¿Qué son los agujeros negros?

Hace varios días que venía queriendo hacer una nota sobre agujeros negros, sobre todo desde la divulgación de la foto recientemente tomada del agujero negro en el centro de la gigantesca galaxia elíptica M87, que es la mayor y más luminosa de la zona norte del Cúmulo de Virgo.

Me costó decidir por donde empezar ya que sin algunos conocimientos previos, una clara explicación de lo que son estos tan extraños agujeros sería no sólo aburrida sino un verdadero fracaso. Por lo que opté explicarlo por medio de algunos ejemplos que espero sean sencillos de interpretar.

Primero intentaremos ver el porqué se dicen que son “Negros”, después porqué “Agujeros” y finalmente como se forman y de que están compuestos.

Para empezar recordemos que la masa de un objeto determina la cantidad de materia que tiene un cuerpo, recién cuando lo hagamos interactuar bajo la aceleración de la gravedad podrá adquirir un determinado peso. Newton nos decía que si queríamos saber cual era la fuerza (peso en este caso) que actuaba en un objeto deberíamos multiplicar su masa por la aceleración otorgada (gravedad también en este caso). Y es por eso que si pesamos 60 Kilos en la tierra, pesaremos mas o menos 10 Kilos en la luna o 150 kilos en Júpiter!!! Sin embargo nosotros seremos los mismos (misma masa), sólo ha cambiado la aceleración gravitatoria. Y esta aceleración gravitatoria más vale que dependerá de la masa del planeta o satélite natural, pero también lo hará del radio del mismo. En otras palabras, si la tierra tuviera la misma masa pero sería la mitad de tamaño pesaríamos muchísimo más -su fuerza gravitatoria sería varias veces superior- y viceversa.

Dicho ésto no nos será muy difícil pensar que si tiramos un manzana al aire, ésta llevará un energía cinética (fuerza con la cual la tiramos) que la hará subir hasta donde la fuerza de la gravedad le permita, y ésto será hasta que su energía potencial tome, según la altura a la cual haya llegado, un valor similar a la energía cinética en el lanzamiento, para luego caer como lo haría cualquier cuerpo en caída libre. Mas fuerte la tiremos, más alto llegará, o si lo hacemos en la luna con la misma fuerza que lo haríamos en la tierra iría mucho más alto porque su fuerza gravitatoria es seis veces menor. Si lo hiciéramos en Júpiter al contario llegaría muchísimo más bajo.
Ahora pensemos que queremos tirar las manzanas para que le lleguen a alguien que está esperándolas en la Luna. Para ello deberíamos incorporar un nuevo parámetro de cálculo que sería la “velocidad de escape” de un cuerpo con masa o lo que es lo mismo con gravedad. Esta velocidad determina a que velocidad tenemos que impulsar un objeto para que pueda subir lo suficientemente alto para romper la barrera gravitatoria y llegar al espacio donde por no haber mas gravedad podría seguir su viaje a la velocidad que le reste en ese instante, y para el caso de nuestra tierra sería de 2.380m/seg.
Como la velocidad inicial dependerá de la fuerza que le apliquemos al impulsarlos, ni se quieran imaginar cual sería ésta para que pueda abandonar la atmósfera, y mucho menos en planetas más grandes con mucha mayor masa o a igual masa de mucho menor radio. Es más, pensemos por un momento que si el planeta en donde estamos es infinitamente grande que nuestra tierra, no podríamos por más que quisiéramos mandar absolutamente nada al espacio porque no tendríamos jamás la fuerza suficiente para hacerlo.

Si se entendió hasta acá veamos que pasaría con la luz de una enorme linterna si la apuntáramos para arriba. ¿Se vería desde la luna? La respuesta es obvia… Más vale que sí, de la misma forma que vemos la luna cuando el sol la ilumina o a las mismas estrellas. La luz puede avanzar “casi” sin problemas aunque haya algo de gravedad, pues ella no está compuesta de masa, sino de fotones, y éstos son cuántos de energía que no tienen masa y van increíblemente alternándose entre una extraña dualidad entre ondas y partículas. Sin embargo dije “casi” porque Einstein descubría algo llamada teoría de la relatividad general que ponía de manifiesto una estructura del espacio nunca antes imaginada y que daba la respuesta a la inquietud más grande que haya tenido Newton:

“Sí pude encontrar que los cuerpos se atraen por una fuerza gravitatoria y hasta le he dado una formula exacta para calcularla. Pero… ¿por qué es así?”

Es más, se cuenta que Newton se desvelaba pensando el “¿Cómo se daban cuenta los satélites, los planetas, las estrellas, que se tenían que atraer con una exacta fuerza que hasta se podía calcular con exactitud si estaban lejísimos y hasta, por así decirlo, nunca se habían visto ni preguntado cuan grandes serían…”
Fue Einstein hace un poco más de 100 años quien con su teoría no sólo le daba la respuesta, sino que determinaba que la luz también es alterada por la gravedad de un cuerpo, y si éste tuviera una masa enorme en un radio muy chico –imaginemos la masa de nuestra tierra en una superficie como la de una nuez-, sería tan enorme su fuerza gravitatoria que no sólo las manzanas serían imposibles de tirar para arriba sino que los haces de luz se “doblarían” dirigiéndose hacia el centro de gravedad del planeta en cuanto apenas fueran despedidos, impidiendo en forma absoluta que fueran para arriba, mucho menos que logren abandonar la atmósfera para que puedan ser vistos de otro lugar del espacio, convirtiéndonos en un mini planeta totalmente “oscuro”, totalmente negro para los demás, donde la luz no sólo no puede ir a ningún lado que no sea hacia el centro del mismo sino que cualquier luz que quiera venir de afuera sería “aspirada” por dicha fuerza gravitatoria sin posibilidad alguna que se refleje. Para todo el espacio seríamos simplemente un cuerpo absolutamente negro, que NO SE PODRÍA VER!!!

En el porqué se lo llama “Agujero” vamos a poder entender también porque la luz se dobla como se acaba de comentar.
Einstein sostenía en su teoría que todo cuerpo en el espacio que tuviera masa lo deformaría en función del valor de esta última de tal manera que todo cuerpo cerca de él sentiría sus consecuencias, tal como hundiría una pesada bola de bowling en el centro de un colchón. Podemos imaginar en este ejemplo que si tiramos bolitas en el colchón deformado por el peso de la bola, éstas caerían derechitas hacia la bola como lo hacían las manzanas que tirábamos para arriba. O que si en la superficie inclinada hacia abajo por el peso de la bola tiramos una bolita con la suficiente fuerza horizontalmente, tal como lo haríamos con la bolita de una ruleta, ésta si no tiene la fuerza como para salir expulsada del colchón quedaría dando vueltas como un órbita lunar alrededor de la tierra o la tierra misma alrededor del sol. (Más vale que en este ejemplo la bolita pierde energía cinética por el roce con el colchón y cada vez irá “orbitando” mas cerca de la bola hasta pegar con ella).

Si entendimos el ejemplo podemos entonces decir varias cosas:

Si el cuerpo en cuestión tiene una cantidad enorme de masa en un radio muy chico en comparación podría agujerear el colchón por su increíble valor gravitatorio. “Agujero”

Si bien la luz no tiene masa y no se vería afectada por esa gigantesca gravedad, al seguir una dirección rectilínea a 300.000 Km/seg en un espacio exageradamente curvado hacia adentro por semejante masa concentrada no tendrá mas camino que circular por el que la lleva al fondo del agujero, curvándose hacia abajo apenas al salir de nuestra “linterna” dirigida hacia Arriba o “chupando” cualquier luz que llegue del exterior.

“Cualquiera que quiera ver hacia allí, lo vería absolutamente negro”

Si no hice tan mal los deberes ya podemos tener una noción de que es un “agujero” y porque le decimos “negro”, pero ¿Y cómo se forman?

Demás está decir que si pudiéramos contraer toda la tierra al tamaño de una nuez sin perder ni un gramo de toda su masa lograríamos tener un pequeñito “agujero negro”, pero para tranquilizarlos les diría que haría falta una energía equivalente a millones y millones de bombas atómicas.
O si lográramos compactar al sol en una circunferencia de 3 kilómetros también lograríamos uno un poquito más grande, en donde a partir de ese momento no veríamos ni un brillito más de sol, porque como se dijo toda la radiación electromagnética, incluidas las infrarrojas, visibles y ultravioletas verían deformado su camino hacia adentro del mismo y no hacia el exterior como lo hace hasta ahora. Pero a diferencia de la tierra, en el sol si tenemos la posibilidad de tener la energía de millones de bombas atómicas para lograrlo, por lo que hablemos un poco más de eso.

El sol, como cualquier estrella brillante, por medio de la fusión nuclear se encuentra en una constante degradación de la materia liberando energía en cantidades exorbitantes que a muy nuestro beneficio nos permiten la vida. Einstein determinó que la energía de la materia en reposo es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado “e=mc2“, y aún cuando la masa sea pequeña, como la velocidad de la luz es casi 300.000.000m/s este valor es de proporciones increíbles.

Claro que casi toda la materia que está a nuestro alcance está en un absoluto equilibrio de masa por lo que no libera energía alguna, pero si quisiéramos romper la estructura molecular del átomo, por ejemplo con el bombardeo en cadena de neutrones en materiales pesados como el uranio o el plutonio, la disminución de masa que produzcamos equivaldrá a una tremenda liberación de energía (Fisión nuclear, característico de las Bombas Atómicas).

En el sol, como en cualquier estrella brillante, a través de la fusión nuclear que se produce en su interior, núcleos de hidrógeno chocan entre sí, y se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado de helio liberando una enorme cantidad de energía la qué al ser muchísimo más poderosa que la fuerza gravitatoria, pueden cruzarla sin inconvenientes para poder en forma de radiaciones electromagnéticas llegar a todo el universo. Pero esta masa que se va degradando y liberando energía llega al día en que pierde la pulseada contra la presión gravitatoria del propio sol no pudiendo sobrepasar sus límites gravitatorios y concentrándose de tal manera en su interior que colapsa de tal manera que las capas exteriores salen despedidas en un explosión supernova y su núcleo se comprime tan considerablemente que se convierte en un agujero negro (Una cantidad casi infinita de masa en un esfera muy chica de tamaño)

Se estima que estamos a millones de años de que esto ocurra en nuestro sol, pero el universo está repleto de agujeros negros que han sido estrellas brillantes, algunas miles de millones mas grandes que nuestro sol y que han colapsado convirtiéndose en verdaderos agujeros negros.

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Se muestra la foto captada por una red de telescopios que conforman el Telescopio de Horizonte de Eventos (EHT, por sus siglas en inglés), que logró capturar “en detalle” cómo luce un agujero negro tres millones de veces más grande que la Tierra.
Este “monstruo”, como lo llamaron los científicos, está ubicado en la galaxia Messier 87 (M87), a unos 55 millones de años luz de nuestro planeta.

El anillo brillante que se puede observar es el límite exterior del agujero negro conformado por gases muy calientes cuyas radiaciones se desplazan circularmente a la velocidad de la luz y se denomina horizontes de sucesos. Es el exacto lugar en donde una vez que cualquier cosa que lo alcance, llámese materia o energía ondulatoria, es indefectiblemente succionada por el propio agujero. La diferencia entre la brillantez del anillo se debe al efecto Doppler, ya que la porción de anillo que es cruzada a la velocidad de la luz en dirección hacia nosotros se ve mucho más brillante que la que se aleja de nuestra vista.

También se muestra la foto donde se puede ver el área de la galaxia capturada sin el zoom realizado para mostrar sólo el agujero negro.

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Algunos otros datos curiosos son que esta foto representa el estado de esa porción del universo ocurrida hace 55 millones de años, años que ha tardado la luz en llegar a nuestros telescopios, la masa de ese agujero negro se estima en 6.500 millones veces mayor que la de nuestro sol y lo más sorprendente de todo es que el tiempo en su interior se detiene. Sí, en él no transcurre el tiempo que nos es tan familiar, si pudieras estar en el borde de ese horizonte de sucesos tu reloj se detendría, y si volvieras… millones y millones de años habrían pasado para tus semejantes.
Esto último ocurre también por la teoría de la relatividad de Einstein, donde el tiempo que es afectado por la gravedad va mucho más lento cuanto ésta es mayor. (Diferencia que hasta es tenida en cuenta en los relojes atómicos que poseen los satélites que al ir mucho más rápidos que los terrestres, deben autoajustar su tiempo para ir acorde a los demás. De otra forma, por ejemplo los GPS, funcionarían erróneamente)

Un último dato, esta foto fue capturada como si fuera con un telescopio cuya lente fuera del diámetro de la tierra. Como esto es prácticamente imposible, se efectuó compaginando fotos digitales de altísima resolución tomados de 8 telescopios repartidos por todo el globo terráqueo y procesadas por supercomputadoras por el término de dos años con la programación y supervisión de más de 200 científicos de todo el mundo.

Me quedaron un montón de ejemplos y curiosidades respecto a este tema, pero si sigo lo haría interminable, así y todo no pude hacerlo más breve aunque lo hubiera querido. Dejo algunas cosas también muy interesantes para otra publicación.

Espero no haberlos aburrido.

Daniel Calcagni.

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