Los agujeros negros son quizás los objetos más misteriosos del universo. A menos, por supuesto, que las cosas estén ocultas en algún lugar de las profundidades, cuya existencia no conocemos y no podemos conocer, lo cual es poco probable. Los agujeros negros son masa y densidad colosales, comprimidos en un punto de un radio pequeño. Las propiedades físicas de estos objetos son tan extrañas que desconciertan a los físicos y astrofísicos más sofisticados. Sabine Hossfender, una física teórica, compiló una selección de diez datos sobre los agujeros negros que todo el mundo debería saber.
¿Qué es un agujero negro?
La propiedad definitoria de un agujero negro es su horizonte. Esta es una frontera más allá de la cual nada, ni siquiera la luz, puede regresar. Si un área separada se separa para siempre, estamos hablando de un "horizonte de eventos". Si sólo se separa temporalmente, hablamos del "horizonte visible". Pero este "temporal" también podría significar que la región estará separada por mucho más tiempo que la edad actual del universo. Si el horizonte del agujero negro es temporal pero de larga duración, la diferencia entre el primero y el segundo es borrosa.
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¿Qué tamaño tienen los agujeros negros?
Puedes imaginar el horizonte de un agujero negro como una esfera, y su diámetro será directamente proporcional a la masa del agujero negro. Por lo tanto, cuanta más masa cae en el agujero negro, más grande se vuelve el agujero negro. Sin embargo, en comparación con los objetos estelares, los agujeros negros son pequeños, porque la masa se comprime en volúmenes muy pequeños bajo la influencia de una presión gravitacional irresistible. El radio de un agujero negro con una masa del planeta Tierra, por ejemplo, es de solo unos pocos milímetros. Esto es 10,000,000,000 de veces menor que el radio actual de la Tierra.
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El radio de un agujero negro se llama radio de Schwarzschild en honor a Karl Schwarzschild, quien primero dedujo los agujeros negros como una solución a la teoría general de la relatividad de Einstein.
¿Qué pasa en el horizonte?
Cuando cruzas el horizonte, no sucede nada especial a tu alrededor. Todo debido al principio de equivalencia de Einstein, del cual se sigue que no se puede encontrar la diferencia entre la aceleración en el espacio plano y el campo gravitacional que crea la curvatura del espacio. Sin embargo, un observador alejado del agujero negro que esté viendo a alguien caer en él notará que la persona se moverá cada vez más lentamente, acercándose al horizonte. Es como si el tiempo se moviera más lentamente cerca del horizonte de eventos que lejos del horizonte. Sin embargo, pasará algún tiempo y el observador que cae en el agujero cruzará el horizonte de eventos y se encontrará dentro del radio de Schwarzschild.
Lo que experimentas en el horizonte depende de las fuerzas de marea del campo gravitacional. Las fuerzas de marea en el horizonte son inversamente proporcionales al cuadrado de la masa del agujero negro. Esto significa que cuanto más grande y masivo es el agujero negro, menos fuerza. Y si solo el agujero negro es lo suficientemente masivo, puede cruzar el horizonte incluso antes de darse cuenta de que algo está sucediendo. El efecto de estas fuerzas de marea lo estirará: el término técnico que usan los físicos para esto es espaguetificación.
En los primeros días de la relatividad general, se creía que había una singularidad en el horizonte, pero resultó que no era así.
¿Qué hay dentro de un agujero negro?
Nadie lo sabe con certeza, pero definitivamente no la estantería. La relatividad general predice que en un agujero negro hay una singularidad, un lugar donde las fuerzas de las mareas se vuelven infinitamente grandes, y una vez que se pasa el horizonte de eventos, no se puede ir a ningún otro lugar que no sea la singularidad. En consecuencia, es mejor no usar la relatividad general en estos lugares, simplemente no funciona. Para saber qué sucede dentro de un agujero negro, necesitamos una teoría de la gravedad cuántica. Generalmente se acepta que esta teoría reemplazará la singularidad con otra cosa.
¿Cómo se forman los agujeros negros?
Actualmente conocemos cuatro formas diferentes de formación de los agujeros negros. La mejor comprensión está asociada con el colapso estelar. Una estrella lo suficientemente grande forma un agujero negro después de que se detiene su fusión nuclear, porque todo lo que ya podría sintetizarse ha sido sintetizado. Cuando cesa la presión creada por la fusión, la materia comienza a caer hacia su propio centro gravitacional, volviéndose cada vez más densa. Al final, se vuelve tan denso que nada puede superar el efecto gravitacional en la superficie de la estrella: así es como nace un agujero negro. Estos agujeros negros se denominan "agujeros negros de masa solar" y son los más comunes.
El siguiente tipo común de agujero negro es el "agujero negro supermasivo", que se puede encontrar en el centro de muchas galaxias y que tiene masas alrededor de mil millones de veces la de los agujeros negros solares. Todavía no se sabe exactamente cómo se forman. Se cree que alguna vez comenzaron como agujeros negros de masa solar que consumieron muchas otras estrellas en centros galácticos densamente poblados y crecieron. Sin embargo, parecen absorber la materia más rápido de lo que sugiere esta simple idea, y cómo lo hacen exactamente sigue siendo un tema de investigación.
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Una idea más controvertida fueron los agujeros negros primordiales, que podrían haber sido formados por casi cualquier masa en grandes fluctuaciones de densidad en el universo temprano. Si bien es posible, es difícil encontrar un modelo que los produzca sin crearlos en exceso.
Finalmente, existe la idea muy especulativa de que en el Gran Colisionador de Hadrones podrían formarse pequeños agujeros negros con masas cercanas a la del bosón de Higgs. Esto solo funciona si nuestro universo tiene dimensiones adicionales. Hasta el momento, no ha habido confirmación a favor de esta teoría.
¿Cómo sabemos que existen los agujeros negros?
Tenemos mucha evidencia de observación de objetos compactos con grandes masas que no emiten luz. Estos objetos se delatan por atracción gravitacional, por ejemplo, debido al movimiento de otras estrellas o nubes de gas a su alrededor. También crean lentes gravitacionales. Sabemos que estos objetos no tienen una superficie sólida. Esto se desprende de las observaciones, porque la materia que cae sobre un objeto con una superficie debería provocar la liberación de más partículas que la materia que cae a través del horizonte.
¿Por qué Hawking dijo el año pasado que los agujeros negros no existen?
Quiso decir que los agujeros negros no tienen un horizonte de eventos eterno, sino solo un horizonte aparente temporal (ver párrafo uno). En sentido estricto, solo el horizonte de eventos se considera un agujero negro.
¿Cómo emiten radiación los agujeros negros?
Los agujeros negros emiten radiación debido a efectos cuánticos. Es importante señalar que estos son efectos cuánticos de la materia, no efectos cuánticos de la gravedad. El espacio-tiempo dinámico de un agujero negro que colapsa cambia la definición misma de una partícula. Al igual que el paso del tiempo, que se distorsiona cerca de un agujero negro, el concepto de partículas depende demasiado del observador. En particular, cuando un observador que cae en un agujero negro piensa que está cayendo al vacío, un observador alejado del agujero negro piensa que esto no es un vacío, sino un espacio lleno de partículas. Es el estiramiento del espacio-tiempo lo que causa este efecto.
Descubierta por primera vez por Stephen Hawking, la radiación emitida por un agujero negro se llama radiación de Hawking. Esta radiación tiene una temperatura inversamente proporcional a la masa del agujero negro: cuanto más pequeño es el agujero negro, mayor es la temperatura. Los agujeros negros estelares y supermasivos que conocemos tienen temperaturas muy por debajo de la temperatura del fondo de microondas y, por lo tanto, no se observan.
¿Qué es una paradoja de la información?
La paradoja de la pérdida de información se debe a la radiación de Hawking. Esta radiación es puramente térmica, es decir, solo tiene temperatura de forma accidental y de determinadas propiedades. La radiación en sí no contiene ninguna información sobre cómo se formó el agujero negro. Pero cuando un agujero negro emite radiación, pierde masa y se contrae. Todo esto es completamente independiente de la sustancia que pasó a formar parte del agujero negro o de la que se formó. Resulta que, conociendo solo el estado final de evaporación, no se puede decir a partir de qué se formó el agujero negro. Este proceso es "irreversible", y el problema es que no existe tal proceso en la mecánica cuántica.
Resulta que la evaporación de un agujero negro es incompatible con la teoría cuántica tal como la conocemos, y es necesario hacer algo al respecto. Elimina la inconsistencia de alguna manera. La mayoría de los físicos creen que la solución es que la radiación de Hawking debe contener información de alguna manera.
¿Qué sugiere Hawking para resolver la paradoja de la información del agujero negro?
La idea es que los agujeros negros deben tener una forma de almacenar información que aún no ha sido aceptada. La información se almacena en el horizonte de un agujero negro y puede provocar pequeños desplazamientos de partículas en la radiación de Hawking. En estos pequeños desplazamientos, puede haber información sobre la materia atrapada. Los detalles exactos de este proceso no están claros actualmente. Los científicos esperan un artículo técnico más detallado de Stephen Hawking, Malcolm Perry y Andrew Strominger. Dicen que aparecerá a finales de septiembre.
Por el momento, estamos seguros de que existen los agujeros negros, sabemos dónde están, cómo se forman y en qué se convertirán eventualmente. Pero los detalles de adónde les llega la información todavía representan uno de los mayores misterios del universo.
Ilya Khel
