Un agujero negro es un fenómeno espacial de proporciones muy altas (normalmente más grande que el sol) y con una masa extremadamente compacta, que da lugar a un campo gravitatorio tan fuerte que ningún tipo de partícula o radiación puede escapar.
Considerando que incluso la luz es absorbida, la presencia de un agujero negro se verifica por las consecuencias gravitatorias observables en su entorno, especialmente por los cambios en las órbitas de los cuerpos celestes cercanos, que son atraídos por el agujero negro.
Además, los astrónomos y científicos afirman que un agujero negro puede ser observado debido a su emisión de luz.
Primera imagen de un agujero negro
Primera imagen de un agujero negro de 40.000 millones de kilómetros de diámetro, situado en la galaxia M87, a 50 millones de años luz de la Tierra. Foto: Evento del Telescopio Horizonte.
La primera imagen de un agujero negro se dio a conocer en abril de 2019 en una conferencia en Bruselas. Fue encontrado, después de 2 años de observación e investigación, por el proyecto internacional llamado Horizon Telescope Event (EHT), que reúne a casi una docena de radiotelescopios en el mundo, desde Europa hasta el Polo Sur.
En la imagen, la única parte visible del agujero negro es el círculo dorado, llamado por los astrónomos el “horizonte de sucesos” o “punto de no retorno”.
Ya en el centro del horizonte de sucesos, hay una incalculable densidad de masa, llamada singularidad. La gravedad de este punto es tan fuerte que ningún objeto a su alrededor puede escapar.
En teoría, sólo algo que se moviera a una velocidad superior a la de la luz podría resistir el campo gravitatorio de un agujero negro. Por esta razón, no es posible saber con certeza qué sucede con la materia que se aspira.
¿Cómo se forma un agujero negro?
Los agujeros negros se forman por el colapso gravitacional de los cuerpos celestes. Estos fenómenos se producen cuando la presión interna de un cuerpo (generalmente las estrellas) es insuficiente para mantener su propia masa. Así, cuando el núcleo de la estrella colapsa debido a la gravedad, el cuerpo celeste explota liberando enormes cantidades de energía en un evento conocido como supernova.
Imagen representativa de una supernova.
Durante la supernova, en una fracción de segundo, toda la masa de la estrella se comprime en su núcleo mientras se mueve a aproximadamente 1/4 de la velocidad de la luz (incluyendo, es en este mismo momento que se crean los elementos más pesados del universo).
La explosión dará lugar entonces a una estrella de neutrones o, si la estrella es lo suficientemente grande, el resultado será la formación de un agujero negro, cuya cantidad astronómica de masa concentrada crea el ya mencionado campo gravitatorio. En ella, la velocidad de escape (velocidad necesaria para que alguna partícula o radiación resista la atracción) debe ser, al menos, mayor que la velocidad de la luz.
¿Qué tan grande es un agujero negro?
Los agujeros negros existen en varios tamaños. Los más pequeños conocidos por la ciencia se llaman agujeros negros primordiales y se cree que son del tamaño de un átomo, pero con la masa total de una montaña.
Los agujeros negros medianos (cuya masa es hasta 20 veces la masa total del sol) se llaman estelares. En esta categoría, el agujero negro más pequeño descubierto tiene 3,8 veces la masa solar.
Los mayores agujeros negros catalogados se llaman supermasivos, a menudo encontrados en el centro de las galaxias. Por ejemplo, en el centro de la Vía Láctea está el Sagitario A, un agujero negro con una masa equivalente a 4 millones de veces la masa del sol.
Hasta ahora, el mayor agujero negro conocido se llama S50014+81, cuya masa equivale a cuarenta mil millones de veces la masa del sol.
Tipos de agujeros negros
El físico teórico alemán Albert Einstein formuló un conjunto de hipótesis relacionadas con la gravitación que sirvieron de base para el surgimiento de la física moderna. Este conjunto de ideas se denominó Teoría de la Relatividad General, en la que el científico hizo varias observaciones innovadoras sobre los efectos gravitatorios de los agujeros negros.
Para Einstein, los agujeros negros son “deformaciones en el espacio-tiempo causadas por la enorme cantidad de materia concentrada”. Sus teorías promovieron un rápido progreso de la zona e hicieron posible la clasificación de los diferentes tipos de agujeros negros:
Agujero negro de Schwarzschild
Los agujeros negros de Schwarzschild son aquellos que no tienen carga eléctrica y tampoco tienen momento angular, es decir, no giran alrededor de su eje.
El agujero negro de Kerr
Los agujeros negros de Kerr no tienen carga eléctrica pero giran alrededor de su eje.
Agujero negro de Reissner-Nordstrom
Los agujeros negros de Reissner-Nordstrom están cargados eléctricamente pero no giran alrededor de su eje.
El agujero negro de Kerr-Newman
Los agujeros negros de Kerr-Newman están cargados eléctricamente y giran alrededor de su eje.
En teoría, todo tipo de agujeros negros se convierten eventualmente en agujeros negros de Schwarzschild (estáticos y cargados eléctricamente) cuando pierden suficiente energía y dejan de girar. Este fenómeno se conoce como el Proceso de la Penetración. En tales casos, la única manera de diferenciar un agujero negro de Schwarzschild de otro es midiendo su masa.
Estructura de un agujero negro
Los agujeros negros son invisibles ya que su campo gravitatorio es ineludible incluso para la luz. Así, un agujero negro tiene la apariencia de una superficie oscura de la cual nada se refleja y no hay evidencia de lo que sucede con los elementos que son absorbidos por él. Sin embargo, al observar los efectos que causan en su entorno, la ciencia estructura los agujeros negros en el horizonte de sucesos, la singularidad y la ergósfera.
Horizonte de sucesos
El límite del campo gravitatorio del agujero negro desde el que no se observa nada se llama horizonte de sucesos o punto de no retorno.
Representación gráfica de un horizonte de sucesos, proporcionada por la NASA, en el que se observa una esfera perfecta de la que no se emite luz.
Aunque, de hecho, sólo es consecuencia de la gravedad, el horizonte de sucesos se considera parte de la estructura de un agujero negro porque es el comienzo del área observable del fenómeno.
Se sabe que su forma es perfectamente esférica en los agujeros negros estáticos y oblicua en los agujeros negros rotativos.
Debido a la dilatación gravitatoria del tiempo, la influencia que la masa del agujero negro ejerce en el espacio-tiempo hace que el horizonte de sucesos, incluso fuera de su radio de alcance, provoque los siguientes efectos:
- Para un observador distante, un reloj cerca del horizonte de sucesos se movería más lentamente que uno más lejos. Así, cualquier objeto que sea absorbido por el agujero negro parecería disminuir su velocidad hasta que pareciera paralizado en el tiempo.
- Para un observador distante, el objeto que se aproxima al horizonte de sucesos asumiría un tinte rojizo, consecuencia del fenómeno físico conocido como desviación al rojo, ya que la frecuencia de la luz se reduce por el campo gravitatorio del agujero negro.
- Desde el punto de vista del objeto, el tiempo pasaría en velocidad acelerada para todo el universo, mientras que para ti, el tiempo pasaría normalmente.
Singularidad
El punto central de un agujero negro, donde la masa de la estrella se ha concentrado infinitamente, se llama singularidad, de la que se sabe poco. En teoría, la singularidad contiene la masa total de la estrella que colapsa, sumada a la masa de todos los cuerpos aspirados por el campo gravitatorio, pero no tiene volumen ni superficie.
Ergósfera
La ergósfera es una zona que contornea el horizonte de acontecimientos en los agujeros negros giratorios, en los que es imposible que un cuerpo celeste permanezca quieto.
Aún así, de acuerdo con la relatividad de Einstein, cualquier objeto en rotación tiende a arrastrar el espacio-tiempo cerca de él. En un agujero negro giratorio, este efecto es tan fuerte que sería necesario que un cuerpo celeste se moviera en dirección opuesta a una velocidad mayor que la de la luz para permanecer quieto.
Es importante no confundir los efectos de la ergósfera con los efectos del horizonte de sucesos. La ergósfera no atrae objetos con el campo gravitacional. Por lo tanto, todo lo que entre en contacto con él sólo se desplazará en el espacio-tiempo y sólo será atraído si cruza el horizonte de sucesos.
Las teorías de Stephen Hawking sobre los agujeros negros
Stephen Hawking fue uno de los físicos y cosmólogos más influyentes de los siglos XX y XXI. Entre sus numerosas contribuciones, Hawking resolvió varios teoremas propuestos por Einstein que contribuyeron a la teoría de que el universo comenzó en una singularidad, reforzando aún más la llamada Teoría del Big Bang.
Hawking también creía que los agujeros negros no son completamente negros, pero emiten pequeñas cantidades de radiación térmica. Ese efecto se conoció en la física como la radiación Hawking. Esta teoría predice que los agujeros negros perderían masa con la radiación liberada y, en un proceso extremadamente lento, disminuirían hasta desaparecer.
Ver también:
- Teoría de la Relatividad
- Ondas gravitacionales
- Gravedad
- Big Bang
- Agujero de gusano