De todos los objetos hipotéticos del universo predichos por las teorías científicas, los agujeros negros causan la impresión más inquietante. Y, aunque las suposiciones sobre su existencia comenzaron a expresarse casi un siglo y medio antes de la publicación de la relatividad general por parte de Einstein, recientemente se obtuvieron pruebas convincentes de la realidad de su existencia.
Comencemos observando cómo la relatividad general aborda la cuestión de la naturaleza de la gravedad. La ley de la gravedad de Newton establece que una fuerza de atracción mutua actúa entre dos cuerpos masivos cualesquiera del Universo. Debido a esta atracción gravitacional, la Tierra gira alrededor del Sol. La relatividad general nos obliga a mirar el sistema Sol-Tierra de manera diferente. Según esta teoría, en presencia de un cuerpo celeste tan masivo como el Sol, el espacio-tiempo es, por así decirlo, perforado bajo su peso, y la uniformidad de su tejido se altera. Imagine un trampolín elástico con una pelota pesada (por ejemplo, de una bolera) descansando sobre él. La tela estirada se dobla bajo su peso, creando un vacío a su alrededor. De la misma manera, el Sol empuja el espacio-tiempo a su alrededor.
Según esta imagen, la Tierra simplemente rueda alrededor del embudo formado (excepto que una pequeña bola que rueda alrededor de una pesada en un trampolín inevitablemente perderá velocidad y se acercará más a una grande). Y lo que percibimos habitualmente como la fuerza de la gravedad en nuestra vida cotidiana tampoco es más que un cambio en la geometría del espacio-tiempo, y no una fuerza en la comprensión newtoniana. Hasta la fecha, no se ha inventado una explicación de la naturaleza de la gravedad más exitosa que la que nos da la teoría general de la relatividad.
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Ahora imagina qué pasará si nosotros, en el marco de la imagen propuesta, aumentamos y aumentamos la masa de una bola pesada sin aumentar su tamaño físico. Al ser absolutamente elástico, el embudo se profundizará hasta que sus bordes superiores converjan en algún lugar muy por encima de la bola completamente pesada, y luego simplemente deja de existir cuando se ve desde la superficie. En el Universo real, habiendo acumulado suficiente masa y densidad de materia, el objeto golpea una trampa de espacio-tiempo alrededor de sí mismo, la estructura del espacio-tiempo se cierra y pierde su conexión con el resto del Universo, volviéndose invisible para él. Así es como aparece un agujero negro.
Schwarzschild y sus contemporáneos creían que esos extraños objetos espaciales no existían en la naturaleza. El propio Einstein no sólo mantuvo este punto de vista, sino que también creyó erróneamente que había logrado fundamentar matemáticamente su opinión.
En la década de 1930, el joven astrofísico indio Chandrasekhar demostró que una estrella que gasta su combustible nuclear se deshace de su caparazón y se convierte en una enana blanca que se enfría lentamente solo si su masa es menos de 1,4 veces la masa del Sol. Pronto, el estadounidense Fritz Zwicky se dio cuenta de que las explosiones de supernovas producen cuerpos extremadamente densos de materia neutrónica; más tarde, Lev Landau llegó a la misma conclusión. Después del trabajo de Chandrasekhar, era obvio que solo las estrellas con una masa de más de 1,4 masas solares pueden experimentar tal evolución. Por lo tanto, surgió una pregunta natural: ¿existe un límite de masa superior para las supernovas que dejan estrellas de neutrones?
A finales de la década de 1930, el futuro padre de la bomba atómica estadounidense, Robert Oppenheimer, estableció que realmente existe ese límite y no supera varias masas solares. Entonces no fue posible dar una evaluación más precisa; ahora se sabe que las masas de las estrellas de neutrones deben estar en el rango de 1.5-3 Ms. Pero incluso de los cálculos aproximados de Oppenheimer y su estudiante graduado George Volkov, se deduce que los descendientes más masivos de las supernovas no se convierten en estrellas de neutrones, sino que pasan a algún otro estado. En 1939, Oppenheimer y Hartland Snyder, utilizando un modelo idealizado, demostraron que una estrella masiva que colapsa se contrae a su radio gravitacional. De sus fórmulas, en realidad se deduce que la estrella no se detiene allí, pero los coautores se abstuvieron de llegar a una conclusión tan radical.
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La respuesta final se encontró en la segunda mitad del siglo XX gracias a los esfuerzos de toda una galaxia de brillantes físicos teóricos, incluidos los soviéticos. Resultó que tal colapso siempre comprime la estrella "hasta el final", destruyendo por completo su sustancia. Como resultado, surge una singularidad, un "superconcentrado" del campo gravitacional, cerrado en un volumen infinitamente pequeño. Para un agujero estacionario, este es un punto, para uno giratorio, un anillo. La curvatura del espacio-tiempo y, por tanto, la fuerza gravitacional cerca de la singularidad tienden al infinito. A fines de 1967, el físico estadounidense John Archibald Wheeler fue el primero en llamar agujero negro a tal colapso estelar final. El nuevo término enamoró a los físicos y deleitó a los periodistas que lo difundieron por el mundo (aunque a los franceses no les gustó al principio, ya que la expresión trou noir sugería asociaciones dudosas).
La propiedad más importante de un agujero negro es que lo que sea que entre en él, no regresará. Esto se aplica incluso a la luz, razón por la cual los agujeros negros recibieron su nombre: un cuerpo que absorbe toda la luz que cae sobre él y no emite la suya propia parece absolutamente negro. De acuerdo con la relatividad general, si un objeto se acerca al centro de un agujero negro a una distancia crítica (esta distancia se llama radio de Schwarzschild), nunca podrá retroceder. (El astrónomo alemán Karl Schwarzschild (1873-1916) en los últimos años de su vida, utilizando las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein, calculó el campo gravitacional alrededor de una masa de volumen cero.) Para la masa del Sol, el radio de Schwarzschild es de 3 km, es decir, para girar nuestro El sol está en un agujero negro, ¡necesitas compactar toda su masa al tamaño de una pequeña ciudad!
Dentro del radio de Schwarzschild, la teoría predice fenómenos aún más extraños: toda la materia de un agujero negro se acumula en un punto infinitamente pequeño de densidad infinita en su mismo centro; los matemáticos llaman a ese objeto una perturbación singular. Con una densidad infinita, cualquier masa finita de materia, matemáticamente hablando, ocupa un volumen espacial cero. Si este fenómeno ocurre realmente dentro de un agujero negro, por supuesto, no podemos comprobarlo experimentalmente, ya que todo lo que entra en el radio de Schwarzschild no regresa.
Así, al no tener la oportunidad de "examinar" un agujero negro en el sentido tradicional de la palabra "mirar", podemos, no obstante, detectar su presencia mediante signos indirectos de la influencia de su campo gravitacional superpoderoso y completamente inusual sobre la materia que lo rodea.
Agujeros negros supermasivos
En el centro de nuestra Vía Láctea y otras galaxias hay un agujero negro increíblemente masivo millones de veces más pesado que el Sol. Estos agujeros negros supermasivos (como recibieron este nombre) fueron descubiertos al observar la naturaleza del movimiento del gas interestelar cerca de los centros de las galaxias. Los gases, a juzgar por las observaciones, giran a corta distancia de un objeto supermasivo, y cálculos sencillos que utilizan las leyes de la mecánica newtoniana muestran que el objeto que los atrae, con un diámetro exiguo, tiene una masa monstruosa. Solo un agujero negro puede hacer girar el gas interestelar en el centro de la galaxia de esta manera. De hecho, los astrofísicos ya han encontrado docenas de agujeros negros tan masivos en los centros de las galaxias vecinas, y sospechan firmemente que el centro de cualquier galaxia es un agujero negro.
Agujeros negros de masa estelar
De acuerdo con nuestras ideas actuales sobre la evolución de las estrellas, cuando una estrella con una masa que excede aproximadamente 30 veces la masa del Sol muere con una explosión de supernova, su capa exterior se dispersa y sus capas internas colapsan rápidamente hacia el centro y forman un agujero negro en lugar de la estrella que ha agotado sus reservas de combustible. Es prácticamente imposible detectar un agujero negro de este origen aislado en el espacio interestelar, ya que se encuentra en un vacío enrarecido y no se manifiesta de ninguna forma en términos de interacciones gravitacionales. Sin embargo, si dicho agujero fuera parte de un sistema estelar binario (dos estrellas calientes orbitando alrededor de su centro de masa), el agujero negro seguirá ejerciendo un efecto gravitacional sobre su estrella gemela. Los astrónomos tienen hoy más de una docena de candidatos para el papel de sistemas estelares de este tipo,aunque no se ha obtenido evidencia sólida para ninguno de ellos.
En un sistema binario con un agujero negro en su composición, la sustancia de la estrella "viviente" inevitablemente "fluirá" en la dirección del agujero negro. Y la sustancia succionada por el agujero negro se arremolinará al caer en el agujero negro en una espiral, desapareciendo al cruzar el radio de Schwarzschild. Sin embargo, al acercarse al límite fatal, la sustancia succionada por el embudo del agujero negro inevitablemente se espesará y calentará debido al aumento de las colisiones entre las partículas absorbidas por el agujero hasta que se caliente a las energías de la radiación de ondas en el rango de rayos X del espectro electromagnético. Los astrónomos pueden medir la frecuencia de cambios en la intensidad de los rayos X de este tipo y calcular, comparándola con otros datos disponibles, la masa aproximada de un objeto que "tira" de materia sobre sí mismo. Si la masa del objeto excede el límite de Chandrasekhar (1,4 masas solares),este objeto no puede ser una enana blanca, en la que nuestra estrella está destinada a degenerar. En la mayoría de los casos identificados de observación de tales estrellas binarias de rayos X, una estrella de neutrones es un objeto masivo. Sin embargo, ya se han contado más de una docena de casos cuando la única explicación razonable es la presencia de un agujero negro en un sistema estelar binario.
Todos los demás tipos de agujeros negros son mucho más especulativos y se basan únicamente en la investigación teórica; no hay ninguna evidencia experimental de su existencia. Primero, estos son mini-agujeros negros con una masa comparable a la masa de una montaña y comprimidos al radio de un protón. La idea de su origen en la etapa inicial de la formación del Universo inmediatamente después del Big Bang fue expresada por el cosmólogo inglés Stephen Hawking (ver El principio oculto de la irreversibilidad del tiempo). Hawking sugirió que las explosiones de mini agujeros podrían explicar el fenómeno verdaderamente misterioso de las explosiones cinceladas de rayos gamma en el Universo. En segundo lugar, algunas teorías de partículas elementales predicen la existencia en el universo, a nivel micro, de un colador real de agujeros negros, que son una especie de espuma de los desechos del universo. El diámetro de estos microagujeros es supuestamente de unos 10 a 33 cm; son miles de millones de veces más pequeños que un protón. Por el momento, no tenemos ninguna esperanza de una verificación experimental ni siquiera del hecho mismo de la existencia de tales partículas de agujero negro, y mucho menos de investigar de alguna manera sus propiedades.
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¿Y qué le sucede al observador si de repente se encuentra al otro lado del radio gravitacional, también llamado horizonte de eventos? Aquí es donde comienza la propiedad más asombrosa de los agujeros negros. No en vano siempre hemos mencionado el tiempo, o más bien el espacio-tiempo, cuando hablamos de agujeros negros. Según la teoría de la relatividad de Einstein, cuanto más rápido se mueve un cuerpo, más masa se vuelve, ¡pero más lento comienza a pasar el tiempo! A bajas velocidades, en condiciones normales, este efecto es invisible, pero si el cuerpo (nave espacial) se mueve a una velocidad cercana a la velocidad de la luz, entonces su masa aumenta y el tiempo se ralentiza. Cuando la velocidad del cuerpo es igual a la velocidad de la luz, la masa llega al infinito y el tiempo se detiene. Esto se evidencia mediante rigurosas fórmulas matemáticas. Volvamos al agujero negro. Imaginemos una situación fantásticacuando una nave espacial con astronautas a bordo se acerca a su radio gravitacional o horizonte de eventos. Está claro que el horizonte de eventos se llama así porque podemos observar cualquier evento (generalmente observar algo) solo hasta este límite. Que no estamos en condiciones de respetar esta frontera. Sin embargo, al estar dentro de la nave espacial acercándose al agujero negro, los astronautas se sentirán igual que antes, porque en su reloj, el tiempo correrá "normalmente". La nave espacial cruzará tranquilamente el horizonte de sucesos y seguirá su camino. Pero dado que su velocidad será cercana a la velocidad de la luz, la nave espacial llegará al centro del agujero negro, literalmente, en un momento.que podemos observar cualquier evento (generalmente observar algo) solo hasta este límite. Que no estamos en condiciones de respetar esta frontera. Sin embargo, al estar dentro de la nave espacial acercándose al agujero negro, los astronautas se sentirán igual que antes, porque en su reloj, el tiempo correrá "normalmente". La nave espacial cruzará tranquilamente el horizonte de sucesos y seguirá su camino. Pero dado que su velocidad será cercana a la velocidad de la luz, la nave espacial llegará al centro del agujero negro, literalmente, en un momento.que podemos observar cualquier evento (generalmente observar algo) solo hasta este límite. Que no estamos en condiciones de respetar esta frontera. Sin embargo, al estar dentro de la nave espacial acercándose al agujero negro, los astronautas se sentirán igual que antes, porque en su reloj, el tiempo correrá "normalmente". La nave espacial cruzará tranquilamente el horizonte de sucesos y seguirá su camino. Pero dado que su velocidad será cercana a la velocidad de la luz, la nave espacial llegará al centro del agujero negro, literalmente, en un momento. Pero dado que su velocidad será cercana a la velocidad de la luz, la nave espacial llegará al centro del agujero negro, literalmente, en un momento. Pero dado que su velocidad será cercana a la velocidad de la luz, la nave espacial llegará al centro del agujero negro, literalmente, en un momento.
Y para un observador externo, la nave espacial simplemente se detendrá en el horizonte de eventos y permanecerá allí casi para siempre. Ésta es la paradoja de la colosal gravitación de los agujeros negros. La pregunta es natural, sobrevivirán los astronautas, yendo al infinito según el reloj de un observador externo. No. Y el punto no es en absoluto la enorme gravitación, sino las fuerzas de las mareas, que en un cuerpo tan pequeño y masivo varían mucho a distancias pequeñas. Cuando un astronauta mide 1 m 70 cm de altura, las fuerzas de marea en su cabeza serán mucho menores que en sus pies y simplemente se desgarrará en el horizonte de eventos. Entonces, en términos generales, descubrimos qué son los agujeros negros, pero hasta ahora estábamos hablando de agujeros negros de masa estelar. Actualmente, los astrónomos han logrado encontrar agujeros negros supermasivos, ¡cuya masa puede ser de mil millones de soles!Los agujeros negros supermasivos no difieren en propiedades de sus contrapartes más pequeñas. Solo son mucho más masivos y, por regla general, se encuentran en los centros de las galaxias, las islas estelares del Universo. En el centro de Nuestra Galaxia (Vía Láctea) también hay un agujero negro supermasivo. La masa colosal de tales agujeros negros permitirá buscarlos no solo en Nuestra Galaxia, sino también en los centros de galaxias distantes ubicadas a una distancia de millones y miles de millones de años luz de la Tierra y el Sol. Científicos europeos y estadounidenses han realizado una búsqueda global de agujeros negros supermasivos que, según los cálculos teóricos modernos, deberían estar ubicados en el centro de cada galaxia. La masa colosal de tales agujeros negros permitirá buscarlos no solo en Nuestra Galaxia, sino también en los centros de galaxias distantes ubicadas a una distancia de millones y miles de millones de años luz de la Tierra y el Sol. Científicos europeos y estadounidenses han realizado una búsqueda global de agujeros negros supermasivos que, según los cálculos teóricos modernos, deberían estar ubicados en el centro de cada galaxia. La masa colosal de tales agujeros negros permitirá buscarlos no solo en Nuestra Galaxia, sino también en los centros de galaxias distantes ubicadas a una distancia de millones y miles de millones de años luz de la Tierra y el Sol. Científicos europeos y estadounidenses han realizado una búsqueda global de agujeros negros supermasivos que, según los cálculos teóricos modernos, deberían estar ubicados en el centro de cada galaxia.
Las tecnologías modernas permiten detectar la presencia de estos colapsos en galaxias vecinas, pero se han detectado muy pocos de ellos. Esto significa que los agujeros negros simplemente se esconden en densas nubes de gas y polvo en la parte central de las galaxias, o están ubicados en rincones más distantes del Universo. Entonces, los agujeros negros pueden ser detectados por la radiación de rayos X emitida durante la acumulación de materia en ellos, y para hacer un censo de tales fuentes, se lanzaron satélites con telescopios de rayos X a bordo al espacio cómico cercano a la Tierra. Mientras buscaban fuentes de rayos X, los observatorios espaciales Chandra y Rossi descubrieron que el cielo estaba lleno de rayos X de fondo y era millones de veces más brillante que la luz visible. Gran parte de esta radiación de rayos X de fondo procedente del cielo debe provenir de agujeros negros. Por lo general, en astronomía se habla de tres tipos de agujeros negros. El primero son los agujeros negros de masas estelares (alrededor de 10 masas solares). Se forman a partir de estrellas masivas cuando se quedan sin combustible termonuclear. El segundo son los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias (masas de un millón a miles de millones del sol). Y finalmente, los agujeros negros primarios se formaron al comienzo de la vida del Universo, cuyas masas son pequeñas (del orden de la masa de un gran asteroide). Por lo tanto, queda sin llenar una gran variedad de posibles masas de agujeros negros. Pero, ¿dónde están estos agujeros? Al llenar el espacio con rayos X, sin embargo, no quieren mostrar su verdadero "rostro". Pero para construir una teoría clara de la relación entre la radiación de rayos X de fondo y los agujeros negros, es necesario conocer su número. Por el momento, los telescopios espaciales han logrado detectar solo una pequeña cantidad de agujeros negros supermasivos, cuya existencia puede considerarse probada. Los signos indirectos nos permiten llevar el número de agujeros negros observados responsables de la radiación de fondo al 15%. Tenemos que asumir que el resto de los agujeros negros supermasivos simplemente se esconden detrás de una gruesa capa de nubes de polvo que solo transmiten rayos X de alta energía o que están demasiado lejos para ser detectados por los medios de observación modernos.que el resto de los agujeros negros supermasivos simplemente se esconden detrás de una gruesa capa de nubes polvorientas que solo permiten el paso de rayos X de alta energía, o están demasiado lejos para ser detectados por los dispositivos de observación modernos.que el resto de los agujeros negros supermasivos simplemente se esconden detrás de una gruesa capa de nubes polvorientas que solo permiten el paso de rayos X de alta energía, o están demasiado lejos para ser detectados por los dispositivos de observación modernos.
Agujero negro supermasivo (vecindario) en el centro de la galaxia M87 (imagen de rayos X). Es visible una eyección (chorro) del horizonte de sucesos. Imagen del sitio www.college.ru/astronomy
Encontrar agujeros negros ocultos es uno de los principales desafíos de la astronomía de rayos X moderna. Sin embargo, los últimos avances en esta área, asociados con la investigación con los telescopios Chandra y Rossi, cubren solo el rango de baja energía de los rayos X, aproximadamente 2000-20,000 electronvoltios (en comparación, la energía de la radiación óptica es de aproximadamente 2 electronvoltios). voltio). El telescopio espacial europeo "Integral" puede introducir modificaciones esenciales en estos estudios, que es capaz de penetrar en la región de los rayos X, todavía insuficientemente estudiada, con energías de 20.000-300.000 electronvoltios. La importancia de estudiar este tipo de rayos X es que, aunque el fondo de rayos X del cielo es de baja energía, sobre este fondo aparecen múltiples picos (puntos) de radiación con una energía de unos 30.000 electronvoltios. Los científicos aún están abriendo el velo del misterio de lo que da lugar a estos picos, e Integral es el primer telescopio suficientemente sensible capaz de encontrar tales fuentes de rayos X. Según los astrónomos, los rayos de alta energía generan los llamados objetos de espesor Compton, es decir, agujeros negros supermasivos envueltos en una capa polvorienta. Son los objetos Compton los responsables de los picos de rayos X de 30.000 electrón-voltios en el campo de radiación de fondo. Son los objetos Compton los responsables de los picos de rayos X de 30.000 electrón-voltios en el campo de radiación de fondo. Son los objetos Compton los responsables de los picos de rayos X de 30.000 electrón-voltios en el campo de radiación de fondo.
Pero, continuando la investigación, los científicos llegaron a la conclusión de que los objetos Compton representan solo el 10% del número de agujeros negros que deberían crear picos de alta energía. Este es un serio obstáculo para un mayor desarrollo de la teoría. Entonces, ¿los rayos X que faltan no provienen del grosor de Compton, sino de agujeros negros supermasivos ordinarios? Entonces, ¿qué pasa con las cortinas de polvo para rayos X de baja energía? La respuesta parece estar en el hecho de que muchos agujeros negros (objetos Compton) han tenido tiempo suficiente para absorber todo el gas y el polvo que los envolvía, pero antes de eso tuvieron la oportunidad de declararse con rayos X de alta energía. Después de absorber toda la materia, esos agujeros negros ya no podían generar rayos X en el horizonte de eventos. Queda claro por qué estos agujeros negros no se pueden detectar,y se hace posible atribuir a su cuenta las fuentes de radiación de fondo que faltan, ya que aunque el agujero negro ya no emite, la radiación creada previamente por él continúa su viaje a través del Universo. Sin embargo, es muy posible que los agujeros negros perdidos estén más ocultos de lo que suponen los astrónomos, es decir, el hecho de que no los veamos no significa que no lo estén. Simplemente no tenemos suficiente poder de observación para verlos. Mientras tanto, los científicos de la NASA planean expandir la búsqueda de agujeros negros ocultos aún más en el universo. Allí se encuentra la parte submarina del iceberg, dicen. Durante varios meses, la investigación se llevará a cabo como parte de la misión Swift. La penetración en el universo profundo revelará agujeros negros ocultos,encontrar el eslabón perdido para la radiación de fondo y arrojar luz sobre su actividad en el Universo temprano.
Algunos agujeros negros se consideran más activos que sus vecinos tranquilos. Los agujeros negros activos absorben la materia circundante, y si una estrella "abierta" que pasa volando entra en el vuelo de la gravedad, ciertamente será "devorada" de la manera más bárbara (despedazada). La sustancia absorbida, que cae sobre el agujero negro, se calienta a temperaturas enormes y experimenta un destello en los rangos gamma, rayos X y ultravioleta. También hay un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, pero es más difícil de estudiar que los agujeros en galaxias cercanas o incluso distantes. Esto se debe a una densa pared de gas y polvo que se interpone en el camino del centro de nuestra Galaxia, porque el sistema solar está ubicado casi en el borde del disco galáctico. Por tanto, las observaciones de la actividad de los agujeros negros son mucho más efectivas en aquellas galaxias cuyo núcleo es claramente visible. Al observar una de las galaxias distantes ubicadas en la constelación de Bootes a una distancia de 4 mil millones de años luz, los astrónomos lograron por primera vez rastrear desde el principio y casi hasta el final el proceso de absorción de una estrella por un agujero negro supermasivo. Durante miles de años, este colapso gigante descansó en silencio en el centro de una galaxia elíptica sin nombre, hasta que una de las estrellas se atrevió a acercarse lo suficiente a ella.
La poderosa gravedad del agujero negro destrozó la estrella. Grupos de materia comenzaron a caer sobre el agujero negro y, al llegar al horizonte de sucesos, brillaron intensamente en el rango ultravioleta. Estas llamaradas fueron registradas por el nuevo telescopio espacial Galaxy Evolution Explorer de la NASA, que estudia el cielo con luz ultravioleta. El telescopio continúa observando el comportamiento del objeto distinguido incluso hoy. La comida del agujero negro aún no ha terminado, y los restos de la estrella continúan cayendo al abismo del tiempo y el espacio. Las observaciones de tales procesos ayudarán en última instancia a comprender mejor cómo evolucionan los agujeros negros con sus galaxias madre (o, por el contrario, las galaxias evolucionan con su agujero negro madre). Observaciones anteriores muestran que tales excesos no son infrecuentes en el universo. Los científicos han calculadoque, en promedio, una estrella es absorbida por un agujero negro supermasivo de una galaxia típica una vez cada 10,000 años, pero como hay una gran cantidad de galaxias, la absorción de estrellas se puede observar con mucha más frecuencia.
