R:.L:. Armonía No 76 Valle de Santiago Cámara de Aprendices

AGUJEROS NEGROS Y SINGULARIDAD

A.·.L.·.G.·.D.·.G.·.A.·.D.·.U.·.

Un ajuste a la escala Tengo el recuerdo del sistema solar que aparecía en el diccionario Sopena en mi época escolar en los ochenta, era una de las pocas páginas en colores, una imagen parecida a ésta:

Resulta que esa imagen se quedó por mucho tiempo, esa era mi representación mental del sistema solar y de las proporciones del mismo….¡qué estafa! (incluso me vendieron un planeta que hace poco dejó de serlo). El universo tiene unas dimensiones totalmente distintas, compartiré algunos ejemplos que me hicieron destruir esa antigua idea, para poder intentar comprender las dimensiones del tema en cuestión. Las distancias son muy grandes entre los planetas, y los tamaños también lo son. La representación a escala entre los planetas del sistema solar sería parecida a la siguiente:

Si nuestra Tierra es tan pequeña en relación al Sol, imaginen la distancia a la que se encuentra si la Luna en un eclipse total de Sol tiene el mismo tamaño aparente! La Gravedad Albert Einstein junto con su Teoría General de la Relatividad (TGR), incorporó una nueva concepción de la realidad, entre otros introdujo la dimensión “espacio-tiempo” y demostró que el “espacio-tiempo” se curva. Cabe mencionar que A.

Einstein publicó la Teoría de la Relatividad Especial en el año 1905 y la TGR en el año 1915 y 1916, sin embargo en mi experiencia escolar me continuaron hablando solo de la física de Newton (¿Me estafarían otra vez?). Volviendo al punto, la gravedad es capaz de curvar el espacio-tiempo. La gravedad de Einstein no es una fuerza, sino una deformación geométrica del espacio-tiempo. Mientras mayor sea la masa de un objeto más curvará el espacio-tiempo a su alrededor. Para llevarlo a una imagen, les propongo que piensen en el espacio-tiempo como una tela elástica suspendida en el aire. Si en este experimento mental lanzan ahora una bolita de cristal, esta atravesará toda la tela en línea recta. Ahora repetiremos el experimento pero dejaremos en el centro una bola de bowling. La tela esta vez se deformó hacia el suelo. Lanzamos nuevamente la bolita de cristal, y esta vez no termina al otro extremo, sino que es atraída hacia la bola de bowling, modificando su trayectoria. Esto es lo que sucede con el espacio-tiempo y la gravedad.

Un aspecto importante de la gravedad es que también afecta a la luz. Un rayo de luz “intenta” viajar en línea recta en el espacio, sin embargo al pasar por objetos muy masivos, se ve desviada por la gravedad del objeto. En nuestra escala terrícola, un haz de luz que pasa muy cerca del Sol se curva ligeramente, por lo cual la posición aparente de la estrella que emitió el haz no corresponde a la realidad1. Las estrellas y transformación a agujeros negros En las estrellas se producen reacciones atómicas, estas son responsables de la radiación que emiten. Para ello requieren de “combustible” que permita generar dichas reacciones y mantienen una alta temperatura en la estrella. Normalmente una estrella se encuentra en equilibrio entre la atracción gravitacional y las reacciones atómicas que contrarrestan la gravedad (generando calor). Hasta aquí todo en calma, corresponde a la imagen de nuestro Sol. Sin embargo luego de mucho tiempo (importante recordar las escalas del universo, mucho tiempo es realmente ¡mucho!) su combustible termina por agotarse y la estrella comienza a enfriarse. Para ciertas estrellas masivas (nuestro Sol no está dentro de ese grupo) que tienen una masa superior a 1,4 Soles, conocido como límite de Chandrasekhar2, sufrirán un colapso gravitacional. Ese colapso implica que su enorme masa terminará concentrada en una pequeña cantidad de espacio, es decir, será muy densa. La densidad extrema (varios millones de gramos por centímetro cubico) es tan grande que cualquier cosa que sea atraída hacia dicho objeto y cruce el límite del horizonte de sucesos, no podrá salir nunca más de ese campo gravitacional. La luz, que también es afectada por la gravedad, tampoco podrá salir. De esta manera, estos objetos super masivos no pueden ser observados puesto que no emiten ningún tipo de radiación (cualquier radiación queda atrapada en su interior). Dado que todo lo que es atraído no puede salir y que no emiten luz, se denominan agujeros negros.

1 A. Einstein logró demostrar la TGR a través de un experimento en un eclipse total de Sol. En ese momento son visibles las estrellas

cuyo haz de luz pasa junto al Sol. Fue demostrado que las estrellas cambiaban su posición relativa, lo que concordaba exactamente con sus cálculos. 2 El límite de Chandrasekhar (límite descubierto por el físico indio Subrahmanyan Chandrasekhar) es la máxima masa posible de una

estrella fría estable. Si se supera este límite la estrella colapsará para convertirse en un agujero negro o en una estrella de neutrones. Chandrasekhar utilizó la mecánica cuántica para alcanzar su solución.

Agujeros negros Como mencioné anteriormente, una estrella con una masa superior a 1,4 veces el Sol podrá convertirse en un agujero negro. El agujero negro está definido por el límite de la luz que alcanza a escapar y aquella que entra en él, este horizonte se conoce como Radio de Schwarzschild (para este trabajo asumiré que es equivalente al horizonte de sucesos). En el centro del agujero negro se encuentra la masa ultra densa, que se define “singularidad”, es una región del espacio-tiempo que se ha curvado a tal nivel que se vuelve infinita, dejando de funcionar en dicha singularidad cualquier ley física. Una representación del agujero negro y su horizonte de sucesos se ve en la siguiente imagen:

Esta fórmula resulta muy importante para estudiar los agujeros negros, permite determinar a través de los efectos gravitacionales en el entorno, la masa que debe tener el agujero negro. Estos efectos son por ejemplo las órbitas que describen estrellas en torno a centros “invisibles” o a efectos de “lente” en algunas observaciones. ¿Qué sucede con lo que “cae” en un agujero negro? No volverá a salir, la información se pierde, cada partícula es atraída hacia el centro de manera violenta, desintegrándose. Como hemos visto, la gravedad deforma el espacio-tiempo, en el caso de los agujeros negros, estamos en presencia de mucha gravedad en un pequeño espacio. Esto es interesante, pues si bien se puede conocer el horizonte de sucesos, no es posible conocer la distancia a la que se encuentra la singularidad, ya que ha deformado radicalmente el espacio-tiempo, como se aprecia en la siguiente imagen:

Evidencia de Agujeros Negros Considerando que en el universo observable existen cien mil millones de galaxias, cada una de las cuales tiene a su vez varios cientos de miles de millones de estrellas, las enanas blancas y los agujeros negros deberían ser objetos habituales. Astrónomos estiman que en el centro de las galaxias deberían estar estos agujeros negros. Desde el observatorio de C° Paranal (VLT) se ha fotografiado una zona en el centro de nuestra galaxia durante 14 años. Esto permitió observar la órbita de varias estrellas en torno a lo que sería un agujero negro masivo en el centro de la vía láctea.

Conclusiones Con toda seguridad jamás en nuestra vida estaremos cerca de un agujero negro, sin embargo estos cuerpos especiales del universo permiten abrir aún más la imaginación hacia la posibilidad de conectar diversos puntos del espacio a través de ellos, la curvatura del espacio tiempo según algunas hipótesis permitiría conectar con otras zonas del espacio. Permiten también comprender como funciona el universo y cómo pudo haber sido en un inicio (en caso de ser cierto el big-bang) Es sorprendente la capacidad de la humanidad para estudiar los fenómenos misteriosos del universo, deducir las leyes que lo gobiernan, idear experimentos para confirmarlos, todo desde una parte minúscula del universo.

S.·.F.·.U.·.

Alejandro Riquelme Tarantola