Clases De Agujeros Negros Y Su Relación Con Los Agujeros Blancos

Los Agujeros Negros se definen como unas regiones que son finitas en el espacio. En el interior de ellos, existe una concentración de masa lo suficientemente elevada como para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material puede escapar de ella. Ni siquiera la luz puede escapar del campo gravitatorio. Sin embargo, los mismos pueden ser capaces de emitir radiación, lo cual fue conjeturado por Stephen Hawking en la década de los 70’s.

La radiación que emiten los Agujeros Negros, como es el caso de Cygnus X-1, no procede del mismo agujero negro, sino que más bien su procedencia es de su disco de acreción. Con respecto a la gravedad, a esta también se le llama Curvatura del Espacio-Tiempo. En este caso la gravedad provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es previsto por las ecuaciones del campo de Einstein.

Lo que realiza el horizonte de sucesos en este fenómeno, es separar la región del agujero negro del resto del Universo. Este horizonte también es la superficie límite del espacio, a partir de la cual ninguna partícula puede salir, lo que incluye también a los fotones. Los fotones son las partículas elementales que son responsables de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético.

Clases De Agujeros Negros Y Su Relación Con Los Agujeros Blancos 1

Las partículas de los fotones son portadoras de todas las formas de radiación electromagnética, lo que incluye a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio. Un fotón tiene una masa invariante cero​ y viaja en el vacío con una velocidad constante

Estudios sobre Agujeros Negros

El efecto de Curvatura del Espacio-Tiempo es estudiada por la Teoría de la relatividad general, que fue la que predijo la existencia de los agujeros negros y de ahí surgió su primer indicio. En el año de 1970, Hawking, Ellis y Penrose fueron los estudiosos que demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros. Sin embargo anteriormente, específicamente en 1963, Roy Kerr había realizado otros estudios.

Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, todos los agujeros negros debían tener una geometría cuasiesférica determinada por tres parámetros: su masa, su carga eléctrica total  y su momento angular. Hoy en día se conjetura que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos. Este tipo de agujeros se explicará más adelante.

A principios del pasado año 2016, surgieron colaboraciones de parte de LIGO, Interferómetro Virgo y GEO600.  Tales apoyos investigativos son aportes a la ciencia con respecto a los Agujeros Negros. Los estudiosos anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales que son producidas por la fusión de dos agujeros negros a unos 410 millones de pársecs, megapársecs o Mpc. Esto quiere decir,  que están a una distancia de 1337 millones de años luz.

Conforme a las observaciones, se demostró la existencia de un sistema binario de Agujeros Negros de masa estelar. De hecho, se trata de la primera observación de una fusión de un agujero negro binario. Anteriormente, la existencia de agujeros negros estaba apoyada en observaciones astronómicas de forma indirecta, a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas.

Gravedad del agujero negro

Sería muy interesante poder investigar de cerca lo que hay en un agujero negro. Se dice que es una puerta de entrada a otra dimensión, espacio o tiempo. Sin embargo, la gravedad de un agujero negro puede atraer al gas que se encuentra a su alrededor, que se arremolina y calienta a temperaturas bastante altas que no podrían soportarse, ya que alcanzan hasta 12 millones de grados Celsius, esto es, 2000 veces mayor temperatura que la superficie del Sol.​

Descubrimientos iniciales y su formación

Un artículo enviado en 1783 a la Royal Society por un geólogo inglés llamado John Michell, fue lo que describió el concepto de un cuerpo tan denso que ni siquiera la luz puede escapar de él. Hasta ese momento la teoría de Newton de la gravitación y el concepto de velocidad de escape eran muy conocidas. Sin embargo fue Michell quien calculó que un cuerpo con un radio 500 veces al del Sol y la misma densidad, tendría, en su superficie, una velocidad de escape igual a la de la luz y sería invisible.

Una década más adelante, el matemático francés Pierre-Simon Laplace explicó en las dos primeras ediciones de su libro Exposition du Systeme du Monde la misma idea.  Aunque, al ganar terreno la idea de que la luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores. Siglo y medio más adelante, específicamente en el año 1915, el científico Albert Einstein aportó a la ciencia el desarrollo de la Teoría de la relatividad general.

Además de esto, Einstein demostró que la luz era influida por la interacción gravitatoria. Unos meses después, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. En la actualidad se sabe que el radio de Schwarzschild, es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel entonces. Incluso el mismo Schwarzschild pensó que no era más que una solución matemática, no física.

Para el año de 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar fue quien demostró que un cuerpo con una masa crítica y que no emitiese radiación, colapsaría por su propia gravedad porque no había nada que se conociera que pudiera frenarla. Para esa masa la fuerza de atracción gravitatoria sería mayor que la proporcionada por el principio de exclusión de Pauli. Hoy en día la masa crítica también es conocida como límite de Chandrasekhar.

Estrella masiva

Robert Oppenheimer predijo en el año 1939, que una estrella masiva podría sufrir un colapso gravitatorio. Por lo que podría significar que los agujeros negros podrían ser formados en la naturaleza. Esta teoría no fue objeto de mucha atención hasta los años 60’s porque, después de la Segunda Guerra Mundial, se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica. En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein.

Ambos científicos, explicaron también que en determinados casos no se podía impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso. La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsares. Poco después, en 1969, fue cuando John Wheeler​ acuñó el término “agujero negro” durante una reunión de cosmólogos en Nueva York, para designar lo que anteriormente se llamó “estrella en colapso gravitatorio completo“.

Proceso de formación de Agujeros Negros

Ciertamente, estos fenómenos son un misterio en cuanto a su comportamiento y lo que hay dentro de él. Sin embargo, los científicos han indagado con respecto a su formación y han determinado que los agujeros negros proceden de un proceso de colapso gravitatorio. Este proceso fue ampliamente estudiado a mediados del siglo XX por diversos científicos. En tre ellos, se pueden mencionar particularmente a Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking, entre otros.

En el libro divulgativo de Hawking, donde específicamente explica la Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros (1988), repasa algunos de los hechos bien establecidos sobre la formación de agujeros negros. Al parecer, este proceso comienza después de la “muerte” de una gigante roja. La gigante roja, es una estrella que tiene 30 o más veces la masa del Sol. Con respecto a esta reacción de la estrella, se entiende por “muerte” la extinción total de su energía.

Clases De Agujeros Negros Y Su Relación Con Los Agujeros Blancos 2

Luego de varios miles de millones de años de vida, la fuerza gravitatoria de dicha estrella comienza a ejercer fuerza sobre sí misma originando una masa concentrada en un pequeño volumen, lo que la convierte en una enana blanca. En este punto, dicho proceso puede proseguir hasta el colapso de dicho astro. Esto ocurre por la autoatracción gravitatoria que termina por convertir a esta enana blanca en un agujero negro. Es aquí que el proceso acaba por reunir una fuerza de atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz en este.

Protones y electrones

La ubicación de los protones y los neutrones se encuentra en el centro del átomo y forman el núcleo. Un protón y un electrón se aniquilan emitiendo un neutrón y un neutrino-electrón. En palabras más simples, un agujero negro es el resultado final de la acción de la gravedad extrema llevada hasta el límite posible.

De hecho, la misma gravedad que mantiene a la estrella estable, es la que la empieza a comprimir hasta el punto que los átomos comienzan a aplastarse. Los electrones en órbita se acercan cada vez más al núcleo atómico y acaban fusionándose con los protones. De esta manera se forman más neutrones mediante el proceso de formación. Este proceso comportaría la emisión de un número elevado de neutrinos.

El resultado final de esta fusión, es una estrella de neutrones. En este punto, dependiendo de la masa de la estrella, el plasma de neutrones dispara una reacción en cadena irreversible, la gravedad aumenta enormemente al disminuirse la distancia que había originalmente entre los átomos. Las partículas de neutrones implosionan,  lo que produce que se aplasten más. Esto logra como resultado un agujero negro.

Finalmente es creado este fenómeno que resulta ser una región del espacio-tiempo. Está limitada por el llamado horizonte de sucesos. Los detalles de qué sucede con la materia que cae más allá de este horizonte dentro de un agujero negro, no se conocen porque para escalas pequeñas sólo una teoría cuántica de la gravedad podría explicarlos adecuadamente. Sin embargo, no existe una formulación completamente consistente con dicha teoría.

Clasificación de los Agujeros Negros

Tales fenómenos han generado muchos misterios. Sin embargo se han grado distintas teorías conforme a su origen. Teóricamente pueden existir distintas clases de agujeros negros, conforme a cómo fueron creados. Aquí se explican las dos clasificaciones que identifican los distintos tipos de agujeros negros que existen en el Universo. O, al menos, los que hasta ahora han sido descubiertos por el hombre.

Clasificación según la masa

Cuando hablamos de la masa, nos referimos a la cantidad mesurable de materia que forma un cuerpo, cuyo valor depende de la resistencia que dicho cuerpo opone a modificar su estado de reposo o de movimiento y de la fuerza de atracción que se produce entre ese y otros cuerpos. Es decir, que se trata del tamaño total de ese cuerpo que físicamente se está estudiando. En este aspecto, hay una subclasificación de tres tipos de agujeros, con respecto a esta categoría.

Agujeros negros supermasivos

Tienen masas de varios millones de masas solares, por esta razón se les llama Supermasivos. Se encuentran, sobre todo, en el corazón de muchas galaxias del Universo. Se forman en el mismo proceso que da origen a los componentes esféricos de las galaxias. Existen distintos estudios científicos que sugieren fuertemente que la Vía Láctea tiene un agujero negro supermasivo en el centro galáctico, llamado Sagitario A.

Una de las teorías más extendidas en los últimos tiempos sobre los supermasivos, es la de suponer que todas las galaxias elípticas y espirales poseen en su centro un agujero negro supermasivo. Este fenómeno es el que generaría la gravedad suficiente para mantener la unidad.

Clases De Agujeros Negros Y Su Relación Con Los Agujeros Blancos 3

El tamaño supermasivo, puede formarse solo de dos maneras: por una lenta absorción o acrecimiento de materia, que surge a partir de un tamaño estelar; pero también puede formarse directamente, por presión externa en lo que se supone que fueron los primeros instantes del Big Bang. El primer método requiere un largo período y grandes cantidades de materia disponibles para el crecimiento del agujero negro supermasivo.

Las mediciones Doppler de la materia que rodea el núcleo de galaxias vecinas a la Vía Láctea, revelan un movimiento giratorio muy rápido. Este movimiento sólo puede ser posible por una gran concentración de materia en el centro. Actualmente, el único objeto conocido que puede contener suficiente materia en tan reducido espacio es un agujero negro. En galaxias activas más alejadas, se piensa que el ancho de las líneas espectrales está relacionado con la masa del agujero negro que genera la actividad de la galaxia.

Agujeros negros de masa estelar

Estos son aquellos que se forman cuando una estrella de más de 30 a 70 masas solares se convierte en supernova e implosiona. Realmente este proceso se observa como una explosión de supernova o una explosión de rayos gamma. Finalmente, llegan a tener una masa de más de 3 masas solares. Su núcleo se concentra en un volumen muy pequeño que cada vez se va reduciendo más. Históricamente, este tipo de agujero es fundamental, ya que es el tipo de agujeros negros postulados por primera vez dentro de la teoría de la relatividad general.

Las distintas teorías indican que mientras menos masa posea, mayor debe ser la densidad de la materia para formar un agujero negro, sobre el radio de un agujero negro. Sin embargo, no existen procesos conocidos que puedan producir agujeros negros con una masa menor que unas pocas veces la masa del Sol. Si éstos existen, son principalmente agujeros negros primordiales.

Por otra parte, el colapso de una estrella es un proceso natural que produce un agujero negro y así se producen todos los de masa estelar. Es inevitable que al final de la vida de una estrella, cuando todas las fuentes de energía estelar se agotan, si la masa de la estrella que está colapsando está bajo cierto valor crítico, el producto final va a ser una estrella compacta, ya sea una enana blanca, una estrella de neutrones o una estrella de quarks.

Cuando esto ocurre, es porque estas estrellas tienen una masa máxima. Así que si la estrella que está colapsando tiene una masa que excede este límite, el colapso va a continuar por siempre. A esto se le llama colapso gravitacional catastrófico, que finalmente formará un agujero negro. Todavía se desconoce la masa máxima de una estrella de neutrones, sin embargo se cree que sería alrededor de 3 masas solares.

Microagujeros negros

No han sido comprobados todavía, algunos han sido un intento de laboratorio. Estos microagujeros, se tratan de objetos hipotéticos, algo más pequeños que los estelares. Si son suficientemente pequeños, pueden llegar a evaporarse en un período relativamente corto mediante emisión de radiación de Hawking. Este tipo de entidades físicas es postulado en algunos enfoques de la gravedad cuántica, pero no pueden ser generados por un proceso convencional de colapso gravitatorio, el cual requiere masas superiores a la del Sol.

Las teorías estándar estiman que la energía necesaria para producir microagujeros negros es mayor en varios órdenes de magnitud de la que puede ser producida en la Tierra. Esto en un acelerador de partículas como el Large Hadron Collider. Por otra parte, también puede ser detectada en colisiones de radiación cósmica en nuestra atmósfera.

Además de esto, también se estima que para colisionar dos agregados de fermiones, dentro de una distancia de una longitud de Planck con la actual fuerza alcanzable del campo magnético, requiriría de un acelerador de partículas de alrededor de 1000 años luz de diámetro para mantener a los agregados en la pista. Aunque si esto fuera posible, cualquier producto de la colisión sería inmensamente inestable y se desintegraría casi instantáneamente.

Clasificación según sus propiedades físicas

Conforme a las propiedades físicas de estos agujeros, existe un teorema sobre propiedades que se suele enunciar diciendo que «un agujero negro no tiene pelo» (en inglés No-hair theorem). Este teorema afirma que cualquier objeto que sufra un colapso gravitatorio, alcanza un estado estacionario como agujero negro descrito sólo por tres parámetros. Tales parámetros, son: su masa, su carga y su momento angular.

De esta forma, se extrae la siguiente clasificación para el estado final de un agujero negro:

Agujero Negro de Schwarzschild

El agujero negro de Schwarzschild es el más sencillo posible, ya que no rota y tampoco tiene carga. Por esta razón viene definido por el único parámetro de la masa. Este tipo de agujero, se trata de una región del espacio-tiempo que queda delimitada por una superficie imaginaria llamada horizonte de sucesos. Dicho espacio forma una esfera perfecta en cuyo centro se halla la singularidad, su radio recibe el nombre de radio de Schwarzschild.

Con respecto a este agujero, se han realizado distintas indagaciones. Por ejemplo, la teoría de la relatividad predice que, dentro de un agujero negro de Schwarzschild, aparecerá una hipersuperficie límite teórica. Tal límite provoca que al acercarnos a ella el tensor de curvatura crece y crece sin límite.

Este tipo de objeto geométrico lleva el nombre de singularidad espacio-temporal. Además puede entenderse como un límite, a partir del cual el espacio-tiempo no puede ser modelizado dentro de la teoría. Aunque se supone que cerca de la singularidad, los efectos cuánticos son importantes.

Agujero negro de Reissner-Nordström

Los agujeros que no giran, pero que poseen carga eléctrica, llevan por nombre el de agujero negro de Reissner-Nordström. Se trata de un agujero negro estático, que tiene una simetría esférica y con carga eléctrica. A diferencia del anterior, que solo tenía un parámetro; el Reissner-Nordström, viene definido por dos parámetros: estos son la masa y la carga eléctrica.

La solución de este tipo de agujero negro, fue obtenida en 1918 por el matemático Hans Reissner y el físico teórico Gunnar Nordström a las ecuaciones de campo de relatividad en torno a un objeto masivo eléctricamente cargado y carente de momento angular. Por ellos es que se deriva el nombre de este agujero negro. Sin embargo, cabe destacar que se estima que los agujeros de Reissner-Nordström, son un tipo de agujero negro de Kerr-Newman.

Agujero negro de Kerr

El agujero negro de Kerr es la clase de agujero que permanece en rotación y que además no tiene carga. Este tipo de agujero también es llamado agujero negro en rotación, por su comportamiento en el espacio. Se puede decir que es una región no isótropa que queda delimitada por un horizonte de sucesos y una ergoesfera que presenta notables diferencias, con respecto al agujero negro de Schwarzschild.

Clases De Agujeros Negros Y Su Relación Con Los Agujeros Blancos 4

La nueva frontera antes mencionada, describe una región donde la luz aún puede escapar pero cuyo giro induce altas energías en los fotones que la cruzan. Esto se debe a la conservación del momento angular, este espacio forma un elipsoide. En el interior de él se encuentra un solo horizonte de sucesos con su respectiva singularidad. Debido a la rotación tiene forma de anillo.

La región de espacio-tiempo de Kerr corresponde al campo gravitatorio producido por una cuerpo másico de masa y el momento angular. Esta solución nace del éxito del matemático Roy Patrick Kerr, al resolver las ecuaciones de la relatividad en torno a un objeto masivo en rotación.

Agujero negro de Kerr-Newman

Los Agujeros Negros que rotan pero que también poseen carga, usualmente son llamados agujeros negros de Kerr-Newman. Por su comportamiento, también son llamados agujeros negros en rotación con carga eléctrica. Tiene un comportamiento contrario al del agujero negro de Reissner-Nordström, sin embargo se afirma que este último es un tipo de agujero de Kerr-Newman.

A los Kerr-Newman se les caracteriza por tener tres parámetros: la masa, el momento angular y la carga eléctrica. Dicha solución fue obtenida en el año 1960 por los matemáticos Roy Kerr y Erza Newman a las ecuaciones de campo de la relatividad para objetos masivos eléctricamente cargados o con conservación de momento angular.

El agujero detectado por Kerr y Newman, se trata de una región no isótropa que además tiene una delimitación singular. Es decir, queda delimitada por tres zonas: un horizonte de Cauchy, un horizonte de sucesos externo y una ergoesfera. Debido a la conservación del momento angular, la forma que toma el conjunto es la de un elipsoide, que en cuyo interior contiene una singularidad en forma de anillo o toro comprimido a volumen prácticamente cero.

Nuevas evidencias de la transición al blanco de los agujeros negros

El presente año, 2017, ha traído consigo novedades científicas a nivel astronómico en lo que ha transcurrido del mes de julio. En este caso, la información se refiere específicamente a la posible transición de los Agujeros Negros para luego pasar a ser agujeros blancos. Según las indagaciones, se estima que los objetos astrofísicos identificados como agujeros negros podrían ser, en realidad, estrellas de gran densidad.

La formación de ellos sería el resultado final de múltiples transformaciones disipativas de agujeros negros en su inverso temporal, que son los agujeros blancos y que en un corto plazo de tiempo se descoloran y dejan escapar la luz en lugar de impedir su salida. Así se conoció tal posible acontecimiento, gracias a la investigación en la que participa la Universidad Complutense de Madrid.

El agujero negro, tras su formación por el colapso de una nube material, se transforma en un corto plazo de tiempo en su inverso temporal, es decir, en uno blanco que, en lugar de impedir que las partículas de su interior escapen, las expulsa. A continuación, el material colapsado se asienta en una configuración sin horizontes. Y, en realidad, esta última es la principal conclusión del estudio.

El estudio fue publicado en Classical and Quantum Gravity, donde se revela que los Agujeros Negros identificados como tales, no se comportan de la manera que la relatividad general explica y, por tanto, serían radicalmente distintos en esencia.

Teoría distinta a la de la relatividad general

El investigador del departamento de Física Teórica II de la UCM, quien también es uno de los autores, Luis Garay, explica que el hecho de verificar que el comportamiento es distinto a la Teoría, “no es una mera especulación teórica, ya que esta transición estaría acompañada de una ‘explosión’ originada por la expulsión del material que formó en su primer lugar el agujero negro. Es probable que este fenómeno pueda detectarse en futuras observaciones de ondas gravitatorias”

El trabajo que están realizando en la Universidad Complutense de Madrid tiene como principal objetivo entender el efecto de las modificaciones de la relatividad general sobre los agujeros negros. Garay indica que “una de las implicaciones del estudio es que la luz, y también las recientemente detectadas ondas gravitatorias, podrían de hecho escapar en determinadas circunstancias y ser detectadas en observatorios”. Esto significa que, expulsan en lugar de atrapar.

La física microscópica junto a la experimental

Los estudios realizados por Garay y el resto de investigadores se han centrado en calcular el intervalo de tiempo en el que un agujero negro necesita para transformarse en uno blanco. El cálculo de esta cantidad se ha realizado mediante una generalización del formalismo que se usa en mecánica cuántica para describir el denominado efecto túnel.

A diferencia de la mecánica clásica, las partículas en mecánica cuántica pueden seguir múltiples trayectorias virtuales para desplazarse de una posición inicial a otra final. En el caso de los investigadores, existen muchas maneras en las que un agujero negro puede convertirse virtualmente en un agujero blanco, y sumando sobre todas estas posibilidades puede obtenerse una medida del intervalo de tiempo en el que esto ocurrirá.

Se trata de una propuesta que permite interrelacionar la teoría cuántica y la gravitatoria, conectando así la física microscópica del espacio-tiempo con la experimental. El objetivo general de la investigación, es desarrollar esta línea de investigación hasta que podamos mejorar el conocimiento sobre la naturaleza teórica de los Agujeros Negros y la gravedad cuántica.

4.6
12