Agujeros Negros

Traduccion de Priscilla Nowajewsky B.pnowajew@das.uchile.cl

21 de agosto de 2005

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Indice

1. Que es un agujero negro? 3

2. Como se forma un agujero negro? 6

3. Como se observan los agujeros negros? 9

4. Evidencia 11

5. Bibliografa 18

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1 QUE ES UN AGUJERO NEGRO? 3

1. Que es un agujero negro?

Los agujeros negros son una consecuencia de la Teora de la Relatividad Generalde Einstein. Los agujeros negros son singularidades que para los calculos fsicosy matematicos tradicionales no tienen un comportamiento predecible, solo lateora de la relatividad se asemeja a dicho comportamiento. Puede haber masagujeros negros que estrellas visibles en nuestro universo.Los agujeros negros pudieron ser formados por las irregularidades en laexpansion de nuestro universo o por el colapso gravitacional de una estrellamuy masiva.Un agujero negro es un cuerpo celeste con un campo gravitatorio tan fuerteque ni siquiera la radiacion electromagnetica puede escapar de su proximidad.Un campo de estas caractersticas puede corresponder a un cuerpo de altadensidad con una masa relativamente pequena (como la del Sol o menor) queesta condensada en un volumen mucho menor, o a un cuerpo de baja densidadcon una masa muy grande, como una coleccion de millones de estrellas en elcentro de una galaxia.Es un agujero porque las cosas pueden caer, pero no salir de el, y negroporque ni siquiera la luz puede escapar. Tambien se puede describir como unobjeto cuya velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz, siendo,este ultimo, el mayor lmite de velocidad en el universo.Todo agujero negro esta rodeado por una frontera llamada Horizonte deEventos, de la cual no se puede escapar. Cualquier evento que ocurra en suinterior queda oculto para alguien que lo observe desde afuera. El astronomoKarl Schwarszchild demostro que el radio del horizonte de eventos correspondea unos 3 km por cada masa solar de la esfera, a este radio se llama el Radio deSchwarzschild. Este radio es un filtro unidireccional, pues cualquier cosa puedeentrar, pero no salir.El horizonte de eventos esta formado por los caminos, en el espacio-tiempo, delos rayos de luz que no alcanzan a escapar. Los rayos de luz que estan en estafrontera se moveran eternamente, sin chocar entre s, ya que los dos rayos deluz seran absorbidos por el agujero, as estos caminos luminososse mueven enforma paralela.Al nunca acercarse entre s, el horizonte permanece constante o va aumentandocon el tiempo.A medida que cae materia dentro del agujero negro, el area del horizonte deeventos aumenta.La masa de un cuerpo y su radio de Schwarzschild son directamente

1 QUE ES UN AGUJERO NEGRO? 4

proporcionales.Ademas, segun la relatividad general, la gravitacion modifica el espacio -tiempo en las proximidades del agujero.

Figura 1: Curvatura del espacio.

Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espin y cargaelectrica. La forma del material en un agujero negro no se conoce, en parteporque esta oculta para el universo externo, y en parte porque, en teora, elmaterial continuara colapsando hasta tener radio cero, punto conocido comoSingularidad, de densidad infinita.En teora, los agujeros negros vienen en tres tamanos: mini-agujeros negros,agujeros negros medianos y agujeros negros super-masivos.En 1971, Stephen Hawking dijo que en la densa turbulencia creada por el BigBang, se formaron presiones externas las cuales ayudaron a la formacion de losmini-agujeros negros. Estos seran tan masivos como una montana, pero tanpequenos como un proton; radiaran energa espontaneamente, y despues demiles de millones de anos finalizaran con una violenta explosion.Por otro lado, hay buena evidencia de que los agujeros negros medianos seforman como despojos de estrellas masivas que colapsan al final de sus vidas; yde que existen agujeros negros super masivos en los nucleos de muchasgalaxias, incluyendo la nuestra, el cual se ha establecido, tiene una masa de 2.5millones de veces la del Sol. Estos agujeros negros super masivos tienen unhorizonte de eventos mas o menos igual al tamano del Sistema Solar.Contradiciendo al mito popular, un agujero negro no es un depredador cosmico.Si el Sol se pudiera convertir en un agujero negro de la misma masa, la unica

1 QUE ES UN AGUJERO NEGRO? 5

Figura 2: Agujeros negros.

cosa que sucedera sera un cambio en la temperatura de la Tierra. La fronterade un agujero negro no es una superficie de material real, sino una simplefrontera matematica de la que no escapa nada, ni la luz que atraviese suslmites, este es, el Horizonte de Eventos.

2 COMO SE FORMA UN AGUJERO NEGRO? 6

2. Como se forma un agujero negro?

Para entender la formacion de un agujero negro, es importante entender el ciclode formacion de una estrella. Una estrella se forma al concentrarse una grancantidad de gas, principalmente hidrogeno, las cuales, por gravedad empiezan acolapsar entre si. Los atomos comienzan a chocar unos con otros, lo cual haceque el gas se caliente, tanto, que luego de un tiempo, las partculas dehidrogeno forman partculas de helio por fusion nuclear. Este calor hace que laestrella brille y que la presion del gas sea suficiente para equilibrar la gravedad yel gas deja de contraerse. Las estrellas permanecen estables de esta forma, porun largo periodo de tiempo, y mientras mas combustible tenga la estrella, masrapido se consume, debido a que tiene que producir mas calor.

Figura 3: Ciclo de vida de una estrella.

2 COMO SE FORMA UN AGUJERO NEGRO? 7

Figura 4: As es como una estrella se convierte en un agujero negro.

Subrahmanyan Chandrasekhar, calculo lo grande que podra llegar a ser unaestrella que fuera capaz de soportar su propia gravedad, antes de que acabe sucombustible. Descubrio una masa (aproximadamente 1.5 veces la masa del Sol)en la que una estrella fra no podra soportar su gravedad. Esto es lo que seconoce como el Lmite de Chandrasekhar. Si una estrella posee una masamenor a la del lmite de Chandrasekhar, puede estabilizarse y convertirse en unaenana blanca, con un radio de pocos kilometros y una densidad de toneladaspor centmetro cubico. Las estrellas de neutrones tambien estan dentro dellmite de Chandrasekhar, siendo para estas, 3 masas solares, y se mantienen porla repulsion de electrones. Su densidad es de millones de toneladas porcentmetro cubico, aqu tambien se incluyen los pulsares, los cuales son estrellasde neutrones en rotacion.En 1939, Robert Openheimer describio lo que le sucedera a una estrella siestuviera por fuera del lmite de Chandrasekhar. El campo gravitatorio de laestrella cambia los rayos de luz en el espacio - tiempo, ya que estos rayos seinclinan ligeramente hacia dentro de la superficie de la estrella. Cada vez sehace mas difcil que la luz escape, y la luz se muestra mas debil y roja para unobservador. Cuando la estrella alcanza un radio crtico, el campo gravitatorioaumenta provocando que la luz ya no pueda escapar. Esta region es llamadahoy un Agujero Negro.En resumen, un agujero negro se origina por la muerte de una estrella, cuandoesta se contrae mas alla de un lmite determinado (Radio de Schwarzschild) sehace mas pequena y densa que una estrella de neutrones, tanto que ni la luzpuede escapar de su campo gravitatorio.

2 COMO SE FORMA UN AGUJERO NEGRO? 8

Si entendemos lo que significa la gravedad como 4ta dimension y entendemosla curvatura del universo, un agujero negro sera un lugar en el cual la curvaturasera infinita.Dentro del horizonte de eventos, el espacio esta tan curvo que nada se puedeescapar.

3 COMO SE OBSERVAN LOS AGUJEROS NEGROS? 9

3. Como se observan los agujeros negros?

Los agujeros negros tienen tanta masa, que producen una fuerza gravitacionalque afecta a los objetos cercanos. El material que cae dentro del agujero negro,sera aplastado y calentado al tratar de colarse dentro del agujero negro, por loque producira rayos-X. El primer ejemplo de un agujero negro fue descubiertoprecisamente por ese efecto gravitacional en una estrella acompanante, en 1971.Cygnus X-1 es el nombre que se le dio a una fuente de rayos X en laconstelacion Cygnus, descubierta en 1962 con un primitivo telescopio de rayosX, que se envio a bordo de un cohete. Hacia 1971, la localizacion de la fuentede rayos X en el cielo, se haba medido con mayor precision, usandoobservaciones de cohete y satelite. Un avance fundamental se dio en marzo deese ano, cuando una fuente de ondas de radio se descubrio en Cygnus, cerca dela posicion de la fuente de rayos X. La senal de radio variaba exactamente almismo tiempo que la intensidad de rayos X, lo cual era una fuerte evidencia deque la fuente de radio y la de rayos X podan ser el mismo objeto. Una estrelladebil llamada HDE 226868 aparecio en la posicion de esta fuente de radio. Losastronomos que estudiaban la luz de HDE 226868 haban encontrado doshechos importantes:

HDE 226868 era una estrella super gigante azul, una estrella normal,masiva, cerca del final de su vida.

La estrella giraba alrededor de otro objeto masivo en una orbita conperodo de 5.6 das.

Conociendo la fuerza necesaria para mantener a HDE 226868 en orbita, sepuede calcular la masa de la companera, la cual cercana a las 10 masas solares.Pero no hay signos de luz visible de ella y algo en el objeto produce rayos X.La explicacion o modelo que mejor se ajusta a estos hechos es que lacompanera es un agujero negro de cerca de 10 masas solares, el cadaver de unaestrella masiva que alguna vez fue la companera de HDE 226868. Los rayos Xson producidos conforme el gas de la atmosfera de la super gigante azul caehacia el objeto colapsado, calentandose. El objeto colapsado no puede ser unaenana blanca o una estrella de neutrones, debido a que estos objetos no puedentener masas mayores de 1.44 y 3 masas solares, respectivamente.Otros tres objetos: LMC X-3 en la Nube Grande de Magallanes, A0620-00 yV404 Cygni en nuestra galaxia, se cree que contienen agujeros negros.

3 COMO SE OBSERVAN LOS AGUJEROS NEGROS? 10

A pesar de la dificultad que existe por descubrir los agujeros negros, se estimacon certeza que muchas estrellas a traves del tiempo en el universo han perdidotoda su energa y han tenido que colapsar de esa forma. Tal vez el numero deagujeros negros es mas grande que el numero de estrellas visibles.

4 EVIDENCIA 11

4. Evidencia

Diferentes equipos de astronomos han anunciado haber encontrado evidenciasque permiten casi, practicamente, asegurar la existencia de los agujeros negrosen el universo. Ademas de las detecciones de Rayos X y Rayos gamma, se tieneel monitoreo que ha efectuado el Hubble Space Telescope (HST), sobre 27galaxias cercanas, donde en algunas de ellas, se ha podido detectar rastros de ladesaparicion de un sin numero de estrellas y otras que estan siguiendo el mismodestino, es decir, como si fueran engullidas por un poderoso motortermonuclear. Tambien, se ha podido comprobar en el espacio la existencia muyprecisa de un disco de acrecion de un diametro de un quinto de ano luz (pruebasolida de la existencia de un agujero negro) ubicado en la galaxia 3C390.3,situada a 1.000 millones de anos luz de la Tierra. El sateliteIUE de exploracionultravioleta de la Agencia Europea del Espacio hizo el hallazgo y ademas demedirlo. Desde el ano 1990, se cuenta con evidencia acerca de la existencia deun agujero negro, ubicado a unos 300 anos luz de la Tierra: Fue detectado porel telescopio Sigma y por su magnitud se le llamo El Gran Aniquilador.

Figura 5: Agujero Negro en el centro de la Va Lactea.

4 EVIDENCIA 12

Recientemente se han descubierto pruebas concluyentes de la existencia de uninmenso agujero negro en el centro de la galaxia elptica gigante M87, que seencuentra a unos 57 millones de anos luz de la Tierra en la constelacion deVirgo. Se estima que este agujero negro tiene una masa equivalente a 3.000millones de masas solares, compactada en un espacio de unas 11 horas-luz dediametro.

Figura 6: Candidato a agujero negro en la galaxia M87.

4 EVIDENCIA 13

Pero mayores evidencias sobre posibles agujeros negros siguen apareciendo. Unade las mas relevantes registrada recientemente es la encontrada en la galaxiaactiva NGC 6251, ubicada a 300 millones de anos luz de la Tierra en laconstelacion de Virgo.

Figura 7: Galaxia Activa.

Una sorprendente vision reportada por el Telescopio Espacial Hubble de undisco o anillo de polvo, urdido por efectos gravitatorios, que se trasluce a travesde la emision de un chorro de luz ultravioleta que estara emanando desde unposible agujero negro.Se trata de un fenomeno nuevo para los investigadores.Anteriormente, todo lo que se haba podido detectar como evidencia de laexistencia de un agujero negro, era la deteccion de los efectos gravitatorios queeste generaba en los objetos que iban siendo atrados al traspasar el horizontede eventos. Esto formaba una especie de disco de circunvalacion, algo as comouna dona, que rodeaba a algo gravitatoriamente poderoso, pero que de ellosolamente se poda distinguir la intensa luz que emanaba desde los gasescalientes que se encontraban atrapados por la gravedad del agujero negro, elque se encontrara empotrado en dicha dona.

4 EVIDENCIA 14

Pero lo que encontro el HST, fue bastante mas de lo que se haba podidoobservar sobre un agujero negro. En esta ocasion, se observo como ese agujeroiluminaba el disco de circunvalacion que lo rodea, lo que no era de extranarpara una gran mayora de fsicos teoricos. En las tomas del HST se puededistinguir luz ultravioleta reflejandose sobre un lado del disco, el cual seencontrara urdido como la parte superior de un sombrero.

4 EVIDENCIA 15

Figura 8: Imagenes de la Nebulosa del Cangrejo (vista por primera vez en elano 1054), tomadas en rayos X (Chandra), Optico (Palomar), infrarrojo (Keck)y ondas de Radio (VLA).

4 EVIDENCIA 16

Si bien todava no se conocen las posibles medidas de este agujero negro, lasevidencias de su existencia se encuentran en la poderosa emision detectada enla eyeccion de radiacion que alcanza un espacio de tres millones de anos luz yde las partculas que se han visto emanar desde la ubicacion del agujero negroen el eje mismo de esta galaxia activa. Se piensa que muchas galaxiasdenominadas activas son la cuna de una apreciable cantidad de agujeros negros.Otra de las evidencias sobre un posible agujero negro, encontradas ultimamentepor el HST, es el hallazgo de un disco circunvalatorio que se encuentrasometido a un proceso de desmaterializacion generado por poderosas mareasgravitatorias que parecen provenir de un area central ubicada en el nucleo de lagalaxia NGC 4261.

Figura 9: Imagen realizada por el Hubble Space Telescope

La imagen anterior, corresponde a una toma realizada por el Hubble SpaceTelescope.La parte exterior de color blanco, corresponde a las delimitaciones del nucleocentral de la galaxia NGC 4261. En el interior del nucleo se puede observar auna especie de espiral de color cafe o marron que parece que estuvieraformando un disco circunvalatorio de materias, gases y polvo con lascaractersticas similares a uno de acrecion. Su peso se puede calcular en unas

4 EVIDENCIA 17

cien mil veces mas que el Sol. Lo anterior es posible debido a que se trata de unobjeto en rotacion, lo que permite calcular el radio y la velocidad de suconstitucion y con ello, calcular el peso de su parte central. El conjunto delfenomeno, incluido el disco circunvalatorio, forma un diametro semejante al delSistema Solar, pero pesa 1.2 millones veces mas que el Sol. Ello implica que sugravedad es un millon de veces mas poderosa que la del Sol. Por ello, casi sepodra asegurar que el fenomeno podra ser la consecuencia de la presencia unagujero negro en dicha galaxia.La existencia de los agujeros negros depende, en su mayor parte, de las Teorasde Einstein, aunque las evidencias son muy solidas; si dicha teora fueseincorrecta, se debera rescribir la cosmologa entera.

5 BIBLIOGRAFIA 18

5. Bibliografa

http://nti.educa.rcanaria.es/usr/avan tf sc1 98/ggg/david3b/Un%20agujero%20en%20el%20espacio.html

http://www.civila.com/chile/astrocosmo/an-03.htm

http://www.educar.org/cecc/h-foton/h-foton-3 16.htm

http://www.fcaglp.unlp.edu.ar/ ostrov/agujero.html

http://www.sadeya.cesca.es/ pdiaz/laberint/a-negro.htm