Les comparto un reporte que hice para mi clase de cálculo vectorial en el 2015.
¿Qué son los hoyos negros?
También llamados agujeros negros son cuerpos con una gravedad exageradamente grande, para comprender qué tan grande es la gravedad que puede existir en la superficie y los alrededores de estos cuerpos comenzaremos por cuerpos con menor gravedad. Nuestro Sol que posee una gravedad 30 veces mayor a la que existe en la superficie de la tierra ya es grande por si solo y posee unas 330 mil veces la masa de la Tierra, ahora, ¿Qué pasaría si por alguna razón nuestro Sol comenzara a reducir su tamaño (conservando la masa que tiene)? Sabemos que nuestro Sol aún no colapsa debido a la gran presión que existe en su interior (presión que es ejercida hacia el exterior) el Sol se encuentra en un estado de equilibrio donde la presión en el núcleo le permite fusionar sus átomos de hidrógeno, si el sol dejara de producir esta fuerza debida al calor; con gradiente hacia fuera de su centro, comenzaría a colapsar ya que en su mayoría está compuesto por gases, estos se licuarían hasta reducir su radio y aumentar la gravedad existente, la estrella comenzaría a contraerse y la estructura atómica del interior se desintegraría. En lugar de átomos ahora existirían electrones, protones y neutrones sueltos. La estrella seguiría contrayéndose hasta el momento en que la repulsión mutua de los electrones llegue a contrarrestar cualquier contracción ulterior.La estrella es ahora una «enana blanca». Si una estrella como el Sol sufriera este colapso que conduce al estado de enana blanca, toda su masa quedaría reducida a una esfera de unos 16.000 kilómetros de diámetro, y su gravedad superficial sería 210.000 veces superior a la de la Tierra. Nótese que la gravedad aumento de 30 a 210mil veces la existente en la superficie terrestre.En determinadas condiciones la atracción gravitatoria se hace demasiado fuerte para ser contrarrestada por la repulsión electrónica. La estrella se contrae de nuevo, obligando a los electrones y protones a combinarse para formar neutrones y forzando también a estos últimos a colocarse en estrecho contacto. La estructura neutrónica contrarresta entonces cualquier ulterior contracción y lo que tenemos es una «estrella de neutrones», que podría albergar toda la masa de nuestro sol en una esfera de sólo 16 kilómetros de diámetro. La gravedad superficial sería 210.000.000.000 veces superior a la que tenemos en la Tierra.En ciertas condiciones, la gravitación puede superar incluso la resistencia de la estructura neutrónica. En ese caso ya no hay nada que pueda oponerse al colapso. La estrella puede contraerse hasta un volumen cero y la gravedad superficial aumentar hacia el infinito. En esencia estos son los agujeros negros; sin necesidad de ser de gran tamaño, poseen una densidad tremenda que se traduce en fuerza de atracción gravitacional (es dividir entre cero la ecuación de la gravitación de Newton).
simulación fuera de aproximación en winplot para entender la dilatación del tejido espacio-tiempo (función asintótica).
Ahora bien, esta clase de objetos crea una deformación en el espacio – tiempo comparada a la gráfica de una función asintótica, pues como se dijo: la gravedad existente en estos cuerpos, posiblemente tiende a infinito.“Los llamados agujeros negros son lugares con un campo gravitatorio muy grande, enorme. No puede escapar ninguna radiación electromagnética ni luminosa, por eso son negros.”Son negros, puesto que de ellos no escapa ninguna radiación electromagnética como los fotones, que a pesar de tener una masa 0 y gran velocidad de propagación en el vacío, no son excluidos de la atracción de estos cuerpos masivos.Estos agujeros negros están rodeados por un denominado “horizonte de sucesos” este término hace referencia a rango esférico que tiene el agujero donde una vez dentro de él, ya no se puede salir, es decir, ni siquiera la luz puede escapar de ese rango donde la deformación del “tejido espacial” debida la gravedad es inconmensurable, hoy día es algo que la ciencia no ha podido resolver: la singularidad espacial;
Como ocurrió en el Big Bang, también en los agujeros negros se da una singularidad, es decir, las leyes físicas y la capacidad de predicción fallan. Ningún observador externo, si lo hubiese, podría ver qué ocurre dentro.
¿Y el tiempo?
Por supuesto al igual que ir a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, el tiempo corre más lento cerca de objetos masivos que de otros menos masivos, así por ejemplo el tiempo corre un poco más lento en la superficie del Sol que en la superficie terrestre.Imagínese en la situación de observar a lo lejos a un amigo suficientemente intrépido para querer hundirse en un agujero negro. Al mismo tiempo que va a acercarse a éste, verá su reloj girar cada vez más lentamente.El desplazamiento de la aguja correspondiente a un segundo tardará cada vez más tiempo, un minuto, una hora, un día, un mes… En el momento en que alcance el radio de Schwarzschild (Horizonte de sucesos), este movimiento requerirá un tiempo infinito. La imagen de su amigo quedará fija para la eternidad (lo malo es que tan cerca del horizonte de sucesos es probable que no veamos a nuestro amigo ya que la luz que pueda incidir en él no tenga la energía suficiente para regresar y escapar de la gravedad y deformación que produce el agujero negro). Para su amigo, por el contrario, se invertirá la situación. Cuando mira la hora en su reloj, no observará nada especial. Pero mirando la de usted quedará sorprendido. Verá girar la aguja cada vez más rápidamente, una vuelta se realizará en un segundo, un milisegundo, un microsegundo… observará pronto la vida de las estrellas desarrollarse en una fracción de segundo, luego, alcanzando finalmente el radio de Schwarzschild, podrá observar toda la historia futura del Universo.
Las fuerzas de marea
Tengamos en cuenta un último efecto que va a revelarse dramático: la implicación de las fuerzas de marea. Si la intensidad del campo gravitacional alrededor de un agujero negro es enorme, sus variaciones con la distancia al centro lo son igualmente.Imaginemos que su amigo cae primero con los pies hacia el agujero negro. El campo de gravedad, que aumenta con la distancia desde el centro hacia abajo, será más fuerte al nivel de los pies que en la cabeza. Eso significa que los pies de su amigo se acelerarán más que su cabeza. Por lo tanto, su cuerpo va a estirarse en el sentido de la longitud, en primer lugar ligeramente, luego cada vez más fuerte, con las consecuencias fatales que se pueden temer (de ahí el encantador nombre de efecto espagueti).
La materia oscura
La materia oscura no emite ni absorbe luz, por lo tanto, es imposible verla… entonces, ¿Cómo la detectan? Como todo es relativo, sabemos que la materia oscura existe por los efectos que provoca. La materia oscura ejerce atracción gravitatoria sobre la materia que sí podemos ver.
Por ejemplo: las galaxias en espiral giran más rápido de lo que deberían si la única materia que existiese en ellas fuese la materia de sus estrellas, es decir, la fuerza de atracción gravitacional ejercida por la masa de las estrellas y cuerpos celestes no es lo suficientemente fuerte para que se mantengan orbitando en una galaxia a tal velocidad —¡saldrían despedidas!—. Esto se sabe gracias a diversos experimentos que tomaron como punto de partida las leyes de los movimientos planetarios de Johannes Kepler donde tenemos que la velocidad de un planeta que orbita el sol es inversamente proporcional a su distancia al centro, es decir, para este caso se toma al sistema solar como una masa puntual que orbita el centro de la galaxia. El principio se generaliza a cualquier conjunto, en particular a una galaxia espiral. La forma en la que la velocidad de las estrellas y del gas varía con la distancia al centro —la curva de rotación— nos permite determinar la distribución de la masa en el interior de esta galaxia.La velocidad de las estrellas sobre su curva de rotación en la galaxia debía ser escasa en el centro y aumentar con la distancia pues como si fueran coordenadas polares; r(dθ/dt)(ω) aumenta cuando el radio aumenta. Aparte de la galaxia, la curva de rotación debía invertirse y caer la velocidad.
Como ya sabemos, la materia “visible”, es decir, la materia que vemos a nuestro alrededor está formada por átomos, sin embargo aún no se sabe qué compone la materia oscura, algunas investigaciones nos indican que no está formada por átomos (eso ya es un avance).
Hasta donde hemos entendido, la relación de la materia oscura con la velocidad que llevan los planetas la podemos ver en la ecuación de la gravitación de newton para movimientos angulares V2= (GM/R), correlacionada a la gráfica de la velocidad observada respecto al radio, deducimos que lo que hace esta denominada “materia oscura” es rellenar los espacios vacíos entre estrella y estrella en toda la galaxia así la relación M/R se mantendría constante, y de esto podemos deducir que la materia oscura hace una de las funciones de la materia normal; esta función es llenar los espacios vacíos pues al parecer no deforman –significantemente a pequeña escala (con pequeña escala nos referimos a 1UA)- el espacio-tiempo.
Pares y grupos de galaxias
Las observaciones de la materia oscura por la curva de rotación o la agitación de las estrellas conciernen al vector velocidad de las galaxias. La masa y el tamaño de los halos de materia oscura que se deducen sólo constituyen valores mínimos. Para determinar estos parámetros más precisamente, es necesario aún alejarse de las galaxias y estudiar la gravedad más allá de su vecindad inmediata, a esta escala (cúmulo de galaxias) la interacción de la materia oscura se pronostica mayor.Para eso se puede, por ejemplo, observar un par de galaxias en órbita una alrededor de la otra. Esta clase de estudio es muy difícil, ya que los movimientos relativos no son medibles, a menos de observar las galaxias a lo largo de miles de millones de años, lo que no es especialmente práctico. Por esta razón, es necesario recurrir a argumentos estadísticos, lo que vuelve los resultados menos fiables. Algunas observaciones, sin embargo, se han intentado, y han mostrado que el tamaño y la masa de un halo típico son alrededor de diez veces el de la galaxia visible.
Por ahora lo que conocemos como verdad —alias invento ajustado— nos brinda una nueva concepción de esta fabulosa creación inconcebiblemente grande: el universo.
Conclusión
La existencia de los agujeros negros es sin lugar a dudas una realidad*, tan solo basta con observar el cosmos y encontrarse con estrellas tremendamente grandes, densas, nebulosas creadas por supernovas, galaxias, etc. El estudio de estos fenómenos por supuesto que nos ayuda en la comprensión de la naturaleza de nuestro universo pues como se puede deducir; tal vez exista alguna partícula subatómica que evite la continuación del colapso debido a la descomunal fuerza gravitacional de un agujero negro.
*Hasta entonces no se había corroborado por observaciones experimentales la existencia de los mismos sino que fue hasta febrero del 2016 que los laboratorios LIGO hicieron públicas las mediciones obtenidas de ondas gravitacionales (que corroboraban la teoría de la relatividad de Einstein) que se ajustaban a la existencia de dos cuerpos supermasivos orbitándose hasta colisionar. Estas detecciones de cuerpos masivos colisionando son mucho más comunes de lo que podrías esperar, tan sólo el primero de junio de este año (2017) han publicado la tercera detección de estas gravitational waves.
En cuanto a la materia oscura**, de lo anterior podemos concluir que se predice la existencia de algo, otra variable que distorsiona el cumplimiento de las leyes de movimientos planetarios generales como las leyes de Newton y Kepler. Ese algo fue denominado “materia oscura” y probablemente la explicación a éste y otros fenómenos seguirá siendo: “la existencia de materia oscura” hasta que se demuestre lo contrario o se corrobore esta teoría. Viene siendo como el “calórico” de la termodinámica.
**Dos semanas después que escribí mi reporte asistí a una conferencia sobre ondas gravitacionales, le pregunté al expositor qué era la materia oscura y sinceramente no comprendí del todo su respuesta, lo que logré sintetizar fue que es algo que sin duda existe pero que ni la teoría de la gravedad de Einstein predice la existencia de la misma.
Por ahora se nos ha brindado una nueva concepción del universo a gran escala, nos informamos y dimos cuenta de la interacción de la materia oscura y las galaxias, al igual que la concepción de la interacción de la materia oscura entre las estrellas de una galaxia y el centro galáctico.Como dato curioso, si tomamos en cuenta uno de los párrafos anteriores de los hoyos negros y partimos de la idea de que en el centro de las galaxias es posible la existencia de los hoyos negros, tenemos que las galaxias en espiral son, posiblemente de esa forma; por las fuerzas de marea (efecto espagueti).