Los agujeros negros nos parecen algo lejano, sobre lo que a veces hacen películas o escriben en libros. Rara vez pensamos en lo que sucedería si un agujero negro en miniatura con un diámetro de un milímetro apareciera en la superficie de nuestro planeta. Sobre esto - en nuestro material.
Existe un concepto erróneo popular asociado con los agujeros negros: son una especie de aspiradoras espaciales que consumen todo lo que les rodea. Por supuesto, se "alimentan", pero sus estómagos son pequeños. El problema no aparece cuando "comen", sino cuando "vomitan" después de cenar demasiado. Eso es realmente aterrador.
De hecho, es un poco más complicado. Basado en el hecho de que el radio de un agujero negro es proporcional a su masa, se pueden hacer algunos cálculos. Primero, repasemos algunos de los conceptos básicos.
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Qué es un agujero negro
Un agujero negro es una región del espacio en la que la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede salir. La fuerza de la gravedad hace que la estructura misma del espacio-tiempo se doble y se bloquee. Todo esto sucede debido a la compresión de la materia, la mayoría de las veces, estos son los restos de una estrella masiva, dentro de una región extremadamente pequeña.
La estructura del agujero negro: singularidad, horizonte de eventos y radio de Schwarzschild (la región desde la singularidad hasta el horizonte de eventos).
De hecho, no podemos ver los agujeros negros debido al hecho de que la luz no puede salir de ellos. Resulta que para salir del agujero negro, cualquier objeto debe desarrollar una velocidad superior a la de la luz, la cual, a su vez, se mueve a una velocidad de 299 792 458 metros por segundo. A modo de comparación, la velocidad de escape para superar la gravedad de la Tierra es de solo 11,2 kilómetros por segundo. Sin embargo, si lanzáramos un cohete desde un planeta que pesa tanto como la Tierra, pero la mitad del diámetro, entonces la velocidad de escape sería de 15,8 kilómetros por segundo. Incluso si el objeto tuviera la misma masa, la velocidad de escape sería mayor debido a su menor tamaño y, por lo tanto, a su mayor densidad.
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¿Qué pasa si encogemos el objeto aún más? Si comprimimos la masa de la Tierra en una esfera con un radio de nueve milímetros, la velocidad de escape alcanza la velocidad de la luz. Si esta masa se comprime en una esfera aún más pequeña, entonces la velocidad de escape excederá la velocidad de la luz. Pero como la velocidad de la luz es el límite cósmico de la velocidad, nada puede salir de esta esfera.
El radio en el que la masa tiene una velocidad de escape igual a la velocidad de la luz se llama radio de Schwarzschild. Cualquier objeto más pequeño que su radio de Schwarzschild es un agujero negro. En otras palabras, cualquier objeto con una velocidad de escape superior a la velocidad de la luz es un agujero negro. Para hacer un objeto así a partir del Sol, tendrá que comprimirse a un radio de unos tres kilómetros.
Un agujero negro tiene dos partes principales: la singularidad y el horizonte de eventos. El tamaño del horizonte de sucesos de un agujero negro se considera su tamaño porque puede calcularse y medirse.
El horizonte también se considera el "punto sin retorno" en las proximidades del agujero negro. Esta no es una superficie física, sino una esfera que rodea una singularidad que marca un límite, cuya velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz. El radio de esta área es el mismo radio de Schwarzschild.
Tan pronto como la materia está más allá del horizonte de eventos, comienza a caer hacia el centro del agujero negro. Con una gravedad tan fuerte, la materia se comprime en un punto, un volumen increíblemente pequeño de densidad loca. Este punto es una singularidad. Es insignificante y, según los modelos teóricos modernos, tiene una densidad infinita. Es muy posible que las leyes de la física que conocemos se violen en la singularidad. Los científicos están explorando activamente este tema para comprender qué está sucediendo en las singularidades, así como para desarrollar una teoría completa que describa lo que sucede en el centro de un agujero negro.
Hagamos algunos cálculos
Veamos qué podemos aprender sobre un agujero negro de un milímetro. Según los cálculos, dicho agujero negro con un radio de Schwarzschild tendrá una masa de 7 x 10 ^ 23 kilogramos, más de cinco masas de la Luna (de acuerdo con la fórmula R = 2MG / c ^ 2, donde R es el radio de Schwarzschild, M es la masa del objeto, G es el gravitacional constante, yc es la velocidad de la luz).
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La relación entre la Tierra y el Sol es de tres partes por millón. Por lo tanto, si la Tierra se convirtiera en un agujero negro, su radio sería de solo nueve milímetros. Por tanto, un agujero negro de un milímetro tendría una masa del 11% de la masa de la Tierra. Definitivamente tendríamos problemas con el 11% de masa extra en el planeta.
Es suficiente incluso que la gravedad total de la Tierra aumente notablemente. Esta gravedad adicional sería suficiente para cambiar la órbita de la Luna, por lo que simplemente podría salir de su órbita actual y comenzar a moverse en una órbita elíptica.
El paraboloide Flamm que representa el espacio-tiempo más allá del horizonte de crecimiento de los eventos del agujero negro de Schwarzschild.
¿Dónde está este agujero negro imaginario, en la superficie, en el centro de la Tierra o gira a su alrededor? Supongamos que está en la superficie del planeta. El área de su influencia gravitacional sería aproximadamente un tercio del radio de la Tierra, aproximadamente 2124 kilómetros.
Toda la materia en las inmediaciones de este agujero negro microscópico sentiría inmediatamente una fuerte gravedad de él, y el agujero, a su vez, absorbería todo en el camino hacia el centro de la Tierra, al que llegaría en unos 42 minutos desde el momento en que apareció. Viajaría a través del núcleo de la Tierra y llegaría al otro lado de la superficie de la Tierra aproximadamente al mismo tiempo.
Si un agujero negro apareciera en la superficie con una velocidad relativa de menos de 12 km / h, giraría alrededor del Planeta Azul junto con su área gravitacional. En pocas palabras, es la destrucción de la corteza terrestre y la mayor parte de su manto. Y si es aún más simple, significa la muerte de toda la vida en la superficie de la Tierra.
Tasa de acreción y límite de Eddington
La mayor parte de la masa de la Tierra alrededor del agujero negro se convertirá en alimento y será acumulada por él. Sin embargo, antes de caer en un agujero negro, todo este material deberá perder su momento angular, por lo que comenzará a girar a su alrededor, formando un disco de acreción.
Este material produce mucho calor, que eventualmente se irradiará. La radiación tiene una presión que ralentizará la acumulación adicional. Ambos efectos se equilibran entre sí; esto se denomina límite de Eddington.
Acrecentar agujero negro en la vista del artista
El límite de Eddington también impone un límite estricto al grado de acreción de un agujero negro. Un pequeño disco de acreción probablemente tendría una temperatura de unos seis mil Kelvin, aproximadamente lo mismo que el núcleo de la Tierra o la superficie del Sol.
Se producirían algunos procesos de fricción entre el disco de acreción y la masa de la Tierra, como resultado de lo cual se asentaría un agujero negro microscópico en el núcleo del planeta.
Muerte en un agujero negro
En general, un agujero negro de este tipo tardaría cinco mil millones de años en tragarse la Tierra. Aumentaría significativamente la masa de la Tierra. Y, por supuesto, crearía inmediatamente un completo desorden en el planeta, que en tan solo unas horas se convertiría en una pieza espacial deshabitada de corteza colapsada, lava, gases calientes y todo lo demás.
La vida se volvería imposible y la gran masa del agujero negro podría destruir el cinturón de asteroides. Esto, a su vez, podría conducir a frecuentes colisiones en el sistema solar durante el próximo millón de años. La luna continuaría girando alrededor de la Nueva Tierra (agujero negro), pero en una órbita elíptica muy alargada.
El agujero negro no se movería inmediatamente al centro de la Tierra, sino que giraría alrededor de él por un tiempo, pero al final llegaría hasta él. Para comprender cómo este agujero negro microscópico aumentaría en masa, se requieren cálculos y simulaciones complejas.
Todo esto se puede resumir en las palabras del mundialmente famoso astrofísico y divulgador de la ciencia Neil DeGrasse Tyson:
Vladimir Guillén
