros negros no están "comiendo" activamente materia. En estos casos, no están generando mucha luz o radiación, y pueden estar casi "dormidos" hasta que capturan nueva materia.

Galería de imágenes

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  Representación artística de un agujero negro con una estrella compañera que se mueve en órbita alrededor, excediendo su límite de Roche. La materia que cae forma un disco de acrecimiento, con algo de materia expulsada en chorros polares colimados altamente energéticos.

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  Infografía que explica en detalle la apariencia de un agujero negro. Se explican las diferentes partes de la imagen visible de un agujero negro y su disco de acreción. Los esquemas lateral y superior muestran la trayectoria de los rayos de luz desviados por la gravedad desde cada parte del agujero negro hasta el observador.

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  Stephen Hawking ha sido uno de los físicos más célebres que ha estudiado los agujeros negros con más intensidad.

Véase también

En inglés: Black hole Facts for Kids