AVE Ciencias Los hoyos negros Julieta Fierro

Figura 1. Un hoyo negro (Nova Nex) ¿Qué son los hoyos negros? Un hoyo negro es un sitio dónde las cosas pesan tanto que hasta la luz pesa. Se llaman así porque a diferencia de otros astros cuya luz viaja por el espacio hasta llegar a la Tierra, en los agujeros negros la luz no logra salir, queda atrapada. En la Tierra estamos acostumbrados a que los objetos caen y la luz viaja en línea recta. Si una amiga te lanza un objeto cualquiera, como una pelota, seguirá una trayectoria curva, sube y vuelve a bajar. Pero la luz que sale de los objetos que miras viaja en línea recta. La que sale de la punta de una vela viaja directa hasta tus ojos, lo puedes comprobar estirando el brazo en la misma dirección de dónde emerge la luz de lo que miras.

Figura 2 . Cuando se lanza un objeto sigue una trayectoria parabólica, sube y baja. (JuanMatemáticas.)

Figura 3. La luz que sale de una vela viaja en línea recta hasta tus ojos. En cambio en un hoyo negro a la luz le sucede lo mismo que a la pelota, cae. Si pudieras pasear por la superficie de un hoyo negro con tu amiga, lo cual sería imposible porque allí pesarían demasiado, la luz que saliera de la punta de la nariz de tu acompañante caería al piso en lugar de viajar en línea recta hasta tus ojos. Los agujeros negros son objetos muy compactos. Para que la Tierra se convirtiera en un hoyo negro sería necesario que absolutamente toda la materia que posee: ciudades, mares, montañas, subsuelo, etcétera, cupiera dentro de un espacio tan pequeño como la punta de tu nariz.

Figura 4. Si la Tierra se pudiera comprimir hasta formar un hoyo negro cabría en la palma de tu mano. (Pato Guapo.) Lo sorprendente es que existen miles de millones de hoyos negros con cantidades muy distintas de materia tan comprimida que hacen que la luz pese. Algunos hoyos negros son el resultado de la muerte de las estrellas, otros son la fusión de varios astros y se encuentran en los centros de las galaxias, incluso hay algunos que se forman y se desintegran antes de absorber la materia que los rodea.

Figura 5. No podemos ver a los hoyos negros porque no emiten luz. Sin embargo somos capaces de observar y estudiar a los objetos que giran en torno de ellos. Para que te vayas adentrando en los misterios de los hoyos negros, te mencionaremos algunos aspectos de la atracción gravitacional y de la vida de las estrellas. Estamos anclados a la Tierra Probablemente alguna vez has tenido deseos de volar. Además de sentir el aire fresco sobre tu rostro y poder llegar fácilmente de un sitio a otro, es posible que te gustaría ver el paisaje desde arriba. Como sabes, entre más lejos estás de un objeto lo ves más pequeño, así que seguro has imaginado que si estuvieras en el espacio verías a tus enemigos como hormigas insignificantes. Sin embargo estamos anclados a la Tierra. Los científicos decimos que esto se debe a la fuerza de gravedad, esta hace que todos los cuerpos se atraigan entre sí, y que entre más materia tengan se atraen con mayor fuerza. La Tierra que tiene 57 billones de kilos de materia nos mantiene incorporados a ella. Esto hace que sintamos nuestro peso. Por más que saltemos volvemos a caer. La Tierra atrae a todo hacia su centro, esta es la razón por las cuales todas las personas del mundo, en cualquier lugar dónde estén sienten que la Tierra las jala en dirección a su centro. También es la razón por la cual nuestro mundo y otros, como la Luna, el Sol, los planetas y las estrellas son redondos. Así incluso el Sol, las estrellas o planetas como Júpiter, que están compuestos de gases, similares al aire, se mantienen unidos y son esféricos porque toda la materia que los constituye es atraída hacia sus centros.

Figura 6. La fuerza de gravedad es una fuerza central; los objetos celestes esféricos como la Tierra son redondos porque atraen todo hacia sus centros. (BBC) En los hoyos negros la fuerza de gravedad es miles de millones de veces más grande que la de la Tierra, y por eso allí también se nota de manera espectacular cómo la luz pesa. Para comprender la manera en que se forman los primeros hoyos negros que se descubrieron es necesario conocer la vida de las estrellas. Estás no viven por siempre, aunque todas las noches las veamos en el cielo, cambian de manera gradual, evolucionan. Puesto que su tiempo de vida es de millones de años, nosotros las vemos siempre iguales, como es el caso del Sol. Las estrellas nacen dentro de nubes de gas y de polvo. Cuando la fuerza de gravedad que experimentan los gases y el polvo de la nube son suficientemente intensos, se contraen y se calientan. Imagina que dejas caer una piedra atada a un cordón, permitiendo que se deslice entre tus dedos. Sentirás que se calientan cuando pasan por el cordón. Cuando una nube se contrae los suficiente, hay sitios dónde aumenta tanto su temperatura y su densidad que da origen a una estrella.

Figura 7. Las estrellas nacen dentro de nubes de gas y de polvo. Las regiones opacas y oscuras de la nube no permiten ver su interior. (Telescopio Espacial Hubble) Figura 8. Si sueltas una piedra atada a un cordel y dejas que se deslice entre tus dedos, sentirás su calor. Los científicos decimos que la energía gravitacional se transforma en energía calorífica. No podemos ver las estrellas recién nacidas porque se encuentran rodeadas del capullo de gas y polvo que les dio origen. Todos los días nacen millones de estrellas. Las nubes dónde se forman son oscuras; no permiten ver a las estrellas que están detrás. Una vez que nacen las primeras estrellas de una nube iluminan al gas que las rodea, éste se calienta y brilla. Así, los sitios donde nacen estrellas son nubes gas brillante.

Una estrella logra nacer dentro de una nube porque la fuerza de gravedad atrae a suficiente materia para formarla. Suele sobrar material este se une para convertirse en planetas con sus respectivos satélites.

Figura 9. Etapas de formación de una sola estrella y su sistema planetario. No se puede observar directamente con luz el nacimiento de las estrellas debido a que están rodeadas del gas que les da origen. Solamente se logran ver con radiotelescopios. Es algo similar a un bebé dentro del vientre materno: no lo podemos ver con nuestros ojos pero sí con imágenes de ultrasonido. Hasta ahora sólo hemos dicho la una estrella se forma cuando se aglomera una cantidad enorme de materia, ahora explicaremos la razón por la que brilla. En el interior de las estrellas se llevan a cabo reacciones termonucleares. Esto significa que en las partes centrales de las estrellas se transforma materia en energía, en luz. La materia que se transforma en energía proviene del gas llamado hidrógeno. Este se convierte en otro gas llamado helio. El elemento hidrógeno es uno de los constituyentes del agua, cuando se combina con el oxígeno. El helio se emplea para inflar globos que flotan. Lo interesante es que cuatro átomos de hidrógeno pesan más que uno de helio. Cuando en el núcleo de las estrellas se transforma hidrógeno en helio parte de la masa se transforma en energía, por eso brillan las estrellas.

Figura 10. Durante las reacciones termonucleares el hidrógeno se convierte en helio, parte de la materia se transforma en energía. Seguramente habrás visto una fórmula que se le ocurrió al científico extraordinario Albert Einstein: E = mc2. Lo que significa es que podemos convertir materia, m, en energía, E. El resto de la fórmula, es decir c2, significa que poca materia se transforma en mucha energía. Esta misma conversión en materia en energía es la que se emplea para hacer estallar bombas atómicas. En el caso del Sol parte de la materia del hidrógeno se convierte en algo similar a la luz que se llama rayos gamma; poseen una temperatura elevadísima. Estos rayos salen del núcleo de la estrella después de innumerables absorciones y emisiones. No podemos ver el interior de una estrella porque los gases que la forman no son transparentes.

Figura 11. En los núcleos de las estrellas se producen reacciones termonucleares cuya energía viaja por el interior de la estrella hasta llegar a la superficie en forma de luz visible. (John Cummings) Como el gas hidrógeno es tan abundante y es el que usan las estrellas, estas viven millones de años. Por ejemplo, el Sol nació hace 4 500 millones de años y vivirá otros tantos. En su núcleo, diez mil toneladas de hidrógeno se están transformando en helio cada segundo. Las reacciones nucleares son más poderosas en las estrellas grandes que en las pequeñas y por lo tanto consumen mayor cantidad de combustible y por eso viven menos. Una estrella gigante azul vive unos cuantos millones de años, en cambio las estrellas enanas rojas viven decenas de millones de años. Los planetas y las estrellas tienen formas esféricas, porque la fuerza de gravedad, la que hace que los objetos pesen, atrae a todo hacia su centro. Así aunque las estrellas sean mundos de gas son esféricas. Las estrellas son enormes comparadas con la Tierra, por ejemplo, dentro del Sol cabrían un millón de mundos como el nuestro. Para que comprendas cómo se mantiene inflada una estrella necesitas una secadora de cabello y un globo. Si la secadora tiene dos velocidades de salida de aire mejor. Infla ligeramente el globo, hasta que tenga unos 8 centímetros de diámetro. Enchufa la secadora, si se puede en la posición de aire frío y colócala de tal manera que el aire sople hacia arriba. Enciéndela, coloca el globo a unos 30 centímetros por encima de la salida de aire. No trates de manipular a la secadora, mantenla quieta. Notarás que el globo se queda suspendido. Si aumentas la velocidad del aire de la secadora, el globo se elevará y volverá a quedar suspendido. Si apagas la secadora el globo se caerá. En una estrella la fuerza de gravedad atrae a todos sus gases hacia el centro. La presión producida por las reacciones termonucleares del hidrógeno los empuja hacia fuera. En consecuencia, las estrellas son esferas de gas en equilibrio. La gravedad jala

hacia el centro y la presión del gas empuja hacia fuera. En estrellas como el Sol este equilibrio se mantiene durante diez mil millones de años.

Figura 12. Si colocas un globo ligeramente inflado sobre el chorro de aire de una secadora que apunte hacia arriba, se mantendrá flotando. En una estrella la gravedad atrae los gases hacia su centro y la presión los empuja hacia fuera, formando una esfera gaseosa. Resulta que las estrellas no viven por siempre. Los hoyos negros se forman cuando las estrellas más grandes se apagan. Así que ahora nos referiremos a las etapas finales de la evolución estelar. La muerte de las estrellas Las estrellas terminan su evolución cuando se les agota el combustible en los núcleos. Cuando las estrellas tienen menos materia que el Sol se apagan y se enfrían lentamente, pasando de ser enanas rojas a enanas negras. Las estrellas como el Sol al iniciar el final de sus vidas se inflan y arrojan su atmósfera al espacio, dejando atrás el antiguo núcleo que se enfría lentamente, llamado enana blanca que con el tiempo terminará como enana negra. El Sol terminará su evolución dentro de 4 500 millones de años. Se va a inflar tanto que Mercurio y Venus van a quedar dentro del Sol. El resto de los planetas se escaparán o desintegrarán en forma de gas que vagará por el espacio hasta mezclarse con alguna nube que dará origen a nuevos sistemas planetarios. En otra palabras las estrellas son los grandes recicladores cósmicos, ya que las nuevas estrella se forman de materia que arrojan las anteriores.

Figura 13. Dentro de 4 500 millones de años el Sol se expandirá tanto que se verá su antiguo núcleo llamado enana blanca rodeado de una envolvente gaseosa en expansión. (Telescopio Espacial Hubble.) Las estrellas que poseen mayor cantidad de materia se llaman gigantes azules son cientos de veces más grandes que el Sol. Nacen como el resto de las estrellas dentro de nubes de gas y de polvo. Las gigantes azules queman tan rápido su combustible que viven miles de veces menos que nuestra estrella ¡solamente un millón de años! Piensa que el hombre moderno sólo lleva 100 mil años de existencia en la Tierra y que los dinosaurios habitaron aquí hace 350 millones de años. La estrella más brillante del cielo observada a simple vista se llama Sirio, se ve en México durante los meses de invierno. Es una estrella gigante azul. Forma parte de la constelación del Can Mayor, o sea, el Gran Perro. Las constelaciones son agrupaciones arbitrarias de estrellas en el cielo, para ubicarlas con facilidad; el equivalente a los continentes para ubicar países.

Figura 14. Sirio es la estrella gigante azul más cercana a la Tierra. No podemos ver con claridad el color de las estrellas porque nuestros ojos no ven los tonos en sitios oscuros. Fíjate en día cuando se acabe de poner el Sol cómo no ves tan nítidos los colores comparados como los ves a simple vista. Sin embargo las imágenes que toman los astrónomos muestran claramente sus colores: azules, verdes, amarillas, naranjas y rojas. También muestras los colores de las nubes dónde nacen y las que forman al morir. Cuando las estrellas gigantes azules agotan su combustible nuclear, se apagan. Todos los gases de la estrella se van hacia en centro; de manera similar a cuando apagaste la secadora y el globo se cayó. ¡En el caso de las estrellas gigantes azules la caída de toda la materia sucede menos de un segundo! El resultado posterior es la explosión de la estrella y la formación de un hoyo negro. Para que lo comprendas deberás efectuar otro experimento. Vas a necesitar dos pelotas, una tiene que ser más ligera que la otra y es mejor si rebotan bien, como una pelota de tenis y una de ping-pong o una de goma y otra de unicel; sin embargo funciona con cualquier par. Colócate en algún sitio dónde el piso sea tal que las pelotas puedan rebotar. Toma con una mano la más pesada y coloca la otra encima sosteniéndola sólo con dos dedos. Suéltalas simultáneamente. Notarás que la pelota más pesada se queda en el piso mientras la más ligera sale volando. Algo equivalente le sucede a una estrella gigante azul cuando se apaga: la parte central se concentra toda y la externa sale expulsada.

Figura 15. Si colocas una pelota, encima de otra, sosteniendo cada una con una mano y las sueltas al mismo tiempo, una se quedará casi quieta sobre el piso y la otra saldrá volando. (Funciona mejor si la pelota de abajo es de goma y la de arriba ligera.) Cuando una estrella gigante azul explota, el material arrojado es tan brillante como millones de estrellas juntas. Se llama explosión de supernova. La nebulosa del Cangrejo es el resultado de una supernova que ocurrió en el año 1054. Fue tan brillante que incluso se observó de día. Los gases que arrojó siguen avanzando por el espacio a miles de kilómetros sobre segundo, y arrastran la materia que se encuentra en su camino.

Figura 16. La nebulosa del Cangrejo. (Telescopio Espacial Hubble.)

En 1987 hizo explosión otra supernova en la Nube Mayor de Magallanes, que es una de las 60 galaxias enanas de la Vía Láctea la hermosa galaxia espiral dónde habitamos. La descubrió un joven canadiense que observaba esta pequeña galaxia todas las noches y le tomaba una fotografía. Es una galaxia enana porque a diferencia de nuestra galaxia que tiene cien mil millones de estrellas, esta sólo tiene cientos de miles. Una madrugada miró la fotografía que había tomado y descubrió un objeto muy brillante que no estaba allí la noche anterior y dio aviso a la comunidad internacional que puso apuntó sus telescopios para estudiar este espectacular estallido estelar.

Figura 17. La Vía Láctea, nuestra galaxias, con dos des sus satélites principales en uno de los cuales se pudo apreciar la explosión de una supernova. (Cerro Tololo) En promedio hace explosión una supernova cada cien años en cada galaxia, así que es posible que durante tu vida puedas presenciar alguna que ocurra en la Vía Láctea y con suerte la podrás mirar de día. Las estrellas de neutrones Cuando las estrellas gigantes azules se apagan, la mayor parte de la materia que las constituye sale volando al espacio en lo que se conoce como la explosión de una supernova. El resto de la materia, la del núcleo, la parte central, se cae sobre si misma y produce un objeto compacto. Se le conoce como estrella de neutrones. La densidad es tan elevada en estos objetos que los protones y electrones de los átomos estelares se unen para formar neutrones. Las estrellas de neutrones miden unos cuantos kilómetros, cabrían cómodamente en el valle de México. Son tan chiquitas y compactas que allá las montañas miden unos

cuantos centímetros de altitud. En las estrellas de neutrones las cosas pesan mucho, allá una cucharadita de azúcar pesaría tanto como varios elefantes. En el centro de las remanentes de supernova se suelen formar estrellas de neutrones.

Figura 18. Una estrella de neutrones cabría cómodamente en la cuenca de la ciudad de México u otra ciudad grande como Vancouver. Choques de estrellas E espacio entre las estrellas es tan vasto que es poco probable que colisionen entre sí. Para que te des una idea, si viajáramos al bordo de una sonda espacial de las más poderosas con las que contamos, tardaríamos 3 años en llegar al Sol y 26 000 años en llegar a la estrella más cercana. A de la vastedad del cosmos de vez en cuando las estrellas se acercan lo suficiente para unirse. Es poco probable que se acerquen justo uno delante de la otra; en general se acercan de tal suerte comienzan a giran entre sí, forma un sistema doble de estrellas. Si de casualidad el choque es frontal el resultado de la colisión dependerá del tipo de estrellas. Si una estrella enana blanca choca contra una gigante roja, la primera simplemente atravesará a la segunda; ya que las estrellas son gaseosas. Los gases de las estrellas están comprimidos en la enanas blancas y diluidos en las gigantes rojas. En cambio si dos estrellas de neutrones chocan de frente, producirán una explosión tan intensa que iluminarán al cielo con un tipo de radiación llamada rayos gamma, los cuales sólo se pueden observar con

satélites, pues no atraviesan nuestra atmósfera. Posteriormente, la materia de ambas estrellas se unirá para formar una estrella de neutrones de mayores dimensiones.

Figura 19. La colisión de dos estrellas de neutrones producen un brote de rayos gamma que dura unos cuantos minutos. Los pulsares En la parte central de la Nebulosa del Cangrejo existe un pulsar, así se conoce al cuerpo que quedó cuando el núcleo de la estrella se cayó sobre sí mismo después de la explosión de la supernova. En realidad es una estrella de neutrones, pero tiene una particularidad. Seguramente has oído hablar de las auroras. Son luces de colores en la atmósfera en forma de sábana ondulante, que se ven en regiones cercanas a los polos terrestres. Las partículas que nos llegan del espacio y poseen carga eléctrica chocan contra la atmósfera terrestre en esas regiones por el “imán” de la Tierra las atrae y producen auroras. En algunas de las estrellas de neutrones existen auroras, que se observar y se dejan de observar según gire la estrella; puede ser varias veces por segundo. Es decir que un pulsar es como un faro espacial que produce luces intermitentes conforme gira.

Figura 20. Dibujo de un pulsar dónde se muestran como favor luminosos cuya luz recorre el firmamento. (Live Journal) Los agujeros negros Existen agujeros negros de muchos tipos. Son astros dónde la fuerza de gravedad es tan alta que se nota que la luz pesa, tanto que no puede salir de la superficie. Si al final de la explosión de una supernova se produce una estrella de neutrones con suficiente materia, se puede transformar en un hoyo negro, cuando su gravedad es lo suficientemente intensa para impedir que la luz la abandone. En los hoyos negros a los rayos de luz les sucede lo mismo que a los objetos sólidos, los aventamos y caen. En un hoyo negro un rayo de luz trata de escapar y no lo logra, vuele a caer. Para que una estrella de neutrones se convierta en un hoyo negro una cucharadita de su material debe pesar tanto como toda la humanidad. Los agujeros negros contienen más materia comprimida que las estrellas de neutrones y se pueden producir a raíz de la explosión de una supernova. Es decir cuando una estrella gigante azul termina su evolución, se le acaba el combustible en el núcleo, se apaga y se contrae. La parte de afuera sale volando y la interna se comprime. Si posee suficiente materia, se contrae a tal punto que forma uno de estos objetos sorprendentes que absorben no sólo la luz sino todo lo que se les acerca. Si el Sol se pudiera convertir en un hoyo negro, que no será el caso, toda su materia tendría que están contenida en un volumen igual al de una pelota de futbol. Recuerda que cabrían un millón de Tierras dentro del Sol.

¿Qué le sucede a la materia cuando se acerca a un hoyo negro? La fuerza de gravedad de un objeto no sólo depende de la cantidad de materia que posee un objeto sino de la distancia que separa al cuerpo que atrae al que siente la gravedad. Por ejemplo, no sentimos la fuerza gravitacional de Júpiter aunque tenga 317 más materia que la Tierra, porque está muy lejos, en cambio si estuviéramos en las nubes que lo rodean pesaríamos más del doble de lo que pesamos en la Tierra. Aunque haya miles de hoyos negros en la Galaxia, no sentimos su atracción gravitacional, ni hay ninguna probabilidad de que el sistema solar caiga a ninguno, pues están todos a distancias inmensas. Si un objeto extendido se acerca a un hoyo negro, la parte más cercana siente mayor atracción que la más alejada, porque la fuerza de gravedad disminuye conforme aumenta la distancia. Así que si una estrella se acerca a un hoyo negro, se deforma, se vuele alargada, entre menor ser la distancia mayor será la deformación.

Figura 21. Cuando una estrella se acerca a un hoyo negro se deforma; porque la parte más cercana siente una mayor atracción que la lejana. Cuando cualquier objeto se acerca a un hoyo negro se comienza a romper, o a dispersar, dependiendo si es sólido o gaseoso. La materia desprendida comienza a girar en torno del hoyo negro antes de ser absorbidos. Al hacerlo forman un disco caliente y luminoso. Los gases más cercanos al hoyo negro se desplazan a mayor velocidad que los lejanos. El calor del disco se produce por esta diferencia de velocidades, porque los gases se friccionan. Si frotas tus manos se calientan. De manera similar los gases del disco se frotan y se calientan a tal punto que emiten rayos X.

Figura 22. Cuando un objeto sólido de gran tamaño se acerca a un objeto con masa considerable, se rompe, porque las partes más cercanas sienten mayor atracción que las lejanas. (NJU Education) Si una nube o una estrella o cualquier otro astro se acerca a un hoyo negro forma un disco brillante en torno suyo cuya luz si podemos ver desde telescopios colocados en satélites. Los rayos X que emiten los discos que rodean a los hoyos negros son los mismos que se emplean en las radiografías. Aunque varios astros producen rayos X no los podemos ver desde la superficie terrestre porque la atmósfera absorbe este tipo de radiación.

Figura 23. Disco incandescente que rodea a un hoyo negro y emite rayos X. Estos discos suelen formar jets de radiación y gas incandescente perpendiculares al disco. La radiación que produce la región central del disco no lo puede atravesar y sale de manera perpendicular, iluminando los gases en forma de chorro. En la jerga científica se conocen como jets. Los hoyos negros como fuente de energía Puesto que la materia que gira en torno de un hoyo negro produce tanta energía, algunos pensadores han considerado la posibilidad de que alguna civilización más avanzada que la nuestra aproveche este recurso. Estas civilizaciones hubiesen podido construir enormes cascarones, bastante alejados de los hoyos negros, capaces de captar los rayos X para transformar su energía en electricidad y proveer de energía a las fábricas y a los cohetes durante los viajes interestelares (por medio de microondas.) Cuando buscamos maneras de descubrir seres de otros mundos, una forma sería observar estos inmensos cascarones, porque al ser de mayor tamaño que una estrella serían más fáciles de detectar. Hasta la fecha no hemos tenido éxito. Nuestra tecnología moderna todavía está imposibilitada para extraer energía de un hoyo negro, ni siquiera nos podemos acercar a alguno que provenga de el estallido de una supernova. Para llegar a alguno de ellos tardaríamos cientos de miles de años viajando con nuestros cohetes más poderosos. ¿Qué sucede cuando algo cae dentro de un hoyo negro? Comparemos lo que les sucedería a una torta de jamón con lo que le acontecería a un robot al acercarse a un hoyo negro. Como vimos antes lo primero que les sucedería es

un proceso de estiramiento; se volverían muy alargados como fideos. Eso se debe a que el hoyo negro jalaría más y más las regiones cercanas del cuerpo que se aproxima que las lejanas. Posteriormente todos los átomos, tanto de la torta de jamón como del hoyo negro se transformarían en neutrones. Esto significa que cualquier objeto, independientemente de su composición química original, terminaría convertido exclusivamente de neutrones. Algo interesante es que el tiempo de caída de los objetos a los hoyos negros es inmenso, debido a la relatividad general, que implica alteraciones en el espacio y el tiempo cerca de objetos muy masivos. Así que toda la información de los objetos que se acercan a los hoyos negros se queda en lo que se conoce como el horizonte de eventos, el sitio del no retorno. Cuando algo traspasa el horizonte de eventos ya no logra salir, ni siquiera la luz. Por eso hay quienes dicen que los hoyos negros son como hologramas; superficies de dos dimensiones dónde está acumulada la información de objetos tridimensionales.