agujero negro

Agujero negro: ¿Qué es? ¿Cómo se ve? Descripción y estructura

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Un agujero negro es un fenómeno asombroso que ocurre en el universo. Es de gran interés para los científicos, pero en el proceso de estudiarlo, encuentran muchas dificultades. Sin embargo, las tecnologías modernas permiten no solo construir teorías sobre la estructura de los agujeros negros, sino también probarlas en la práctica. Además, en 2019, los científicos incluso lograron tomar la primera fotografía del mundo que muestra este objeto espacial.

¿Qué es un agujero negro?

imagen agujero negro
Imagen de un agujero negro

Puede sonar extraño, pero los agujeros negros son los objetos más simples del universo en términos de características. Solo tienen dos parámetros: velocidad de rotación y masa. En astrofísica, se considera que es la etapa final en la evolución de las estrellas. Cuando el ciclo de vida de una estrella llega a su fin, estalla y su centro se convierte en un agujero negro.

La superficie del cuerpo celeste recién formado se llama horizonte de eventos. Pero debes comprender que un agujero negro no tiene capa física. Este término significa solo el espacio a cierta distancia del centro, donde termina la acción de la fuerza de atracción. Cuando un objeto o luz cruza el horizonte de sucesos, ya no puede salir del agujero negro porque se encuentra en un campo gravitacional fuerte.

Dato interesante: para salir de un agujero negro, un objeto debe moverse hacia el tiempo, es decir, pasar al pasado, lo cual es básicamente imposible.

¿Por qué se llaman así los agujeros negros?

Inicialmente, estos objetos espaciales se llamaron colapsos. Sin embargo, en el siglo XX, los periodistas de publicaciones científicas comenzaron a utilizar la frase “agujero negro”. Al físico John Wheeler le gustó tanto que lo llevó al nivel de designación oficial.

Los agujeros negros reciben este nombre porque absorben completamente la luz, lo que los hace imposibles de ver. Solo puede ver un objeto si hay un caparazón de una determinada sustancia, como un gas, alrededor del horizonte de eventos. Además, un agujero negro es claramente visible si absorbe materia y energía de una estrella cercana. De lo contrario, no será posible detectarlo, ya que será invisible para el ojo humano y los dispositivos.

Agujero negro alrededor de un cúmulo de estrellas
Agujero negro alrededor de un cúmulo de estrellas

Aunque estos objetos absorben la luz por completo, sin reflejarla de ninguna forma, existe la hipótesis de que pueden tener radiación. Durante su existencia, un agujero negro es capaz de emitir varias partículas elementales al espacio, la mayoría de las cuales son fotones. Desde un punto de vista físico, este proceso se asemeja a la evaporación gradual. Por el momento, este fenómeno no ha sido probado y solo existe un modelo hipotético. Los científicos lo llaman radiación de Hawking.

Los agujeros negros se vuelven visibles cuando chocan entre sí. Desde ellos comienzan a emanar ondas gravitacionales notables hacia el espacio.

¿Cómo aparecen los agujeros negros?

La aparición de los agujeros negros depende directamente de su masa. Según este parámetro, se dividen en dos categorías: circunsolar – su peso es igual a varios soles, y masivo – tienen este parámetro millones de veces más.

Cómo los agujeros negros están involucrados en la formación del cosmos

Un dato interesante: el tamaño de un agujero negro es proporcional a su masa. Cuanto más pesa, más amplio es el horizonte de sucesos.

Los estudios muestran que los agujeros negros circunsolares son antiguos y muy probablemente aparecieron en las primeras etapas de la formación del universo. Se formaron como resultado de la compresión de estrellas, cuyas dimensiones son de 25 a 70 veces el tamaño del Sol. Cuando la estrella dejó de disminuir, explotó y su centro se convirtió en un agujero negro.

Los objetos masivos se forman principalmente a partir de nubes de gas gigantes. La masa de este último es suficiente para formar un gran agujero negro, que pesa millones de veces más que el Sol. En el territorio de la Vía Láctea, hay uno llamado Sagitario A *. Se encuentra a 26 mil años luz del sistema solar. Este agujero negro apareció aproximadamente al mismo tiempo que la galaxia y está ubicado en su centro. El material principal para ello fue una nube de gas, que se comprimió a un tamaño pequeño. También hay una versión de que el agujero negro de la Vía Láctea apareció después de la explosión de una estrella gigante.

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A lo largo de su existencia, ambos tipos de objetos atraen sustancias del espacio que atraviesan su horizonte de eventos. Debido a esto, el tamaño del agujero negro aumenta gradualmente. Además, si la absorción ocurre solo de un lado, comienza a girar en una determinada dirección.

¿Cuál es la forma del agujero negro?

Todos los agujeros negros giran sobre su eje. Y su apariencia depende directamente de la velocidad. Si el movimiento es lento, la forma del objeto será esférica. Pero cuando un agujero negro gira a gran velocidad, sus polos se aplanan, lo que hace que se vuelva ovalado.

Los agujeros negros son redondos u ovalados
Los agujeros negros son redondos u ovalados

Por el momento, las tecnologías modernas son suficientes para determinar la forma de un objeto. Pero los científicos aún no han podido averiguar qué hay en el centro del agujero negro. Se sabe que allí no operan las leyes físicas, y la curvatura del espacio tiende al infinito. Hasta ahora, la opinión más extendida es que existe una singularidad dentro del agujero negro.

Estructura y física de los agujeros negros

Cualquier agujero negro tiene dos elementos principales. El horizonte de eventos es el límite en el que se garantiza que el objeto está en el campo gravitacional y la singularidad. Este último llena el área interior. Los científicos aún no pueden determinar qué contiene exactamente. Se sabe que el tiempo y el espacio están distorsionados por dentro, las leyes de la física no funcionan.

A medida que el agujero negro gira, aparece una ergosfera alrededor del horizonte de eventos. Los objetos en esta área también se mueven en esta dirección. Sin embargo, la atracción no es lo suficientemente fuerte como para atraerlos hacia una singularidad. En consecuencia, los objetos pueden salir de la ergosfera.

Un dato interesante: cuanto más pesa un agujero negro, menor es su densidad. Esto se debe al hecho de que con el aumento de peso, su volumen crece a un ritmo más rápido.

Tipos de agujeros negros

El estudio del universo ha permitido a los científicos identificar cuatro tipos de agujeros negros que tienen ciertas características.

Agujeros negros de masa estelar

Agujero negro de masa estelar
Agujero negro de masa estelar

Este tipo de agujero negro aparece después de que el combustible se quema en una estrella. Cuando la reacción termonuclear dentro de la estrella se detiene, comienza a enfriarse y contraerse debido a la fuerte gravedad. Si el proceso se detiene en una determinada etapa, el objeto se convertirá en una estrella de neutrones. Pero si continúa, eventualmente debido al colapso gravitacional, la estrella se convertirá en un agujero negro.

Agujeros negros supermasivos

Agujero negro supermasivo
Agujero negro supermasivo

Los representantes de esta clase son gigantes de tamaño y de gran peso. No hace mucho tiempo, los científicos estadounidenses han demostrado que estos objetos tienen un peso mucho mayor de lo que se pensaba. Por ejemplo, según estimaciones preliminares, la masa de un agujero negro ubicado en el centro de la galaxia M87 era igual a tres mil millones de solares. Pero estudios más detallados han demostrado que este parámetro es mucho más alto. Para que un agujero negro haga girar estrellas en una galaxia, debe pesar 6.500 millones de masas solares.

Un dato interesante: en la mayoría de los casos, un agujero negro supermasivo se encuentra en el centro de la galaxia y actúa como núcleo.

Los agujeros negros supermasivos pueden aparecer tanto de estrellas como de nubes de gas. Al mismo tiempo, absorben una gran cantidad de material del espacio, sin dejar de aumentar de peso y dimensiones.

Agujeros negros primordiales

Una de las variantes de la imagen del agujero negro primordial
Una de las variantes de la imagen del agujero negro primordial

Una de las variantes de la imagen del agujero negro primordial Aún no se ha probado la existencia de agujeros negros primordiales en el universo. Se cree que si en las primeras etapas de la formación del espacio en los campos gravitacionales aparecieron oscilaciones y aparecieron fuertes desviaciones en su homogeneidad, esto podría contribuir a la formación de tales objetos. Si existen agujeros negros primordiales, entonces tienen una masa pequeña, que puede ser incluso menor que la del Sol.

Agujeros negros cuánticos

Imagen de una reacción cuántica en una colisión de protones
Imagen de una reacción cuántica en una colisión de protones

Los agujeros negros cuánticos deberían formarse como resultado de reacciones nucleares, en las que está involucrada una gran cantidad de energía, igual a 10 ^ 26 eV o más. Sin embargo, por el momento, la humanidad no es capaz de superar este umbral, por lo tanto, este tipo de objetos tiene solo una existencia teórica.

Se cree que se puede obtener un agujero negro cuántico como resultado de una colisión de protones. Y si se libera mucha energía durante el proceso, su resultado será la aparición de la partícula más simple: el máximo. Puede considerarse un agujero negro cuántico. El radio del objeto será de aproximadamente 10 ^ -35 m, y la masa es de 10 ^ -5 g, lo que hace que el máximo sea la partícula elemental más pesada.

¿Cuántos agujeros negros hay en nuestra galaxia?

Via Láctea
Via Láctea

Encontrar agujeros negros es un proceso bastante complejo, que requiere mucha observación del espacio y la recopilación de muchos datos. Además, muchos de estos objetos permanecen invisibles hasta que comienzan a absorber materia en el espacio cercano.

En el territorio de la Vía Láctea, se descubrieron diez agujeros negros en la región, que son monitoreados regularmente. Sin embargo, pueden existir millones de tales cuerpos celestes dentro de la galaxia, y entre ellos habrá tanto pequeños como supermasivos.

Dato interesante: hay aproximadamente 400 millones de estrellas en la Vía Láctea, que tienen suficiente masa para convertirse en un agujero negro.

En 2005, se descubrió una región no homogénea que se mueve gradualmente alrededor del centro de la galaxia. Los hallazgos indican que esta sección de la Vía Láctea puede contener hasta 20 mil agujeros negros.

Hace varios años, los astrónomos japoneses descubrieron un objeto ubicado cerca de Sagittarius A *. Su masa es de 100 mil solares y su diámetro es de 0,3 años luz. También puede ser un agujero negro.

El agujero negro más grande

Comparación del tamaño del agujero negro más grande y el sistema solar
Comparación del tamaño del agujero negro más grande y el sistema solar (centro de la imagen)

El agujero negro más grande conocido por la humanidad, llamado FSRQ blazar, se encuentra en la galaxia S5 0014 + 81 y actúa como su núcleo. El objeto está a 12 mil millones de años luz de distancia del sistema solar.

El peso del cuerpo celeste es de 40 mil millones de masas solares y el diámetro es de aproximadamente 0,026 años luz. La edad del FSRQ blazar es de aproximadamente 12 mil millones de años. Esto significa que apareció solo mil quinientos millones de años después de la aparición del universo.

Habiendo estudiado el cuerpo celeste, los científicos llegaron a la conclusión de que sus recursos serán suficientes para sobrevivir hasta la era de los agujeros negros y convertirse en uno de los últimos objetos en el espacio. Esta época significa uno de los escenarios para el desarrollo del futuro del Universo, cuando prácticamente todas las estrellas de las galaxias se apagarán, y la mayoría de ellas se convertirán en agujeros negros.

¿Por qué se estudian los agujeros negros y cuántos se han descubierto?

La primera foto de un agujero negro, tomada en 2019. Representa el agujero negro supermasivo de la galaxia M87.
La primera foto de un agujero negro, tomada en 2019. Representa el agujero negro supermasivo de la galaxia M87.

Los científicos están estudiando los agujeros negros porque muchas de las propiedades del universo están asociadas con estos objetos. Sirven como centros de galaxias y facilitan su rotación. La colisión de agujeros negros crea ondas gravitacionales. De particular interés es el espacio interior, que no obedece a las leyes de la física. El estudio de los agujeros negros proporciona una mejor comprensión de cómo funciona el cosmos.

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Por el momento, los astrónomos han descubierto y estudiado en la región de diez agujeros. También se están monitoreando una gran cantidad de objetos que tienen propiedades similares. Pero la información disponible es insuficiente para demostrar que pertenecen a la clase de agujeros negros.

¿Qué pasa si te metes en un agujero negro?

Si una persona termina en un agujero negro, obviamente no le sucederá nada bueno. Cuando cualquier objeto atraviesa el horizonte de sucesos, está influenciado por un fuerte campo gravitacional. Debido a esto, por un lado, comienza a estirarse con fuerza y, por el otro, a aplanarlo. Este proceso continuará hasta que el objeto se divida en átomos y se fusione con la singularidad.

Un dato interesante: en algunas películas científicas, libros y juegos de ordenador, los agujeros negros actúan como portales, pero en realidad no pueden utilizarse para moverse a otra dimensión u otro punto del espacio.

¿Pueden los agujeros negros colisionar entre sí?

Colisión de agujeros negros
Colisión de agujeros negros

Colisión de agujeros negros Los agujeros negros pueden colisionar, pero esto requiere que estén a poca distancia entre sí. Muy a menudo, este proceso se puede observar después de la extinción de una estrella binaria. Cuando ambas estrellas, ubicadas a poca distancia, se convierten en agujeros negros, estos últimos comienzan a converger y chocar.

Además, este fenómeno es posible con la fusión de galaxias. Durante este proceso, dos agujeros de diferentes cúmulos de estrellas pueden cerrarse y colisionar. Pero tal fenómeno rara vez ocurre, aproximadamente una vez cada varios miles de millones de años.

Cuando los agujeros negros chocan entre sí, comienza el proceso de fusión, que dura varias décadas. Durante él, los objetos se convierten en un todo único, la singularidad dentro de ellos también se mezcla. De hecho, tras la colisión de agujeros negros, se obtiene uno, pero tiene un tamaño mucho mayor.

Agujeros blancos

Imagen de agujero blanco
Imagen de agujero blanco

Un agujero blanco es exactamente lo opuesto a un agujero negro. Su característica principal es que es imposible penetrar más allá de su horizonte de eventos. Los agujeros blancos también se conocen comúnmente como “singularidades sin masa”, ya que no hay materia dentro de ellos y ellos mismos no pesan nada.

Por primera vez empezaron a hablar de estos objetos en la década de 1970, y desde entonces los astrofísicos no han dejado esperanzas de encontrar al menos uno en el espacio exterior. Por el momento, los científicos nunca han observado agujeros blancos, por lo que su existencia se debe solo a datos teóricos.

Si los negros absorben la luz y no permiten que salga del horizonte de sucesos, entonces los blancos, por el contrario, la arrojan al espacio con tal fuerza que es imposible atravesar la radiación y estar dentro. Si tal objeto existe en realidad, entonces tiene un alto brillo, muchas veces más alto que el mismo parámetro para las estrellas.

También hay varias razones que indican la imposibilidad de la existencia de agujeros blancos. Primero, durante su “vida”, este objeto debe convertirse gradualmente de una singularidad en una estrella. Resulta que emitirá una gran cantidad de energía al espacio, pero al mismo tiempo, también la acumulará. Esto es lo mismo si un objeto caliente calienta el espacio que lo rodea, pero también mantiene la temperatura en sí sin ninguna ayuda. Por el momento, dicho proceso se considera imposible. En segundo lugar, la singularidad dentro del agujero blanco debería formarse por sí sola y no aparecer como resultado de la extinción de la estrella. Su formación espontánea también se considera poco probable.

Pero en el universo también hay indicios de la existencia de agujeros blancos. Estos incluyen una explosión de rayos gamma. Este es un fenómeno durante el cual se irradia una gran cantidad de energía al espacio.

Un dato interesante: en un segundo, un estallido de rayos gamma puede liberar tanta energía en el espacio como la que emite el Sol en mil millones de años.

Cómo desaparecen los agujeros negros

Ilustración de agujero negro de evaporación lenta
Ilustración de agujero negro de evaporación lenta

Por el momento, los científicos nunca han observado el proceso de desaparición de un agujero negro, por lo que no se sabe si este objeto tiene vida. Stephen Hawking propuso una teoría en la que trató de explicar cómo puede ocurrir este fenómeno. Recibió el nombre de “evaporación del agujero negro”.

La esencia de la teoría de Hawking se basa en la aparición de partículas virtuales. Estos son objetos microscópicos emparejados que aparecen regularmente en el vacío. Y si se forman partículas virtuales en el borde del horizonte de eventos, explotarán. Uno volará hacia el centro del agujero negro y el otro volará lejos de él. En este caso, la primera partícula tendrá energía negativa. Esto significa que el agujero negro perderá una cantidad de masa igual a su peso.

Y si tal “bombardeo” continúa con regularidad, gradualmente el cuerpo celeste perderá completamente su masa y desaparecerá. Pero este proceso llevará mucho tiempo. Sin embargo, esta teoría tiene opositores, porque si un agujero negro pierde masa al absorber un objeto, la pérdida debe ser compensada por el peso de la sustancia que ha entrado.

Por qué el agujero negro no está chupando la galaxia

Los agujeros negros ubicados en el centro de la galaxia absorben gradualmente la materia circundante y aumentan su volumen. Pero aún no se ha registrado un solo caso en el que al menos un objeto de este tipo haya absorbido por completo un cúmulo estelar completo.

La absorción completa de la galaxia no ocurre debido a la ley de la gravedad y una serie de otras razones. Un agujero negro tiene atracción gravitacional, pero cuanto más lejos está un objeto de él, más débil siente su influencia sobre sí mismo. Además, todos los cuerpos celestes ubicados en la galaxia giran en círculo, lo que ralentiza el proceso de absorción. De hecho, en esta situación, el agujero negro actúa como el sol, y la galaxia son los planetas que giran a su alrededor, pero a cierta distancia.

Si la teoría de la “evaporación” es correcta, también puede explicar por qué el agujero negro no succiona todo a su alrededor. Habiendo absorbido suficiente materia y energía, debería arrojar la misma cantidad al espacio. En consecuencia, aparece un equilibrio en el que se detiene la absorción. Algunas materias cercanas al agujero negro aún pueden ser arrastradas hacia adentro, pero la mayor parte de la galaxia no se verá afectada por la gravedad.

¿Por qué un agujero negro no emite luz?

Los agujeros negros tienen tanta masa y gravedad que el espacio y el tiempo dentro de ellos se curvan. Debido a esto, ningún objeto que cruza el horizonte de eventos puede salir, incluida la luz. Por tanto, los agujeros negros carecen de radiación.

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