Una introducción a los agujeros negros
10 DE ABRIL: En esta foto proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias, el Event Horizon Telescope captura un agujero negro en el centro de la galaxia M87, delineado por la emisión del gas caliente que se arremolina a su alrededor bajo la influencia de una fuerte gravedad cerca de su horizonte de eventos, en una imagen publicada el 10 de abril de 2019. Una red de ocho observatorios de radio en seis montañas y cuatro continentes, el EHT observó un agujero negro en Messier 87, una galaxia elíptica supergigante en la constelación de Virgo, de forma intermitente durante 10 días en abril de 2017 para hacer la imagen.
Fundación Nacional de Ciencias / Getty Images
Los agujeros negros son objetos en el universo con tanta masa atrapada dentro de sus límites que tienen campos gravitatorios increíblemente fuertes. De hecho, la fuerza gravitacional de un agujero negro es tan fuerte que nada puede escapar una vez que ha entrado. Ni siquiera la luz puede escapar de un agujero negro, queda atrapada dentro junto con las estrellas, el gas y el polvo. La mayoría de los agujeros negros contienen muchas veces la masa de nuestro Sol y los más pesados pueden tener millones de masas solares.
Esta imagen simulada por computadora muestra un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia. La región negra en el centro representa el horizonte de eventos del agujero negro, donde ninguna luz puede escapar del agarre gravitatorio del objeto masivo. La poderosa gravedad del agujero negro distorsiona el espacio a su alrededor como el espejo de una casa de la risa. La luz de las estrellas de fondo se estira y se difumina a medida que las estrellas pasan rozando el agujero negro. NASA, ESA y D. Coe, J. Anderson y R. van der Marel (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial), Science Credit: NASA, ESA, C.-P. Ma (Universidad de California, Berkeley) y J. Thomas (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemania).
A pesar de toda esa masa, la singularidad real que forma el núcleo del agujero negro nunca ha sido vista ni fotografiada. Es, como sugiere la palabra, un pequeño punto en el espacio, pero tiene MUCHA masa. Los astrónomos solo pueden estudiar estos objetos a través de su efecto sobre el material que los rodea. El material alrededor del agujero negro forma un disco giratorio que se encuentra justo más allá de una región llamada 'horizonte de eventos', que es el punto gravitacional de no retorno.
La estructura de un agujero negro
El 'bloque de construcción' básico del agujero negro es la singularidad: una región precisa del espacio que contiene toda la masa del agujero negro. A su alrededor hay una región del espacio de la que la luz no puede escapar, lo que le da su nombre al 'agujero negro'. El 'borde' exterior de esta región es lo que forma el horizonte de eventos. Es el límite invisible donde la atracción del campo gravitacional es igual a la velocidad de la luz . También es donde se equilibran la gravedad y la velocidad de la luz.
La posición del horizonte de sucesos depende de la atracción gravitacional del agujero negro. Los astrónomos calculan la ubicación de un horizonte de eventos alrededor de un agujero negro usando la ecuación Rs= 2GM/c2. R es el radio de la singularidad, GRAMO es la fuerza de gravedad, METRO es la masa, C es la velocidad de la luz.
Tipos de agujeros negros y cómo se forman
Hay diferentes tipos de agujeros negros, y se producen de diferentes maneras. El tipo más común se conoce como agujero negro de masa estelar. . Estos contienen aproximadamente hasta unas pocas veces la masa de nuestro Sol, y se forman cuando son grandes Secuencia principal estrellas (10 - 15 veces la masa de nuestro Sol) se quedan sin combustible nuclear en sus núcleos. El resultado es una enorme explosión de supernova que lanza las capas exteriores de las estrellas al espacio. Lo que queda atrás colapsa para crear un agujero negro.
La concepción de un artista de un agujero negro de masa estelar (en azul) probablemente se formó cuando una estrella supermasiva colapsó, alimentándose del material expulsado por una estrella cercana. ESA, NASA and Felix Mirabel)
Los otros dos tipos de agujeros negros son los agujeros negros supermasivos (SMBH) y los micro agujeros negros. Un solo SMBH puede contener la masa de millones o miles de millones de soles. Los microagujeros negros son, como su nombre lo indica, muy pequeños. Quizás tengan solo 20 microgramos de masa. En ambos casos, los mecanismos para su creación no están del todo claros. Los microagujeros negros existen en teoría, pero no se han detectado directamente.
Se ha descubierto que existen agujeros negros supermasivos en los núcleos de la mayoría de las galaxias y sus orígenes aún se debaten acaloradamente. Es posible que los agujeros negros supermasivos sean el resultado de una fusión entre agujeros negros de masa estelar más pequeños y otros asunto . Algunos astrónomos sugieren que podrían crearse cuando colapsa una sola estrella muy masiva (cientos de veces la masa del Sol). De cualquier manera, son lo suficientemente masivos como para afectar a la galaxia de muchas maneras, desde efectos en las tasas de nacimiento de estrellas hasta las órbitas de las estrellas y el material en sus inmediaciones.
Muchas galaxias tienen agujeros negros supermasivos en sus núcleos. Si están 'comiendo' activamente, emiten enormes chorros y se conocen como núcleos galácticos activos. NASA/JPL-Caltech
Los microagujeros negros, por otro lado, podrían crearse durante la colisión de dos partículas de muy alta energía. Los científicos sugieren que esto sucede continuamente en la atmósfera superior de la Tierra y es probable que suceda durante los experimentos de física de partículas en lugares como el CERN.
Cómo miden los científicos los agujeros negros
Dado que la luz no puede escapar de la región alrededor de un agujero negro afectada por el horizonte de sucesos, nadie puede realmente 'ver' un agujero negro. Sin embargo, los astrónomos pueden medirlos y caracterizarlos por los efectos que tienen en su entorno. Los agujeros negros que están cerca de otros objetos ejercen un efecto gravitacional sobre ellos. Por un lado, la masa también puede determinarse por la órbita del material alrededor del agujero negro.
Un modelo de un agujero negro rodeado de material ionizado calentado. Este puede ser el 'aspecto' del agujero negro en la Vía Láctea. Brandon De Frise Carter, CC0, Wikimedia.
En la práctica, los astrónomos deducen la presencia del agujero negro estudiando cómo se comporta la luz a su alrededor. Los agujeros negros, como todos los objetos masivos, tienen suficiente atracción gravitacional para doblar el camino de la luz a medida que pasa. A medida que las estrellas detrás del agujero negro se mueven en relación con él, la luz emitida por ellas aparecerá distorsionada o las estrellas parecerán moverse de una manera inusual. A partir de esta información, se puede determinar la posición y la masa del agujero negro.
Esto es especialmente evidente en los cúmulos de galaxias donde la masa combinada de los cúmulos, su materia oscura y su los agujeros negros crean arcos y anillos de formas extrañas doblando la luz de objetos más distantes a medida que pasa.
Los astrónomos también pueden ver los agujeros negros por la radiación que emite el material calentado a su alrededor, como la radio o los rayos X. La velocidad de ese material también da pistas importantes sobre las características del agujero negro del que intenta escapar.
Radiación de Hawking
La última forma en que los astrónomos podrían detectar un agujero negro es a través de un mecanismo conocido como Radiación de Hawking . Llamado así por el famoso físico teórico y cosmólogo Stephen Hawking La radiación de Hawking es una consecuencia de la termodinámica que requiere que la energía escape de un agujero negro.
La idea básica es que, debido a las interacciones naturales y las fluctuaciones en el vacío, la materia se creará en forma de electrón y antielectrón (llamado positrón). Cuando esto ocurre cerca del horizonte de sucesos, una partícula será expulsada del agujero negro, mientras que la otra caerá en el pozo gravitacional.
Para un observador, todo lo que se 've' es una partícula emitida por el agujero negro. Se consideraría que la partícula tiene energía positiva. Esto significa, por simetría, que la partícula que cayó en el agujero negro tendría energía negativa. El resultado es que a medida que un agujero negro envejece, pierde energía y, por lo tanto, pierde masa (según la famosa ecuación de Einstein, E=MC2, dónde Y = energía, METRO = masa, y C es la velocidad de la luz).
Editado y actualizado porCarolyn Collins Petersen.