¿Qué es un agujero negro? Expertos, por favor apúrense, ¡gracias!

Agujeros negros

Los agujeros negros son planetas extremadamente densos que absorben todo y ni siquiera la luz puede escapar (algunos científicos ahora analizan que los agujeros negros no existen en el universo. Esto requiere más pruebas. , pero puede haber diferentes opiniones académicas)

En primer lugar, demos una explicación visual del agujero negro:

El agujero negro tiene una fuerza gravitacional enorme, e incluso la luz se siente atraído por él. Hay algo escondido en el agujero negro. El enorme campo gravitacional es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar del alcance del agujero negro. Un agujero negro no permite que el mundo exterior vea nada dentro de sus límites, razón por la cual estos objetos se denominan "agujeros negros". No podemos observarlo a través del reflejo de la luz y sólo podemos conocer un agujero negro indirectamente a través de los objetos circundantes que se ven afectados por él. Se especula que los agujeros negros son restos de estrellas muertas o nubes de gas en explosión, creados cuando supergigantes masivas especiales colapsan y se contraen.

Déjame explicarte desde un punto de vista físico:

Un agujero negro es en realidad un planeta (similar a un planeta), pero su densidad es muy, muy alta, y los objetos Los que están cerca se ven afectados por la gravedad (al igual que las personas en la Tierra sin volar), no importa cuán alta sea la velocidad, no pueden escapar. Para la Tierra, puedes escapar de la Tierra volando a la segunda velocidad cósmica (11,2 km/s), pero para un agujero negro, su tercera velocidad cósmica es tan grande que excede la velocidad de la luz, por lo que ni siquiera la luz puede escapar. , por lo que la luz que entra no se refleja y nuestros ojos no pueden ver nada, solo negro.

Debido a que los agujeros negros son invisibles, algunas personas siempre se han preguntado si los agujeros negros realmente existen. Si realmente existen, ¿dónde están?

El proceso de producción de un agujero negro es similar al proceso de producción de una estrella de neutrones; el núcleo de la estrella se contrae rápidamente bajo su propio peso y explota violentamente. El proceso de contracción se detiene inmediatamente cuando toda la materia del núcleo se convierte en neutrones y se comprime formando un planeta denso. Pero en el caso de un agujero negro, debido a que la masa del núcleo de la estrella es tan grande que el proceso de contracción continúa sin fin, los propios neutrones son triturados hasta convertirse en polvo bajo la atracción de la gravedad misma, y ​​lo que queda es un material con una densidad inimaginable. Todo lo que se acerca a él es absorbido, y los agujeros negros se vuelven como aspiradoras.

Para comprender la dinámica de los agujeros negros y comprender cómo evitan que todo lo que hay dentro escape, debemos analizar la relatividad general. La relatividad general es una teoría de la gravedad creada por Einstein, que se aplica a planetas, estrellas y agujeros negros. Esta teoría, propuesta por Einstein en 1916, explica cómo el espacio y el tiempo se distorsionan ante la presencia de objetos masivos. En pocas palabras, la relatividad general dice que la materia curva el espacio y que la curvatura del espacio, a su vez, afecta el movimiento de los objetos que viajan a través del espacio.

Veamos cómo funciona el modelo de Einstein. Primero, considere que el tiempo (las tres dimensiones del espacio son largo, ancho y alto) es la cuarta dimensión en el mundo real (aunque es difícil dibujar una dirección distinta a las tres habituales, podemos hacer todo lo posible para imaginarla). ). En segundo lugar, consideremos el espacio-tiempo como la superficie de un gigantesco y tenso colchón de resortes gimnásticos.

La teoría de Einstein era que la masa curva el espacio-tiempo. También podríamos colocar una piedra grande sobre el lecho de una cama con muelles para ilustrar esta situación: el peso de la piedra hace que la cama apretada se hunda ligeramente. Aunque la cama con muelles sigue siendo básicamente plana, su centro sigue siendo ligeramente cóncavo. Si coloca más piedras en el centro de una cama de resortes, tendrá un efecto mayor, haciendo que la superficie de la cama se hunda aún más. De hecho, cuantas más piedras haya, más se flexionará el lecho de muelles.

Del mismo modo, los objetos masivos en el universo distorsionarán la estructura del universo. Así como 10 piedras curvan la superficie de un lecho de resortes más que 1 piedra, los objetos mucho más masivos que el Sol curvan el espacio mucho más que los objetos de una masa solar o menos.

Si una pelota de tenis rueda sobre un colchón de resortes plano y tenso, se moverá en línea recta. En cambio, si pasa por un lugar cóncavo, su recorrido tendrá forma de arco. De la misma manera, los cuerpos celestes que viajan a través de áreas planas del espacio-tiempo continúan moviéndose en línea recta, mientras que los que viajan a través de áreas curvas se moverán a lo largo de trayectorias curvas.

Ahora observemos el impacto de un agujero negro en la región del espacio-tiempo que lo rodea. Imaginemos una piedra muy masiva colocada sobre un lecho de manantiales para representar un agujero negro extremadamente denso.

Naturalmente, las piedras afectarán en gran medida la superficie de la cama, no solo haciendo que la superficie se doble y se hunda, sino que también pueden causar que la superficie de la cama se rompa. Una situación similar también puede ocurrir en el universo. Si hay un agujero negro en el universo, la estructura del universo se destrozará. Esta ruptura en el tejido del espacio-tiempo se llama singularidad o singularidad del espacio-tiempo.

Ahora veamos por qué nada puede escapar de un agujero negro. Así como una pelota de tenis que rueda sobre un colchón de resortes cae en un agujero profundo formado por una gran roca, un objeto que pasa a través de un agujero negro será capturado por su trampa gravitacional. Además, se requiere una cantidad infinita de energía para salvar un objeto desafortunado.

Ya hemos dicho que nada puede entrar en un agujero negro y escapar de él. Pero los científicos creen que los agujeros negros liberan su energía lentamente. El famoso físico británico Hawking demostró en 1974 que los agujeros negros tienen una temperatura distinta de cero y una temperatura superior a la de su entorno. Según los principios de la física, todos los objetos con una temperatura superior a la de su entorno liberarán calor, y los agujeros negros no son una excepción. Un agujero negro seguirá emitiendo energía durante millones de billones de años. La energía liberada por el agujero negro se llama radiación de Hawking. Un agujero negro disipa toda su energía y desaparece.

El agujero negro entre el tiempo y el espacio ralentiza el tiempo y hace que el espacio sea elástico, mientras se traga todo lo que pasa a través de él. En 1969, el físico estadounidense John Wheeler llamó a este insaciable espacio "agujero negro".

Todos sabemos que, como los agujeros negros no pueden reflejar la luz, son invisibles. Los agujeros negros pueden parecer distantes y oscuros en nuestras mentes. Pero el famoso físico británico Hawking cree que los agujeros negros no son tan negros como la mayoría de la gente piensa. Según las observaciones de los científicos, hay radiación alrededor del agujero negro y es probable que provenga del agujero negro. En otras palabras, es posible que el agujero negro no sea tan negro como se imagina. Hawking señaló que la fuente de material radiactivo en los agujeros negros son una especie de partículas reales. Estas partículas se producen en pares en el espacio y no obedecen a las leyes habituales de la física. Y después de que estas partículas choquen, algunas desaparecerán en el vasto espacio. En términos generales, es posible que ni siquiera tengamos la oportunidad de ver estas partículas hasta que desaparezcan.

Hawking también señaló que cuando se crean agujeros negros, las partículas reales aparecerán en pares. Una de las partículas reales será absorbida por el agujero negro y la otra escapará. Un montón de partículas reales que se escapen parecerán fotones. Para un observador, ver partículas reales que se escapan es como ver rayos de un agujero negro.

Entonces, citando a Hawking, "el agujero negro no es tan negro como se imagina". En realidad, emite una gran cantidad de fotones.

Según la ley de Einstein de conservación de la energía y la masa. Cuando un objeto pierde energía, también pierde masa. Los agujeros negros también obedecen a la ley de conservación de la energía y la masa. Cuando un agujero negro pierde energía, deja de existir. Hawking predijo que en el momento en que un agujero negro desaparezca, se producirá una violenta explosión, liberando energía equivalente a la energía de millones de bombas de hidrógeno.

Pero no mires hacia arriba esperando ver un espectáculo de fuegos artificiales. De hecho, después de que un agujero negro explota, la energía liberada es muy grande y puede ser perjudicial para el cuerpo. Además, el tiempo de liberación de energía también es muy largo, en algunos casos supera los 10 mil millones a 20 mil millones de años, lo que es más largo que la historia de nuestro universo, y se necesitarán billones de años para disipar completamente la energía.

" Es fácil para la gente imaginar un "agujero negro" como un "gran agujero negro", pero no lo es. El llamado "agujero negro" es un cuerpo celeste cuyo campo gravitacional es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar.

Según la teoría general de la relatividad, el campo gravitacional curvará el espacio-tiempo. Cuando una estrella es muy grande, su campo gravitacional tiene poco efecto en el espacio-tiempo, y la luz emitida desde un determinado punto de la superficie de la estrella puede emitirse en línea recta en cualquier dirección. Cuanto menor sea el radio de la estrella, mayor será su efecto sobre la curvatura del espacio-tiempo circundante, y la luz emitida en ciertos ángulos regresará a la superficie de la estrella a lo largo del espacio curvo.

Cuando el radio de la estrella es inferior a un determinado valor (llamado "radio de Schwarzschild" en astronomía), se capta incluso la luz emitida por la superficie vertical. En este punto, la estrella se convierte en un agujero negro. Llamarlo "negro" significa que una vez que cualquier sustancia cae dentro, ya no puede escapar, incluida la luz. De hecho, los agujeros negros son verdaderamente "invisibles", de lo que hablaremos en un momento.

La formación de agujeros negros

Al igual que las enanas blancas y las estrellas de neutrones, es probable que los agujeros negros evolucionen a partir de estrellas.

Cuando una estrella envejece, sus reacciones termonucleares han agotado el combustible (hidrógeno) del centro, y no se produce mucha energía en el centro. De esta forma, ya no tiene fuerza suficiente para soportar el enorme peso del caparazón. Por lo tanto, bajo la fuerte presión de la capa exterior, el núcleo comienza a colapsar hasta formar finalmente una estrella pequeña y densa que es capaz de equilibrarse nuevamente con la presión.

Las estrellas con masas más pequeñas evolucionan principalmente hacia enanas blancas, mientras que las estrellas con masas más grandes pueden formar estrellas de neutrones. Según los cálculos de los científicos, la masa total de una estrella de neutrones no puede ser superior a tres veces la masa del sol. Si se excede este valor, no quedará fuerza para resistir su propia gravedad, lo que desencadenará otro Big Crunch.

Esta vez, según la conjetura de los científicos, la materia marchará inexorablemente hacia el punto central hasta convertirse en un pequeño objeto con un volumen muy pequeño y una gran densidad. Y una vez que su radio se reduce hasta cierto punto (debe ser más pequeño que el radio de Schwarzschild), como introdujimos anteriormente, la enorme gravedad impedirá que incluso la luz se emita hacia afuera, cortando así todas las conexiones entre la estrella y el mundo exterior. Nació el "agujero negro".

Agujeros negros especiales

Comparados con otros cuerpos celestes, los agujeros negros son demasiado especiales. Por ejemplo, los agujeros negros son "invisibles" y la gente no puede observarlos directamente. Incluso los científicos sólo pueden hacer varias conjeturas sobre su estructura interna. Entonces, ¿cómo se esconden los agujeros negros? La respuesta es: espacio curvo. Todos sabemos que la luz viaja en línea recta. Este es el sentido común más básico. Sin embargo, según la teoría general de la relatividad, el espacio se curvará bajo la acción del campo gravitacional. En este momento, aunque la luz todavía viaja a lo largo de la distancia más corta entre dos puntos cualesquiera, ya no es una línea recta, sino una curva. En sentido figurado, parece que la luz inicialmente iba a ir en línea recta, pero la fuerte gravedad la alejó de su dirección original.

En la Tierra, debido a que el campo gravitacional tiene un efecto pequeño, esta flexión es mínima. Alrededor de un agujero negro, esta deformación del espacio es muy grande. De esta manera, incluso si una parte de la luz emitida por una estrella bloqueada por un agujero negro cae en el agujero negro y desaparece, la otra parte de la luz pasará por alto el agujero negro en el espacio curvo y llegará a la Tierra. Por lo tanto, podemos observar sin esfuerzo el cielo estrellado detrás del agujero negro como si el agujero negro no existiera. Esta es la invisibilidad del agujero negro.

Lo que es más interesante es que no sólo la luz emitida por algunas estrellas hacia la Tierra puede llegar directamente a la Tierra, sino que la luz emitida en otras direcciones también puede ser refractada por la fuerte gravedad de los agujeros negros cercanos y alcanzar la tierra. De esta forma, no sólo podremos ver la "cara" de la estrella, sino también sus lados e incluso su espalda al mismo tiempo.

El "agujero negro" es sin duda una de las teorías astronómicas más desafiantes y apasionantes de este siglo. Muchos científicos están trabajando arduamente para desvelar su misterio y constantemente se proponen nuevas teorías. Sin embargo, estos últimos resultados de la astrofísica contemporánea no se pueden explicar aquí claramente en pocas palabras. Los amigos interesados ​​pueden consultar trabajos especializados.

Según su composición, los agujeros negros se pueden dividir en dos categorías principales. Uno es un agujero negro de energía oscura y el otro es un agujero negro físico. Los agujeros negros de energía oscura se componen principalmente de una enorme energía oscura que gira a gran velocidad y no hay una masa enorme en su interior. La enorme energía oscura gira a una velocidad cercana a la velocidad de la luz y se genera una enorme presión negativa en su interior para tragar objetos, formando así un agujero negro. Para más detalles, consulte la "Teoría del agujero negro cósmico". Los agujeros negros de energía oscura son la base para la formación de galaxias, así como para la formación de cúmulos de estrellas y cúmulos de galaxias. Un agujero negro físico se forma por el colapso de uno o más cuerpos celestes y tiene una masa enorme. Cuando la masa de un agujero negro físico es igual o mayor que la masa de una galaxia, lo llamamos agujero negro de singularidad. Los agujeros negros de energía oscura son muy grandes y pueden llegar a ser tan grandes como el sistema solar. Pero el volumen de un agujero negro físico es muy pequeño y puede reducirse hasta alcanzar una singularidad.

Acreción de agujeros negros

Los agujeros negros suelen descubrirse porque acumulan gas a su alrededor para producir radiación, un proceso llamado acreción. La eficiencia del gas a alta temperatura que irradia energía térmica afectará seriamente las características geométricas y dinámicas del flujo de acreción. Se han observado discos delgados con mayor eficiencia radiativa y discos gruesos con menor eficiencia radiativa. A medida que el gas en acreción se acerca al agujero negro central, la radiación que producen es extremadamente sensible a la rotación del agujero negro y a la existencia de un horizonte de sucesos. El análisis de la fotometría y los espectros de los agujeros negros en acreción proporciona pruebas sólidas de la existencia de agujeros negros en rotación y horizontes de sucesos. Las simulaciones numéricas también muestran que los chorros relativistas que a menudo ocurren en los agujeros negros en acreción son impulsados ​​en parte por la rotación del agujero negro.

Los astrofísicos utilizan la palabra "acreción" para describir el flujo de materia hacia un cuerpo gravitacional central o un sistema central de materia extendida.

La acreción es uno de los procesos más comunes en astrofísica y es responsable de muchas de las estructuras comunes que nos rodean. En el universo primitivo, las galaxias se formaban cuando el gas fluía hacia el centro de un pozo de potencial gravitacional creado por la materia oscura. Incluso hoy en día, las estrellas se forman por el colapso y la fragmentación de nubes de gas bajo su propia gravedad y luego por la acumulación de gas circundante. Los planetas, incluida la Tierra, también se forman a partir de la acumulación de gas y rocas alrededor de estrellas recién formadas. Pero cuando el objeto central es un agujero negro, la acreción es más espectacular.

Sin embargo, el agujero negro no lo absorbe todo, sino que también emite protones al exterior.

Agujero negro que explota

El agujero negro emitirá una luz deslumbrante y reducir su tamaño o incluso explotar. Cuando el físico británico Stephen Hawking creó este lenguaje en 1974, toda la comunidad científica quedó consternada. Alguna vez se consideró que los agujeros negros eran el asentamiento final del universo: nada puede escapar de los agujeros negros. Devoran gas y estrellas, y su masa aumenta, por lo que el tamaño del agujero solo aumentará. impulsado por la inspiración, combinó la relatividad general y la teoría cuántica. Descubrió que el campo gravitacional alrededor del agujero negro libera energía mientras consume la energía y la masa del agujero negro. Esta "radiación de Hawking" es insignificante para la mayoría de los agujeros negros, mientras que los agujeros negros pequeños irradian energía a una velocidad extremadamente alta hasta que el agujero negro explota.

El maravilloso agujero negro que se encoge

Cuando una partícula escapa de un agujero negro sin devolver la energía que tomó prestada, el agujero negro pierde la misma cantidad de energía de su campo gravitacional, y el de Einstein La fórmula E=mc^2 muestra que la pérdida de energía resulta en la pérdida de masa. Por tanto, el agujero negro se volverá más ligero y más pequeño.

Hervir hasta la destrucción

Todos los agujeros negros se evaporan, pero los agujeros negros grandes hierven más lentamente y su radiación es muy débil, lo que los hace difíciles de detectar. Pero a medida que el agujero negro se hace más pequeño, este proceso se acelera y, finalmente, se sale de control. Cuando un agujero negro se debilita, la fuerza gravitacional también se hará más pronunciada, produciendo más partículas que escapan, y más energía y masa se le robarán al agujero negro. El agujero negro se agranda cada vez más rápido, lo que hace que la tasa de evaporación sea cada vez más rápida y el halo circundante se vuelve más brillante y más caliente. Cuando la temperatura alcance los 10 ^ 15 ℃, el agujero negro será destruido en una explosión.

Artículo sobre agujeros negros:

Desde la antigüedad, los seres humanos han soñado con volar hacia el cielo azul, pero nadie sabe que hay un enorme espacio negro más allá del cielo azul. . En este espacio hay luz, agua y vida. Nuestra hermosa Tierra es uno de ellos. Aunque el universo es tan colorido, aquí también está lleno de peligros. Asteroides, gigantes rojas, explosiones de supernovas, agujeros negros...

Los agujeros negros, como su nombre indica, son materiales invisibles con una fuerza súper atractiva. Desde que Einstein y Hawking dedujeron la existencia de tal sustancia a través de especulaciones y teorías, los científicos han estado explorando y buscando constantemente para evitar la destrucción de nuestro planeta.

La relación entre los agujeros negros y la destrucción de la Tierra

Un agujero negro es en realidad una masa de materia con una masa muy grande, y su fuerza gravitacional es extremadamente grande (hasta ahora , no se ha encontrado ningún objeto con mayor fuerza gravitacional) material), formando un pozo profundo. Se forma por el colapso continuo de estrellas con masa y densidad extremadamente altas. Cuando el núcleo material dentro de la estrella sufre cambios extremadamente inestables, se formará un punto aislado llamado "singularidad" (para más detalles, consulte la Relatividad Generalizada de Einstein). . Aspirará toda la materia que entre en el horizonte y nada podrá escapar de allí (incluida la luz). No tiene una forma específica y no puede verlo. Sólo puede juzgar su existencia basándose en la dirección de los planetas circundantes. Tal vez grites de miedo por su misterio, pero en realidad no hay necesidad de preocuparte demasiado. Aunque tiene una fuerte atracción, al mismo tiempo también es una evidencia importante para juzgar su ubicación, incluso si está lejos. Cuando un material muy cercano a la Tierra impacta, todavía tenemos tiempo suficiente para salvarlo, porque su "límite formal" todavía está lejos de nosotros en ese momento. Además, la mayoría de las estrellas se convertirán en estrellas de neutrones o enanas blancas después de colapsar. Pero esto no significa que podamos relajar nuestra vigilancia (¿quién sabe si seremos absorbidos en el próximo momento?), que es una de las razones por las que los humanos lo estudian.

Las estrellas, las enanas blancas, las estrellas de neutrones, las estrellas de quarks y los agujeros negros son estrellas con cinco equivalentes de densidad en secuencia. La densidad más pequeña es, por supuesto, la estrella. El agujero negro es la forma definitiva de materia. El agujero negro, el Big Bang, producirá energía. Una vez liberado, entrará en un nuevo ciclo.

Además, los agujeros negros se refieren a lugares de la red donde se pierden los mensajes de correo electrónico o desaparecen los anuncios de Usenet.

Propuesta del nombre agujero negro

El término agujero negro apareció no hace mucho. Fue un nombre acuñado en 1969 por el científico estadounidense John Wheeler para describir vívidamente una idea que se remonta al menos a 200 años atrás. En ese momento, había dos teorías de la luz en el mundo: una era la teoría de las partículas de la luz que apoyaba Newton; la otra era la teoría ondulatoria de la luz. Ahora sabemos que ambas cosas son ciertas. Debido a la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica, la luz puede considerarse tanto una onda como una partícula. En la teoría ondulatoria de la luz, no está claro cómo responde la luz a la gravedad. Pero si la luz estuviera formada por partículas, uno esperaría que se vieran afectadas por la gravedad como las balas de cañón, los cohetes y los planetas. Al principio se pensó que las partículas de luz se mueven infinitamente rápido, por lo que la gravedad no puede frenarlas, pero el descubrimiento de Roehmer de la velocidad finita de la luz demostró que la gravedad podría tener un efecto importante.

En 1783, John Mitchell, el superintendente de Cambridge, publicó un artículo en "Philosophical Transactions of the Royal Society of London" basado en esta suposición. Señaló que una estrella con suficiente masa y compacidad tendría un campo gravitacional tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar: cualquier luz emitida desde la superficie de la estrella será atraída por la gravedad de la estrella antes de que alcance la distancia de regreso. Mitchell sugirió que puede haber una gran cantidad de estrellas de este tipo y, aunque no podemos verlas porque la luz de ellas no nos llega, aún podemos sentir la atracción de su gravedad. Esto es exactamente lo que hoy llamamos agujero negro. Es literalmente un vacío negro en el espacio. Unos años más tarde, el científico francés Marqués de Laplace aparentemente propuso de forma independiente una idea similar a la de Michel. Es muy interesante que Laplace sólo incluyó esta idea en la primera y segunda edición de su libro El sistema del mundo, y la omitió en ediciones posteriores, probablemente pensando que era un concepto absurdo. (Además, la teoría de las partículas de la luz pasó de moda en el siglo XIX; parecía que todo podía explicarse mediante la teoría ondulatoria y, según ésta, no estaba claro si la luz se veía afectada por la gravedad).

Hechos Debido a que la velocidad de la luz es fija, es muy inconsistente tratar la luz como una bala de cañón en la teoría de la gravedad de Newton. (Una bala de cañón disparada desde el suelo se desacelera debido a la gravedad, y finalmente deja de ascender y regresa al suelo; sin embargo, un fotón debe continuar ascendiendo a velocidad constante, entonces, ¿cómo afecta la gravedad newtoniana a la luz?) Hasta 1915, Einstein propuso antes En la relatividad general, no existía una teoría de cómo la gravedad afectaba la coordinación de la luz. Incluso pasó mucho tiempo antes de que se comprendieran las implicaciones de esta teoría para las estrellas masivas.

Para entender cómo se forman los agujeros negros, primero debemos entender el ciclo de vida de una estrella. Inicialmente, una gran cantidad de gas (principalmente hidrógeno) es atraído por su propia gravedad y comienza a colapsar sobre sí mismo para formar estrellas. A medida que se contrae, los átomos del gas chocan entre sí cada vez con más frecuencia y a velocidades cada vez mayores: la temperatura del gas aumenta. Con el tiempo, el gas se calienta tanto que cuando los átomos de hidrógeno chocan, ya no rebotan sino que se fusionan para formar helio. Como una explosión controlada de una bomba de hidrógeno, el calor liberado en la reacción hace que la estrella brille. Este calor añadido aumenta la presión del gas hasta que es suficiente para equilibrar la atracción de la gravedad, momento en el que el gas deja de contraerse. Es un poco como un globo: hay un equilibrio entre la presión del aire interno que intenta inflar el globo y la tensión de la goma que intenta desinflarlo. El equilibrio de calor que emana de las reacciones nucleares y la atracción gravitacional permite a las estrellas mantener este equilibrio durante largos períodos de tiempo. Sin embargo, finalmente la estrella agota su hidrógeno y otros combustibles nucleares. Esto puede parecer un gran error, pero no es cierto. Cuanto más combustible tiene inicialmente una estrella, más rápido se quema. Esto se debe a que cuanto más masiva es una estrella, más caliente debe estar para resistir la gravedad. Y cuanto más calor hace, más rápido se consume su combustible. Nuestro sol probablemente tenga suficiente energía para arder durante otros 5 mil millones de años aproximadamente, pero las estrellas más masivas pueden consumir su combustible en tan solo 100 millones de años, una escala de tiempo mucho más corta que la edad del universo. Cuando una estrella se queda sin combustible, se enfría y comienza a encogerse. Lo que sucedió a continuación no se entendió por primera vez hasta finales de la década de 2020.

En 1928, un estudiante de posgrado indio, Saramanian Chandrasekhar, llegó a Cambridge, Inglaterra, en barco para estudiar en casa con el astrónomo británico Sir Arthur Eddington (un teórico general de la relatividad). (Según los registros, a principios de la década de 1920, un periodista le dijo a Eddington que había oído que sólo tres personas en el mundo entendían la relatividad general. Eddington hizo una pausa y luego respondió: "Estaba pensando en esta tercera persona". ¿Quién?") Durante Durante su viaje de la India a Inglaterra, Chandrasekhar calculó el tamaño de una estrella que podría seguir sosteniéndose contra su propia gravedad después de agotar todo su combustible. La idea es que a medida que las estrellas se hacen más pequeñas, las partículas de materia se acercan mucho y, según el principio de exclusión de Pauli, deben tener velocidades muy diferentes. Esto hace que se separen unos de otros e intenten expandir la estrella. Una estrella puede mantener su radio constante equilibrando los efectos de la gravedad y las fuerzas repulsivas causadas por el principio de exclusión, del mismo modo que la gravedad se equilibra con el calor en las primeras etapas de su vida.

Sin embargo, Chandrasekhar se dio cuenta de que había un límite a la fuerza repulsiva que podía proporcionar el principio de exclusión. La diferencia máxima de velocidad de las partículas en una estrella está limitada por la relatividad a la velocidad de la luz. Esto significa que cuando una estrella se vuelve lo suficientemente compacta, la fuerza repulsiva causada por el principio de exclusión se vuelve menor que la fuerza gravitacional. Chandrasekhar calculó que una estrella fría de aproximadamente una vez y media la masa del Sol no puede sostenerse contra su propia gravedad. (Esta masa ahora se llama límite de Chandrasekhar). El científico soviético Lev Davidovich Landau hizo un descubrimiento similar aproximadamente al mismo tiempo.

Esto tiene una gran importancia para el destino final de las estrellas masivas. Si una estrella es menos masiva que el límite de Chandrasekhar, eventualmente dejará de encogerse y se convertirá en una "enana blanca" con un radio de varios miles de kilómetros y una densidad de varios cientos de toneladas por pulgada cúbica. Una enana blanca se sustenta en el principio de exclusión y repulsión entre los electrones de su materia. Observamos una gran cantidad de estas enanas blancas. La primera en ser observada fue una que orbitaba alrededor de Sirio, la estrella más brillante del cielo nocturno.

Landau señaló que existe otro posible estado final de las estrellas. Su masa última es aproximadamente una o dos veces la masa del Sol, pero su volumen es incluso mucho menor que el de una enana blanca. Estas estrellas se sustentan en el principio de exclusión de repulsión entre neutrones y protones, más que entre electrones. Por eso se les llama estrellas de neutrones. Tienen un radio de sólo unos 16 kilómetros y una densidad de varios cientos de millones de toneladas por pulgada cúbica. Cuando se predijeron por primera vez las estrellas de neutrones, no había forma de observarlas. De hecho, no fueron observados hasta mucho más tarde.

Por otro lado, las estrellas más masivas que el límite de Chandrasekhar presentan un gran problema cuando se quedan sin combustible: en determinadas circunstancias, explotan o son expulsadas suficiente materia como para reducir su propia masa por debajo del límite a evitar un colapso gravitacional catastrófico. Pero es difícil creer que esto suceda sin importar cuán grande sea la estrella. ¿Cómo sabes que debe haber perdido peso? Incluso si cada estrella logra perder suficiente peso para evitar el colapso, ¿qué sucede si agregas más masa a una enana blanca o una estrella de neutrones, empujándola más allá del límite? ¿Colapsará hasta alcanzar una densidad infinita? Eddington quedó sorprendido por esto y se negó a creer en los resultados de Chandrasekhar. Eddington creía que era imposible que una estrella colapsara hasta convertirse en un punto. Ésta es la opinión de la mayoría de los científicos: el propio Einstein escribió un artículo en el que afirmaba que el volumen de las estrellas no se reduce a cero. La hostilidad de otros científicos, especialmente de Eddington, su antiguo maestro y principal autoridad en estructura estelar, llevó a Chandrasekhar a abandonar este trabajo y estudiar otros problemas astronómicos como el movimiento de los cúmulos estelares. Sin embargo, ganó el Premio Nobel de 1983, al menos en parte, por sus primeros trabajos sobre el límite de masa de las estrellas frías.

Chandrasekhar señaló que el principio de exclusión no puede evitar que colapsen estrellas con masas superiores al límite de Chandrasekhar. Pero, ¿qué pasaría con una estrella así según la relatividad general? Este problema fue resuelto por primera vez en 1939 por un joven estadounidense, Robert Oppenheimer. Sin embargo, los resultados que obtuvo demostraron que observar con los telescopios de la época ya no daría ningún resultado. Más tarde, debido a la interferencia de la Segunda Guerra Mundial, el propio Oppenheimer estuvo muy involucrado en el proyecto de la bomba atómica. Después de la guerra, el problema del colapso gravitacional quedó en gran medida olvidado, ya que la mayoría de los científicos se sintieron atraídos por la física a escala atómica y nuclear.

Ahora tenemos una imagen del trabajo de Oppenheimer: el campo gravitacional de la estrella cambia el camino de la luz, haciéndolo diferente del camino original sin la estrella. Un cono de luz representa el camino que recorre la luz a través del espacio y el tiempo después de ser emitida desde su parte superior. El cono de luz se desvía ligeramente hacia adentro cerca de la superficie de la estrella, y esta desviación se puede ver al observar la luz de estrellas distantes durante un eclipse solar. A medida que la estrella se encoge, el campo gravitacional en su superficie se vuelve más fuerte, desviando más la luz hacia adentro, lo que hace más difícil que la luz escape de la estrella. Para un observador distante, la luz se vuelve más tenue y más roja. Finalmente, cuando la estrella se reduce a un cierto radio crítico, el campo gravitacional en la superficie se vuelve tan fuerte que el cono de luz se desvía tanto hacia adentro que la luz ya no puede escapar. Según la teoría de la relatividad, nada puede viajar más rápido que la luz. De esta manera, si la luz no puede escapar, la gravedad atraerá otras cosas. Es decir, hay un conjunto de acontecimientos o una región espacio-temporal de la que es imposible que la luz o cualquier cosa escape para llegar a un observador lejano. Ahora llamamos a esta región agujero negro y su límite es el horizonte de sucesos, que coincide con la trayectoria de la luz que simplemente no puede escapar del agujero negro.

Cuando observes una estrella colapsar y formar un agujero negro, para entender lo que estás viendo, recuerda que no existe un tiempo absoluto en la teoría de la relatividad. Cada observador tiene su propia medida del tiempo. Debido al campo gravitacional de la estrella, el tiempo para alguien que se encuentre en la estrella será diferente al tiempo para alguien que esté lejos. Supongamos que hay un intrépido astronauta en la superficie de una estrella que se colapsa hacia adentro con la estrella. Según su reloj, cada segundo se envía una señal a una nave espacial que orbita la estrella. En cierto momento bajo su reloj, digamos a las 11 en punto, la estrella acababa de reducirse a su radio crítico, y el campo gravitacional era tan fuerte que nada podía escapar, y su señal ya no podía llegar a la nave espacial. Cuando llegaron las 11 en punto, su compañero de nave descubrió que el intervalo de tiempo entre una serie de señales enviadas por los astronautas era cada vez más largo. Pero este efecto fue muy pequeño antes de las 10:59:59. Sólo tienen que esperar un poco más de un segundo entre las señales enviadas a las 10:59:58 y las 10:59:59, mientras que deben esperar infinitamente más para la señal enviada a las 11:00. Según el reloj del astronauta, la onda luminosa se emite desde la superficie de la estrella entre las 10:59:59 y las 11:00 horas; desde la perspectiva de la nave espacial, la onda luminosa se extiende en un intervalo de tiempo infinito. El intervalo de tiempo entre la recepción de esta cadena de ondas de luz en la nave espacial se hace cada vez más largo, por lo que la luz de la estrella parece más roja y más débil. Finalmente, la estrella se vuelve tan borrosa que desde el espacio ya no era visible desde la nave, y todo. lo que quedó fue un agujero negro en el espacio. Sin embargo, la estrella continúa ejerciendo la misma atracción gravitacional sobre la nave espacial, lo que hace que ésta continúe orbitando el agujero negro resultante.

Sin embargo, debido a los siguientes problemas, el escenario anterior no es completamente realista. La gravedad se debilita a medida que nos alejamos de la estrella, por lo que la atracción gravitatoria sobre los pies de este intrépido astronauta siempre fue mayor que sobre su cabeza. Antes de que la estrella se reduzca al radio crítico y forme el horizonte de sucesos, esta diferencia de fuerza ya ha estirado a nuestro astronauta como espaguetis, ¡o incluso lo ha destrozado! Sin embargo, creemos que hay objetos mucho más masivos en el universo, como las regiones centrales de las galaxias, que sufrieron un colapso gravitacional para crear agujeros negros; un astronauta en un objeto así no se desintegraría antes de que se formara el agujero negro. De hecho, no siente nada extraño cuando alcanza el radio crítico, y ni siquiera lo nota cuando pasa el punto de no retorno. Pero a medida que el área continúa colapsando, en unas pocas horas, la diferencia en las fuerzas gravitacionales que actúan sobre su cabeza y sus pies será tan grande que los separará nuevamente.

La investigación que realizamos Roger Penrose y yo entre 1965 y 1970 señalaba que, según la teoría general de la relatividad, debe existir una singularidad de densidad infinita y curvatura espacio-temporal en un agujero negro. Esto es bastante similar al Big Bang al principio de los tiempos, excepto que es el fin de los tiempos para un objeto que colapsa y los astronautas. Ante esta singularidad, las leyes de la ciencia y nuestra capacidad de predecir el futuro colapsan. Sin embargo, cualquier observador que permanezca fuera del agujero negro no se verá afectado por la falta de previsibilidad, ya que ni la luz ni ninguna otra señal de la singularidad podrán alcanzarlo. Este hecho sorprendente llevó a Roger Penrose a proponer una conjetura de supervisión cósmica, que puede parafrasearse como: “Dios odia las singularidades desnudas.

En otras palabras, una singularidad creada por un colapso gravitacional solo puede ocurrir en un lugar como un agujero negro, donde está bastante oculta a la vista por el horizonte de eventos. Estrictamente hablando, esto es lo que se llama una conjetura de vigilancia cosmológica débil: protege. Los observadores que permanecen fuera del agujero negro se protegen de los fallos predecibles que se producen en la singularidad, pero esto no ayuda en nada al pobre astronauta que desgraciadamente cae en el agujero negro.

Existen algunas soluciones a las ecuaciones generales. relatividad que hacen posible que nuestros astronautas vean la singularidad desnuda. Es posible que puedan evitar chocar con la singularidad y atravesar un "agujero de gusano" hacia otra área del universo.