¿Qué se siente al caer en un agujero negro giratorio? Es imposible observar esto, pero se puede calcular … La pregunta es sumamente interesante, y la ciencia puede responderla, porque se conocen las propiedades de los agujeros negros, escribe Forbes. El doctor en astrofísica habló con muchas personas que hicieron tales cálculos y tiene prisa por hablar sobre los hallazgos extremadamente interesantes, respaldados por una serie de visualizaciones.
Hay muchas formas terribles en las que el universo puede destruir algo. En el espacio, si intenta contener la respiración, sus pulmones explotarán. Y si exhala todo el aire hasta la última molécula, luego de un par de segundos, apague. En algunos lugares del universo, te convertirás en hielo cuando el calor abandone tu cuerpo; en otros lugares hace tanto calor que sus átomos se convertirán en plasma. Pero cuando considero cómo el universo puede deshacerse de mí (o de ti), no puedo imaginar una vista más fascinante que entrar en un agujero negro. El científico Heino Falcke, que está trabajando en el proyecto Event Horizon Telescope, es de la misma opinión. El esta preguntando:
¿Qué se siente al caer en un agujero negro giratorio? Es imposible observar esto, pero es posible calcular … He hablado con muchas personas que han hecho este tipo de cálculos, pero estoy envejeciendo y comenzando a olvidar muchas cosas.
Esta pregunta es extremadamente interesante y la ciencia puede responderla. Preguntémosle.
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Según nuestra teoría de la gravitación, la teoría general de la relatividad de Einstein, solo hay tres características que determinan las propiedades de un agujero negro. Aquí están:
1. Masa, o la cantidad total de materia y la cantidad correspondiente de energía (calculada por la fórmula E = mc2), que se gastó en la formación y crecimiento del agujero negro en su estado actual.
2. La carga, o la carga eléctrica total que surge en un agujero negro de todos los objetos cargados positiva y negativamente que caen allí durante su existencia.
3. El momento angular o momento de rotación, que mide la cantidad total de movimiento de rotación de un agujero negro.
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Siendo realistas, todos los agujeros negros del Universo deben tener una gran masa, un par significativo y una carga insignificante. Esto complica mucho las cosas.
Pensando en un agujero negro, lo representamos de forma simplificada, caracterizándolo solo por masa. Tiene un horizonte de eventos alrededor de un solo punto (singularidad), así como un área alrededor de este punto, de la cual la luz no puede escapar. Esta área tiene la forma de una esfera perfecta y un límite que separa las áreas que pueden emitir luz y las que no. Esta frontera es el horizonte de eventos. El horizonte de eventos está ubicado a una distancia muy específica e igual (radio de Schwarzschild) de la singularidad en todas las direcciones.
Esta es una descripción simplificada de un agujero negro real. Pero es mejor comenzar con los fenómenos físicos que ocurren en dos lugares específicos: fuera del horizonte de eventos y dentro del horizonte de eventos.
Más allá del horizonte de eventos, la gravedad se comporta como de costumbre. El espacio está curvado por la presencia de esta masa, dando a todos los objetos del universo una aceleración en la dirección de la singularidad central. Si partimos a una gran distancia del agujero negro en reposo y dejamos que el objeto caiga en él, ¿qué vemos?
Supongamos que podemos quedarnos quietos. En este caso, veremos cómo el objeto va lentamente pero con aceleración alejándose de nosotros, avanzando hacia este agujero negro. Acelera hacia el horizonte de eventos conservando su color. Pero luego sucede algo extraño. El objeto parece ralentizarse, desvanecerse y difuminarse, y luego se vuelve cada vez más rojo. Pero no desaparece por completo. En cambio, parece acercarse a este estado de desaparición: se vuelve menos nítido, más rojo y cada vez es más difícil detectarlo. El horizonte de sucesos es como la asíntota de la luz de un objeto: siempre podemos verlo si miramos de cerca.
Ahora imagina el mismo escenario, pero esta vez no observaremos un objeto que cae en un agujero negro desde lejos. Nos imaginaremos en el lugar de un objeto que cae. Y en este caso, nuestras sensaciones serán completamente diferentes.
El horizonte de eventos crece mucho más rápido de lo que esperábamos a medida que el espacio se deforma. El espacio está tan curvado alrededor del horizonte de eventos que comenzamos a ver numerosas imágenes del universo exterior, como si se reflejara y se volviera del revés.
Y cuando cruzamos el horizonte de eventos y entramos, no solo vemos el universo exterior, sino parte de él dentro del horizonte de eventos. La luz que recibimos cambia a la parte violeta del espectro, luego vuelve a la roja, e inevitablemente caemos en la singularidad. En los últimos momentos, el espacio exterior parece extrañamente plano.
La imagen física de este fenómeno es compleja, pero los cálculos son bastante simples y directos, y fueron realizados de manera brillante en una serie de artículos científicos escritos en 2000-2010 por Andrew Hamilton de la Universidad de Colorado. Hamilton también creó una serie de visualizaciones vívidas de lo que vemos cuando caemos en un agujero negro basándose en sus cálculos.
Hay muchas lecciones que aprender de estos resultados, y muchas de ellas son contrarias a la intuición. Intentar descifrarlos nos ayudará a cambiar nuestra percepción visual del espacio. Por lo general, imaginamos el espacio como una especie de estructura inmóvil y pensamos que el observador ha caído en algún lugar dentro de él. Sin embargo, dentro del horizonte de eventos, estamos en constante movimiento. Todo el espacio está esencialmente en movimiento como una cinta transportadora. Se mueve constantemente, moviendo todo dentro de sí mismo en la dirección de la singularidad.
Mueve todo tan rápido que incluso si empezamos a acelerar alejándonos de la singularidad, teniendo una cantidad infinita de fuerza, seguiremos cayendo hacia el centro. La luz de los objetos fuera del horizonte de eventos todavía nos llegará desde todas las direcciones, pero nosotros, al estar dentro del horizonte de eventos, solo podremos ver una parte de estos objetos.
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La línea que define el límite entre lo que ve el observador se llama cardiodide en matemáticas. El componente del radio más grande del cardioide toca el horizonte de eventos y el componente del radio más pequeño termina en la singularidad. Esto significa que, aunque la singularidad es un punto, no conecta inevitablemente lo que entra con todo lo demás. Si usted y yo vamos simultáneamente a lados opuestos del horizonte de eventos, luego de cruzarlo, ya no podremos vernos.
La razón de esto está en la estructura del propio Universo, que está en constante movimiento. Dentro del horizonte de eventos, el espacio viaja más rápido que la luz y, por lo tanto, nada puede ir más allá del agujero negro. Por la misma razón, mientras estamos dentro de un agujero negro, comenzamos a ver cosas extrañas, por ejemplo, muchas imágenes del mismo objeto.
Puede entender esto haciendo la siguiente pregunta: "¿Dónde está la singularidad?"
Al estar dentro del horizonte de eventos de un agujero negro, nosotros, habiendo comenzado a movernos en cualquier dirección, eventualmente nos enterraremos en una singularidad. Es asombroso, ¡pero la singularidad aparece en todas direcciones! Si mueve los pies hacia adelante y acelera, verá sus pies debajo y encima de usted al mismo tiempo. Todo esto es bastante fácil de calcular, aunque tal imagen parece ser una paradoja sorprendente. Mientras tanto, estamos considerando solo un caso simplificado: un agujero negro que no gira.
La primera fotografía de un agujero negro y su halo de fuego.
Ahora vayamos a lo más divertido en términos de física y veamos un agujero negro que está girando. Los agujeros negros deben su origen a sistemas de materia, como las estrellas, que giran constantemente a una velocidad u otra. En nuestro Universo (y en la relatividad general), el par es una propiedad conservada de cualquier sistema cerrado y no hay forma de deshacerse de él. Cuando el agregado de materia se contrae a un radio que es menor que el radio del horizonte de eventos, el momento de rotación, como la masa, queda atrapado y atrapado adentro.
La solución aquí es mucho más complicada. Einstein propuso su teoría de la relatividad en 1915, y Karl Schwarzschild obtuvo la solución para un agujero negro no giratorio a principios de 1916, es decir, un par de meses después. Pero el siguiente paso en el modelado realista de este problema, dado que un agujero negro no solo tiene masa sino también torque, fue tomado solo en 1963 por Roy Kerr, quien encontró una solución.
Hay algunas diferencias fundamentales e importantes entre la solución algo ingenua y simple de Schwarzschild y la solución más realista y compleja de Kerr. Aquí hay algunas diferencias sorprendentes:
1. En lugar de una única solución a la cuestión de dónde está el horizonte de eventos, un agujero negro en rotación tiene dos soluciones matemáticas: un horizonte de eventos interno y externo.
2. Más allá del horizonte de sucesos exterior, hay un lugar conocido como ergosfera, donde el espacio mismo se mueve a una velocidad angular igual a la velocidad de la luz, y las partículas que entran en él reciben una aceleración colosal.
3. Hay una relación máxima admisible de par / masa. Si el valor del par es demasiado grande, el agujero negro emite esta energía (a través de la radiación gravitacional) hasta que la relación vuelve a la normalidad.
4. Y lo más llamativo es que la singularidad en el centro del agujero negro ya no es un punto, sino un anillo unidimensional, donde el radio del anillo está determinado por la masa y el momento de rotación del agujero negro.
Sabiendo todo esto, ¿podemos entender qué sucede cuando entramos en un agujero negro en rotación? Sí, lo mismo que entrar en un agujero negro no giratorio, excepto que el espacio no se comporta como si estuviera cayendo en una singularidad central. El espacio se comporta como si se tirara alrededor de la circunferencia en el sentido de rotación. Parece un remolino. Cuanto mayor sea la relación entre el movimiento de rotación y la masa, más rápido se produce la rotación.
Esto quiere decir que si vemos algo caer hacia adentro, notaremos cómo ese algo se vuelve rojo y desaparece gradualmente, pero no solo. Se comprime y se convierte en un anillo o disco en el sentido de giro. Si entramos, seremos rodeados como en un carrusel loco, succionados hacia el centro. Y cuando lleguemos a la singularidad, será en forma de anillo. Diferentes partes de nuestro cuerpo caerán en una singularidad en la ergosuperficie interna del agujero negro de Kerr en diferentes coordenadas espaciales. A medida que nos acercamos a la singularidad desde el interior del horizonte de eventos, perderemos gradualmente la capacidad de ver otras partes de nuestro cuerpo.
La información más importante que se puede extraer de todo esto es que la estructura del espacio mismo está en movimiento; y el horizonte de eventos se define como el lugar donde usted, incluso con la capacidad de viajar al límite de la velocidad cósmica más alta, que es la velocidad de la luz, y en cualquier dirección, siempre se encontrará con una singularidad.
Las representaciones de Andrew Hamilton son las mejores y más científicamente precisas simulaciones de lo que sucede cuando chocas con un agujero negro. Son tan contradictorios y tan paradójicos que solo puedo recomendarte una cosa: míralos una y otra vez hasta que te engañes pensando que los entiendes. Esta es una vista maravillosa y fantástica. Y si el espíritu aventurero en ti es tan fuerte que decides entrar en un agujero negro y entrar en el horizonte de eventos, ¡esto será lo último que veas!
Ethan Siegel
