Hay varias formas de crear un agujero negro, desde el colapso de un núcleo de supernova hasta la fusión de estrellas de neutrones con el colapso de una gran cantidad de materia. Si tomamos el límite inferior, los agujeros negros pueden tener de 2,5 a 3 masas solares, pero en el límite superior, los agujeros negros supermasivos pueden superar los 10 mil millones de masas solares. Suelen encontrarse en los centros de las galaxias. ¿Qué tan estables son? ¿Qué agujero negro se secará primero: grande y voraz o pequeño?
¿Existe un tamaño crítico para la estabilidad de un agujero negro? Un agujero negro que pesa 1012 kilogramos puede ser estable durante varios miles de millones de años. Pero un agujero negro en el rango de masa de 105 puede explotar en un segundo y definitivamente no será estable. ¿Dónde está la media áurea, en la que el flujo de materia será igual a la radiación de Hawking?
Estabilidad de los agujeros negros
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Lo primero para empezar es la estabilidad del propio agujero negro. Cualquier otro objeto en el Universo, astrofísico o de otro tipo, tiene fuerzas que lo mantienen unido contra el Universo que está tratando de destrozarlo. El átomo de hidrógeno es una estructura fuerte; un solo fotón ultravioleta puede destruirlo ionizando un electrón. Para destruir un núcleo atómico, necesita una partícula de mayor energía como un rayo cósmico, un protón acelerado o un fotón de rayos gamma.
Pero para estructuras grandes como planetas, estrellas o incluso galaxias, las fuerzas gravitacionales que las retienen son enormes. Como regla general, para romper tal megaestructura, se necesita una reacción termonuclear o un efecto de gravedad increíblemente fuerte desde el exterior, por ejemplo, de una estrella, un agujero negro o una galaxia que pasa.
En el caso de los agujeros negros, sin embargo, este no es el caso. La masa del agujero negro, en lugar de distribuirse sobre el volumen, se contrae en una singularidad. Para un agujero negro no giratorio, este es un punto con dimensión cero. Un agujero negro giratorio no es mucho mejor: un anillo unidimensional infinitamente delgado.
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Además, todo el contenido de masa-energía de un agujero negro está dentro del horizonte de eventos. Los agujeros negros son los únicos objetos en el Universo que tienen un horizonte de eventos: un límite más allá del cual es imposible regresar. Ninguna aceleración, y por lo tanto ninguna fuerza, podrá sacar materia, masa o energía del horizonte de eventos más allá de sus límites.
Esto podría significar que los agujeros negros, formados de cualquier forma posible, solo pueden crecer y nunca serán destruidos. Y crecen, sin descanso y sin parar. Observamos todo tipo de fenómenos en el Universo, tales como:
- quásares;
- blazares;
- núcleos galácticos activos;
- microcuásares;
- estrellas que no emiten luz;
- Ráfagas de rayos X y radio de centros galácticos;
que nos llevan a los agujeros negros. Al determinar sus masas, tratamos de descubrir las dimensiones físicas de sus horizontes de eventos. Todo lo que choca con él, lo cruza o incluso lo toca, inevitablemente caerá hacia adentro. Y luego, gracias a la conservación de la energía, la masa del agujero negro también aumentará.
Este proceso ocurre con cada agujero negro que conocemos. El material de otras estrellas, el polvo cósmico, la materia interestelar, las nubes de gas, incluso la radiación y los neutrinos que quedaron del Big Bang se envían allí. Cualquier materia que choca con un agujero negro aumenta su masa. El crecimiento de los agujeros negros depende de la densidad de materia y energía que rodea al agujero negro; el monstruo en el centro de nuestra Vía Láctea crece a un ritmo de 1 masa solar cada 3000 años; el agujero negro en el centro de la galaxia Sombrero está creciendo a un ritmo de 1 masa solar en 20 años.
Cuanto más grande y pesado sea su agujero negro, en promedio, más rápido crece, dependiendo del material que encuentre. Su tasa de crecimiento se ralentiza con el tiempo, pero dado que el universo tiene solo 13.800 millones de años, los agujeros negros crecen maravillosamente.
Por otro lado, los agujeros negros no solo crecen con el tiempo; también hay un proceso de su evaporación: la radiación de Hawking. Esto se debe al hecho de que el espacio está fuertemente curvado cerca del horizonte de eventos, pero se endereza con la distancia. Si se encuentra a una gran distancia, puede ver una pequeña cantidad de radiación emitida desde la región curva cerca del horizonte de eventos, debido al hecho de que el vacío cuántico tiene diferentes propiedades en diferentes regiones curvas del espacio.
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El resultado final es que los agujeros negros emiten radiación térmica de un cuerpo negro (principalmente en forma de fotones) en todas las direcciones a su alrededor, en un volumen de espacio que básicamente encierra unos diez radios de Schwarzschild en la ubicación del agujero negro. Y puede parecer extraño, pero cuanto más pequeño es el agujero negro, más rápido se evapora.
La radiación de Hawking es un proceso increíblemente lento en el que un agujero negro con la masa de nuestro Sol se evaporará después de 10 (a la potencia de 64) años; el agujero en el centro de nuestra Vía Láctea - en 10 (a la potencia de 87) años, y el más masivo del Universo - en 10 (a la potencia de 100) años. Para calcular el tiempo de evaporación de un agujero negro con una fórmula simple, necesitas tomar el marco de tiempo de nuestro Sol y multiplicar por (masa del agujero negro / masa del Sol).
de lo que se sigue que un agujero negro con la masa de la Tierra vivirá durante 10 (elevado a 47) años; un agujero negro con la masa de la Gran Pirámide en Giza (6 millones de toneladas), alrededor de mil años; con la masa del Empire State Building, alrededor de un mes; con la masa de una persona común: un picosegundo. Cuanto menos masa, más rápido se evapora el agujero negro.
Hasta donde sabemos, el universo podría contener agujeros negros de tamaños inimaginablemente diferentes. Si estuviera lleno de agujeros negros ligeros, hasta mil millones de toneladas, todos se habrían evaporado hoy. No hay evidencia de que haya agujeros negros con una masa entre estos pulmones y los que nacen en el proceso de fusión de estrellas de neutrones, en teoría, ellos tener una masa de 2,5 solares. Por encima de estos límites, los estudios de rayos X indican la existencia de agujeros negros en el rango de masa solar de 10-20; LIGO mostró un agujero negro entre 8 y 62 masas solares; también encuentran agujeros negros supermasivos en todo el universo.
Hoy en día, todos los agujeros negros existentes están ganando materia más rápido de lo que pierden debido a la radiación de Hawking. Un agujero negro con masa solar pierde alrededor de 10 (elevado a -28) J de energía por segundo. Pero si consideras eso:
- incluso un fotón CMB tiene un millón de veces más energía;
- 411 de estos fotones por centímetro cúbico de espacio quedaron después del Big Bang;
- se mueven a la velocidad de la luz, chocando 10 billones de veces por segundo en cada centímetro cúbico;
incluso un agujero negro aislado en las profundidades del espacio intergaláctico esperará hasta que el universo haya madurado a 10 (a la potencia de 20) años, mil millones de veces su edad actual, antes de que la tasa de crecimiento del agujero negro caiga por debajo de la tasa de radiación de Hawking.
Pero juguemos un juego. Suponga que vive en el espacio intergaláctico, lejos de la materia ordinaria y la materia oscura, lejos de todos los rayos cósmicos, radiación estelar y neutrinos, y solo tiene fotones del Big Bang para charlar. ¿Qué tan grande debe ser su agujero negro para que la tasa de evaporación (radiación de Hawking) y la absorción de fotones por su agujero negro (crecimiento) se equilibren entre sí?
La respuesta se obtiene en la región de 10 (elevado a 23) kg, es decir, aproximadamente con la masa del planeta Mercurio. Si Mercurio fuera un agujero negro, tendría medio milímetro de diámetro e irradiaría aproximadamente 100 billones de veces más rápido que un agujero negro de masa solar. Es con esta masa en nuestro universo que un agujero negro absorbería tanta radiación de microondas como la que pierde en el proceso de radiación de Hawking.
Pero si desea un agujero negro realista, no puede aislarlo de la materia restante en el universo. Los agujeros negros, incluso cuando son expulsados de las galaxias, todavía vuelan a través del medio intergaláctico, chocando con los rayos cósmicos, la luz de las estrellas, los neutrinos, la materia oscura y todo tipo de partículas, masivas y sin masa. El fondo cósmico de microondas es inevitable donde quiera que vaya. Los agujeros negros absorben constantemente materia y energía y crecen en masa y tamaño. Sí, también emiten energía, pero para que todos los agujeros negros de nuestro universo comiencen a agotarse más rápido de lo que crecen, se necesitarán unos 100 trillones de años.
Y la evaporación final tardará aún más.
Ilya Khel
