El universo destruye algo de diferentes formas. Si intenta contener la respiración en el espacio, sus pulmones explotarán; si, en cambio, inhala cada molécula de aire, perderá el conocimiento. En algunos lugares, se congelará, habiendo perdido lo último de su calor corporal; otros estarán tan calientes que los átomos de su cuerpo se convertirán en plasma. Pero de todas las formas en que el universo se deshace de los objetos, la más divertida es enviarlo a un agujero negro.
¿Qué hay más allá del horizonte de eventos?
norte
Según nuestra teoría de la gravedad, la teoría de la relatividad general de Einstein, las propiedades de un agujero negro están determinadas por tres cosas. A saber:
- Masa, o la cantidad total de materia y la cantidad equivalente de energía (según la fórmula E = mc2), que van a la formación y crecimiento de un agujero negro a su estado actual.
- Carga, o la carga eléctrica total que existe en un agujero negro de todos los objetos cargados positiva y negativamente que cayeron en el agujero negro en toda la historia de su vida.
- Momento angular (momento), o giro, que es una medida de la cantidad total de movimiento de rotación que tiene un agujero negro por naturaleza.
En realidad, todos los agujeros negros que existen físicamente en nuestro universo deben tener grandes masas, cantidades significativas de momento angular y cargas insignificantes. Esto hace que la situación sea extremadamente difícil.
Cuando solemos imaginar un agujero negro, imaginamos una versión simple de él, que se describe solo por su masa. Tiene un horizonte de eventos que rodea un punto y un área que rodea ese punto, más allá de la cual la luz no puede ir. Esta área es completamente esférica y tiene un límite que separa las áreas de las que la luz puede escapar y de las que no: el horizonte de eventos. El horizonte de eventos está a una cierta distancia (radio de Schwarzschild) de la singularidad en todas las direcciones simultáneamente.
Video promocional:
Esta es una versión simplificada de un agujero negro realista, pero un gran lugar para comenzar a pensar en la física que tiene lugar en dos lugares diferentes: más allá del horizonte de eventos y dentro del horizonte de eventos.
Fuera del horizonte de eventos, la gravedad se comporta como cabría esperar normalmente. El espacio se dobla en presencia de masa, lo que hace que todos los objetos del universo se aceleren hacia la singularidad central. Si estuviera a una gran distancia de un agujero negro en reposo y dejara caer un objeto en él, ¿qué vería?
Suponiendo que haya logrado mantenerse quieto, verá que el objeto que cae se acelera lentamente desde usted hacia este agujero negro. Acelerará hacia el horizonte de eventos, después de lo cual sucederá algo extraño. Le parecerá que se ralentiza, se desvanece y se enrojece. Pero no desaparecerá por completo. Solo se acercará a él: se volverá opaco, rojo y más difícil de detectar. Siempre puedes verlo si miras lo suficientemente de cerca.
Ahora imaginemos el mismo escenario, pero esta vez imaginemos que eres el mismo objeto cayendo en un agujero negro. La experiencia será completamente diferente.
El horizonte de eventos se hará más grande mucho más rápido de lo esperado a medida que la curvatura del espacio se vuelva más fuerte. El espacio está tan curvado alrededor del horizonte de sucesos que verás muchas imágenes del universo, que es desde el exterior, como si se reflejara y volviera.
Y una vez que cruce el horizonte de eventos, no solo podrá ver el universo exterior, sino parte del universo dentro del horizonte de eventos. En los momentos finales, el espacio se verá completamente plano.
¿Qué hay en un agujero negro?
La física de todo esto es compleja, pero los cálculos son bastante simples y los hizo Andrew Hamilton de la Universidad de Colorado con la mayor elegancia en una serie de artículos de finales de la década de 2000 y principios de la de 2010. Hamilton también creó una serie de representaciones impresionantes de lo que verá caer en un agujero negro basándose en estos cálculos.
Después de examinar estos resultados, podemos sacar una serie de conclusiones, muchas de las cuales son ilógicas. Para tratar de darles sentido, debe cambiar la forma en que representa el espacio. Por lo general, pensamos en él como un tejido inmóvil y pensamos que el observador está "descendiendo" en algún lugar. Pero dentro del horizonte de eventos, siempre estás en movimiento. El espacio se mueve, como una cinta de correr, continuamente, moviendo todo en sí mismo hacia la singularidad.
Y mueve todo tan rápido que incluso si acelera directamente desde la singularidad con fuerza infinita, seguirá cayendo hacia el centro. Los objetos más allá del horizonte de eventos seguirán enviándole luz desde todas las direcciones, pero solo podrá ver una fracción de los objetos más allá del horizonte de eventos.
La línea que define el límite entre lo que cualquier observador puede ver está matemáticamente descrita por el cardioide, donde el componente con el radio más grande toca el horizonte de eventos y el componente con el radio más pequeño está en la singularidad. Esto significa que una singularidad, incluso como un punto, no conecta necesariamente todo lo que cae en ella con todo lo demás. Si tú y yo caemos en el horizonte de eventos desde diferentes direcciones al mismo tiempo, nunca veremos la luz del otro después de que se cruce el horizonte de eventos.
norte
La razón de esto es el tejido en constante movimiento del propio Universo. Dentro del horizonte de eventos, el espacio se mueve más rápido que la luz, por lo que nada puede escapar del agujero negro. Es por eso que cuando golpeas un agujero negro, comienzas a ver cosas extrañas como múltiples imágenes del mismo objeto.
Puedes entender esto haciendo la pregunta: ¿dónde está la singularidad?
Desde dentro del horizonte de eventos del agujero negro, en cualquier dirección que se mueva, terminará encontrando la singularidad en sí. Por tanto, curiosamente, la singularidad aparece en todas direcciones. Si sus piernas apuntan en la dirección de aceleración, las verá frente a usted, pero también por encima de usted. Todo esto es fácil de calcular, aunque extremadamente ilógico. Y eso es solo para un caso simplificado: un agujero negro no giratorio.
Pasemos ahora al caso físicamente interesante: cuando el agujero negro gira. Los agujeros negros deben su origen a sistemas de materia, como las estrellas, que siempre giran en algún nivel. En nuestro universo (y en la relatividad general), el momento angular es la cantidad absoluta encerrada para cualquier sistema cerrado; no hay forma de deshacerse de él. Cuando el agregado de materia colapsa a un radio que es menor que el radio del horizonte de eventos, el momento angular queda atrapado dentro de él, como la masa.
La solución que tenemos aquí será mucho más complicada. Einstein presentó la relatividad general en 1915, y Karl Schwarzschild obtuvo una solución para un agujero negro sin rotación un par de meses después, a principios de 1916. Pero el siguiente paso para modelar este problema de una manera más realista, donde el agujero negro tiene un momento angular, no solo masa, solo se tomó en 1963, cuando Roy Kerr encontró la solución exacta en 1963.
Existen varias diferencias fundamentales e importantes entre la solución más ingenua y simple de Schwarzschild y la solución más realista y compleja de Kerr. Entre ellos:
- En lugar de una sola decisión sobre dónde está el horizonte de eventos, un agujero negro giratorio tiene dos soluciones matemáticas: un horizonte de eventos interno y externo.
- Más allá incluso del horizonte de eventos exterior, existe un lugar conocido como ergosfera, en el que el espacio mismo se mueve a una velocidad de rotación igual a la velocidad de la luz, y las partículas que contiene experimentan tremendas aceleraciones.
- Hay una relación máxima permitida de momento angular a masa; si el impulso es demasiado fuerte, el agujero negro irradiará esta energía (a través de la radiación gravitacional) hasta que llegue al límite.
- Y lo más interesante: la singularidad en el centro del agujero negro ya no es un punto, sino un anillo unidimensional, cuyo radio está determinado por la masa y el momento angular del agujero negro.
Con todo esto en mente, ¿qué sucede cuando chocas con un agujero negro? Sí, es lo mismo que pasa si caes en un agujero negro no giratorio, excepto que no todo el espacio se comporta como si cayera hacia la singularidad central. En cambio, el espacio también se comporta como si se moviera a lo largo de la dirección de rotación, como un embudo giratorio. Cuanto mayor es la relación entre el momento angular y la masa, más rápido gira.
Esto significa que, si ve algo que cae en un agujero negro, verá que se vuelve más tenue y rojo, pero también se mancha en un anillo o disco en la dirección de rotación. Si caes en un agujero negro, serás girado como un carrusel que te arrastrará hacia el centro. Y cuando llegues a la singularidad, será un anillo; diferentes partes de su cuerpo se encontrarán con una singularidad, en la ergosuperficie interna del agujero negro de Kerr, en diferentes coordenadas espaciales. Poco a poco dejarás de ver otras partes de tu propio cuerpo.
Lo más importante que debes entender de todo esto es que la estructura del espacio mismo está en movimiento, y el horizonte de eventos se define como un lugar en el que incluso si te mueves a la velocidad de la luz, en cualquier dirección que elijas, inevitablemente chocarás. con una singularidad.
Las representaciones de Andrew Hamilton son los mejores y más precisos modelos de lo que sucede cuando caes en un agujero negro, y son tan ilógicas que hay que revisarlas una y otra vez hasta que comienzas a entender algo (realmente no comienzas). Es espeluznante y hermoso, y si eres lo suficientemente aventurero como para volar a un agujero negro y cruzar el horizonte de eventos, esto será lo último que hayas visto.
Ilya Khel
