En el artículo Evolución estelar del 31/01/2022 vimos cómo una estrella supermasiva, en su colapso final, crea una estrella de neutrones. Pero ¿qué hay dentro de una estrella de neutrones? pues como su propio nombre indica: eso, neutrones.
Aclaremos algunos conceptos:
Sabemos que los átomos de todos los elementos químicos constan de un núcleo que contiene protones(+) y neutrones(0) y, rodeando el núcleo, electrones(-). En una estrella de neutrones, la temperatura y la presión, debidas a la acción gravitatoria, son tan intensas que los átomos se aproximan tanto unos a otros que los electrones con carga negativa y los protones con carga positiva se neutralizan formando los neutrones que ya no tienen carga. Lo que queda en el interior de la estrella es un "plasma" de neutrones, muy muy compacto y denso, de tal manera que una porción de estrella del tamaño de un dado de parchís pesaría en la Tierra millones de toneladas; y eso crea un campo gravitatorio muy muy intenso.
Cuando la estrella es mucho más masiva, lo que queda tras su colapso final es algo aún más compacto que una estrella de neutrones. Algo tan denso que crea un campo gravitatorio tan intenso (o sea, una curvatura del espacio-tiempo) que ni siquiera la luz puede salir de él y por eso se ve como un objeto negro y oscuro; es un agujero negro.
Lo que hemos visto hasta ahora hace referencia a agujeros negros estelares; es decir, los que se forman tras el colapso gravitatorio de estrellas supermasivas. Hay millones de agujeros negros estelares repartidos por nuestra galaxia, en otras galaxias y por todo el Universo. Pero existe otro tipo denominado agujeros negros supermasivos, que se encuentran en el centro de las galaxias elípticas y espirales, como nuestra Vía Láctea.
En el centro de estas galaxias, la densidad de estrellas es mucho más alta, éstas se encuentran más cerca unas de otras de manera que suelen colisionar entre ellas y fundirse en estrellas más grandes y masivas que acaban formando un gran agujero negro. Este agujero negro, por proximidad, va "engullendo" más y más estrellas y creciendo en masa. Lo que tenemos es un agujero negro supermasivo; un verdadero monstruo galáctico que devora estrellas enteras y se va comiendo la galaxia. Es como un sumidero por el que se cuelan las estrellas de la galaxia.
Ya sabemos qué hay dentro de una estrella de neutrones, pero ... ¿qué hay dentro de un agujero negro?, ¿a dónde va toda la materia que cae al agujero?. Aquí nos topamos con el mayor enigma de la cosmología actual. De momento no hay respuesta posible a estas preguntas. Dado que ni siquiera la luz puede salir de un agujero negro, no se puede obtener ninguna información de su interior. No se puede "mirar" dentro de un agujero negro. De hecho, un agujero negro en realidad es invisible. No se puede ver un objeto negro situado en un espacio negro; lo que realmente delata la presencia de un agujero negro en el espacio son sus efectos gravitatorios. Por ejemplo, se han observado grupos de estrellas que orbitan alrededor de un punto en el espacio en el que no se ve que haya nada pero que evidencia la presencia de una gran concentración de masa. También se ha observado alguna estrella masiva que orbita muy cerca de un punto que está succionando materia de la estrella por atracción gravitatoria.
El agujero negro supermasivo más grande detectado hasta ahora es el denominado S5 0014+81, con una masa estimada equivalente a 40.000 millones de soles y ubicado a unos 11.400 millones de años luz (casi en el límite del Universo observable).
Antes de que se comprobara la existencia de agujeros negros en el Universo, la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein ya predijo su existencia. Curiosamente, el propio Albert Einstein se opuso rotundamente a esta idea. Poseedor de una mente maravillosa, estaba "atrapado" en las creencias de la época. Albert Einstein publicó su Teoría de la Relatividad General en 1915, pero no fue hasta la década de 1920 que se descubrió que existían otras galaxias aparte de nuestra Vía Láctea. Cierto que Charles Messier (1730-1817) publicó su famoso catálogo de objetos del cielo profundo en 1774 que incluía un gran número de galaxias, nebulosas y cúmulos estelares; pero hasta los años 20 del siglo pasado se creía que eran objetos que se encontraban dentro de nuestra Vía Láctea.
Albert Einstein estaba convencido de que la naturaleza no podía ser capaz de crear objetos como los agujeros negros y pensaba que tenía que haber algún otro proceso desconocido que evitara su formación, contradiciendo así lo que predecía su propia teoría. Sin embargo, en 1965, el físico Roger Penrose encontró una solución de las ecuaciones de campo de Einstein que demostraban que la formación de agujeros negros no solo era posible sino inevitable.
Como hemos dicho antes, no podemos ver físicamente el interior de un agujero negro, pero la solución a las ecuaciones de campo de la relatividad proporcionan un modelo matemático que, como en muchos otros casos, concuerda con lo físicamente observado.
Según este modelo matemático, un agujero negro es un punto infinitamente pequeño con una densidad infinitamente grande que crea una deformación del espacio-tiempo tan grande que éste se cierra sobre sí mismo impidiendo la salida de materia y cualquier tipo de radiación, incluida la luz (véase el artículo ¿Qué es la Gravedad?). Este punto infinitesimal es lo que se denomina una Singularidad. O sea que parece que un agujero negro no tiene un tamaño físico real porque es sólo un punto en el espacio, pero lo que puede considerarse su tamaño es una zona del espacio que abarca, desde la singularidad, una distancia denominada Radio de Schwarzschild, o más comúnmente Horizonte de Sucesos.
La singularidad es un punto en el que el espacio y el tiempo terminan, así como todo nuestro conocimiento. Sólo sabemos que, en ese punto, las ecuaciones de campo de la relatividad fallan. De hecho, todas las leyes de la naturaleza que conocemos carecen de sentido en ese punto. Nadie puede saber, al menos en el estado actual de la física, qué hay y qué ocurre en una singularidad.
El Horizonte de Sucesos marca el límite del espacio tal que cualquier objeto que lo sobrepase caerá al interior de la singularidad sin posibilidad de salir, es el punto sin retorno posible. La masa o el tamaño de un agujero negro es, en realidad, el radio de su Horizonte de Sucesos. En el caso del agujero negro supermasivo S5 0014+81 que hemos mencionado antes, el radio de su horizonte de sucesos se calcula en unos 120.000 millones de kilómetros, es decir, unas 800 veces la distancia de la Tierra al Sol; lo que significa que, si estuviera en el lugar que ocupa el Sol, habría engullido sobradamente a todo nuestro Sistema Solar y mucho más allá.
Como ya sabemos, una conclusión importante de la Teoría de la Relatividad, y concretamente sobre la gravedad, es que cualquier masa crea una deformación o curvatura del espacio-tiempo. Y fijémonos que decimos "espacio-tiempo", no sólo "espacio". El espacio y el tiempo están íntimamente ligados. No existe el tiempo sin espacio ni el espacio sin tiempo, aunque nos cueste imaginarlo; y que la curvatura del espacio implica también la curvatura del tiempo. Esto quiere decir que, en presencia de un campo gravitatorio, el tiempo transcurre más lento o más rápido dependiendo de la intensidad de ese campo gravitatorio, o sea, de la curvatura que produce. Este hecho ya se constató en las misiones Apolo que llevaron astronautas a la Luna. Como la gravedad en la Luna es menor que en la Tierra, el tiempo allí transcurre más rápidamente; aunque esta diferencia es de sólo unas millonésimas de segundo dado que los campos gravitatorios de la Tierra y la Luna son relativamente pequeños.
Lo que nos dice la Teoría de la Relatividad es que el tiempo se ralentiza tanto más cuanto más intenso es el campo gravitatorio. En las proximidades de un agujero negro el tiempo transcurre más lentamente y dentro del Horizonte de Sucesos el tiempo se detiene por completo (sorprendente, no?). Una alusión a este efecto puede verse en la película "Interestelar", cuando unos astronautas van a un planeta cercano a un agujero negro, que ellos llaman "Gargantúa" y por cada hora que pasan en ese planeta en la Tierra han pasado siete años.
Según ésto, se nos puede ocurrir una pregunta: ¿es posible viajar en el tiempo?. Por lo que hemos dicho en el último párrafo, en cierta manera sí; pero no como podemos ver en algunas películas de ciencia ficción con poco o ningún rigor científico. Imaginemos que existe un agujero negro relativamente cerca de la Tierra y que, con nuestra maravillosa nave espacial último modelo, viajamos hasta las cercanías de ese agujero negro (pero cuidado!! sin acercarnos demasiado al horizonte de sucesos); nos quedamos allí realizando algunas órbitas para curiosear un poco y regresamos a la Tierra. Pongamos que este viaje nos ha llevado unos cuantos días, por ejemplo; pero resulta que, al volver a la Tierra, nos damos cuenta de que allí han pasado unos cuantos años. Los amigos que se quedaron en la Tierra podrían decirnos: "¿Dónde habéis estado, sinvergüenzas? Hace diez años que os fuisteis!!", y nosotros, con cara de asombro, responderíamos: "Pero ¿qué estáis diciendo? Si nos fuimos el martes pasado !!".😂😂😂
Hemos viajado al futuro, pero no podemos encontrarnos a nosotros mismos más viejecitos porque no estábamos en la Tierra, nos fuimos de viaje espacial hace unos años.
No podemos dejarnos a nosotros mismos en un lugar y viajar el futuro de ese lugar para encontrarnos porque, en ese momento, existiríamos dos veces y, que sepamos, no nos hemos duplicado materialmente en ningún momento.
O sea, que podemos viajar al futuro del punto de partida de nuestro viaje pero no a nuestro futuro particular.
El tiempo es relativo, depende de la ubicación del observador y puede dilatarse o contraerse pero siempre hacia adelante; la línea de tiempo no puede retroceder al pasado.
Aclaremos algunos conceptos:
Sabemos que los átomos de todos los elementos químicos constan de un núcleo que contiene protones(+) y neutrones(0) y, rodeando el núcleo, electrones(-). En una estrella de neutrones, la temperatura y la presión, debidas a la acción gravitatoria, son tan intensas que los átomos se aproximan tanto unos a otros que los electrones con carga negativa y los protones con carga positiva se neutralizan formando los neutrones que ya no tienen carga. Lo que queda en el interior de la estrella es un "plasma" de neutrones, muy muy compacto y denso, de tal manera que una porción de estrella del tamaño de un dado de parchís pesaría en la Tierra millones de toneladas; y eso crea un campo gravitatorio muy muy intenso.
Cuando la estrella es mucho más masiva, lo que queda tras su colapso final es algo aún más compacto que una estrella de neutrones. Algo tan denso que crea un campo gravitatorio tan intenso (o sea, una curvatura del espacio-tiempo) que ni siquiera la luz puede salir de él y por eso se ve como un objeto negro y oscuro; es un agujero negro.
Lo que hemos visto hasta ahora hace referencia a agujeros negros estelares; es decir, los que se forman tras el colapso gravitatorio de estrellas supermasivas. Hay millones de agujeros negros estelares repartidos por nuestra galaxia, en otras galaxias y por todo el Universo. Pero existe otro tipo denominado agujeros negros supermasivos, que se encuentran en el centro de las galaxias elípticas y espirales, como nuestra Vía Láctea.
En el centro de estas galaxias, la densidad de estrellas es mucho más alta, éstas se encuentran más cerca unas de otras de manera que suelen colisionar entre ellas y fundirse en estrellas más grandes y masivas que acaban formando un gran agujero negro. Este agujero negro, por proximidad, va "engullendo" más y más estrellas y creciendo en masa. Lo que tenemos es un agujero negro supermasivo; un verdadero monstruo galáctico que devora estrellas enteras y se va comiendo la galaxia. Es como un sumidero por el que se cuelan las estrellas de la galaxia.
Ya sabemos qué hay dentro de una estrella de neutrones, pero ... ¿qué hay dentro de un agujero negro?, ¿a dónde va toda la materia que cae al agujero?. Aquí nos topamos con el mayor enigma de la cosmología actual. De momento no hay respuesta posible a estas preguntas. Dado que ni siquiera la luz puede salir de un agujero negro, no se puede obtener ninguna información de su interior. No se puede "mirar" dentro de un agujero negro. De hecho, un agujero negro en realidad es invisible. No se puede ver un objeto negro situado en un espacio negro; lo que realmente delata la presencia de un agujero negro en el espacio son sus efectos gravitatorios. Por ejemplo, se han observado grupos de estrellas que orbitan alrededor de un punto en el espacio en el que no se ve que haya nada pero que evidencia la presencia de una gran concentración de masa. También se ha observado alguna estrella masiva que orbita muy cerca de un punto que está succionando materia de la estrella por atracción gravitatoria.
El agujero negro supermasivo más grande detectado hasta ahora es el denominado S5 0014+81, con una masa estimada equivalente a 40.000 millones de soles y ubicado a unos 11.400 millones de años luz (casi en el límite del Universo observable).
Antes de que se comprobara la existencia de agujeros negros en el Universo, la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein ya predijo su existencia. Curiosamente, el propio Albert Einstein se opuso rotundamente a esta idea. Poseedor de una mente maravillosa, estaba "atrapado" en las creencias de la época. Albert Einstein publicó su Teoría de la Relatividad General en 1915, pero no fue hasta la década de 1920 que se descubrió que existían otras galaxias aparte de nuestra Vía Láctea. Cierto que Charles Messier (1730-1817) publicó su famoso catálogo de objetos del cielo profundo en 1774 que incluía un gran número de galaxias, nebulosas y cúmulos estelares; pero hasta los años 20 del siglo pasado se creía que eran objetos que se encontraban dentro de nuestra Vía Láctea.
Albert Einstein estaba convencido de que la naturaleza no podía ser capaz de crear objetos como los agujeros negros y pensaba que tenía que haber algún otro proceso desconocido que evitara su formación, contradiciendo así lo que predecía su propia teoría. Sin embargo, en 1965, el físico Roger Penrose encontró una solución de las ecuaciones de campo de Einstein que demostraban que la formación de agujeros negros no solo era posible sino inevitable.
Como hemos dicho antes, no podemos ver físicamente el interior de un agujero negro, pero la solución a las ecuaciones de campo de la relatividad proporcionan un modelo matemático que, como en muchos otros casos, concuerda con lo físicamente observado.
Según este modelo matemático, un agujero negro es un punto infinitamente pequeño con una densidad infinitamente grande que crea una deformación del espacio-tiempo tan grande que éste se cierra sobre sí mismo impidiendo la salida de materia y cualquier tipo de radiación, incluida la luz (véase el artículo ¿Qué es la Gravedad?). Este punto infinitesimal es lo que se denomina una Singularidad. O sea que parece que un agujero negro no tiene un tamaño físico real porque es sólo un punto en el espacio, pero lo que puede considerarse su tamaño es una zona del espacio que abarca, desde la singularidad, una distancia denominada Radio de Schwarzschild, o más comúnmente Horizonte de Sucesos.
La singularidad es un punto en el que el espacio y el tiempo terminan, así como todo nuestro conocimiento. Sólo sabemos que, en ese punto, las ecuaciones de campo de la relatividad fallan. De hecho, todas las leyes de la naturaleza que conocemos carecen de sentido en ese punto. Nadie puede saber, al menos en el estado actual de la física, qué hay y qué ocurre en una singularidad.
El Horizonte de Sucesos marca el límite del espacio tal que cualquier objeto que lo sobrepase caerá al interior de la singularidad sin posibilidad de salir, es el punto sin retorno posible. La masa o el tamaño de un agujero negro es, en realidad, el radio de su Horizonte de Sucesos. En el caso del agujero negro supermasivo S5 0014+81 que hemos mencionado antes, el radio de su horizonte de sucesos se calcula en unos 120.000 millones de kilómetros, es decir, unas 800 veces la distancia de la Tierra al Sol; lo que significa que, si estuviera en el lugar que ocupa el Sol, habría engullido sobradamente a todo nuestro Sistema Solar y mucho más allá.
Como ya sabemos, una conclusión importante de la Teoría de la Relatividad, y concretamente sobre la gravedad, es que cualquier masa crea una deformación o curvatura del espacio-tiempo. Y fijémonos que decimos "espacio-tiempo", no sólo "espacio". El espacio y el tiempo están íntimamente ligados. No existe el tiempo sin espacio ni el espacio sin tiempo, aunque nos cueste imaginarlo; y que la curvatura del espacio implica también la curvatura del tiempo. Esto quiere decir que, en presencia de un campo gravitatorio, el tiempo transcurre más lento o más rápido dependiendo de la intensidad de ese campo gravitatorio, o sea, de la curvatura que produce. Este hecho ya se constató en las misiones Apolo que llevaron astronautas a la Luna. Como la gravedad en la Luna es menor que en la Tierra, el tiempo allí transcurre más rápidamente; aunque esta diferencia es de sólo unas millonésimas de segundo dado que los campos gravitatorios de la Tierra y la Luna son relativamente pequeños.
Lo que nos dice la Teoría de la Relatividad es que el tiempo se ralentiza tanto más cuanto más intenso es el campo gravitatorio. En las proximidades de un agujero negro el tiempo transcurre más lentamente y dentro del Horizonte de Sucesos el tiempo se detiene por completo (sorprendente, no?). Una alusión a este efecto puede verse en la película "Interestelar", cuando unos astronautas van a un planeta cercano a un agujero negro, que ellos llaman "Gargantúa" y por cada hora que pasan en ese planeta en la Tierra han pasado siete años.
Según ésto, se nos puede ocurrir una pregunta: ¿es posible viajar en el tiempo?. Por lo que hemos dicho en el último párrafo, en cierta manera sí; pero no como podemos ver en algunas películas de ciencia ficción con poco o ningún rigor científico. Imaginemos que existe un agujero negro relativamente cerca de la Tierra y que, con nuestra maravillosa nave espacial último modelo, viajamos hasta las cercanías de ese agujero negro (pero cuidado!! sin acercarnos demasiado al horizonte de sucesos); nos quedamos allí realizando algunas órbitas para curiosear un poco y regresamos a la Tierra. Pongamos que este viaje nos ha llevado unos cuantos días, por ejemplo; pero resulta que, al volver a la Tierra, nos damos cuenta de que allí han pasado unos cuantos años. Los amigos que se quedaron en la Tierra podrían decirnos: "¿Dónde habéis estado, sinvergüenzas? Hace diez años que os fuisteis!!", y nosotros, con cara de asombro, responderíamos: "Pero ¿qué estáis diciendo? Si nos fuimos el martes pasado !!".😂😂😂
Hemos viajado al futuro, pero no podemos encontrarnos a nosotros mismos más viejecitos porque no estábamos en la Tierra, nos fuimos de viaje espacial hace unos años.
No podemos dejarnos a nosotros mismos en un lugar y viajar el futuro de ese lugar para encontrarnos porque, en ese momento, existiríamos dos veces y, que sepamos, no nos hemos duplicado materialmente en ningún momento.
O sea, que podemos viajar al futuro del punto de partida de nuestro viaje pero no a nuestro futuro particular.
El tiempo es relativo, depende de la ubicación del observador y puede dilatarse o contraerse pero siempre hacia adelante; la línea de tiempo no puede retroceder al pasado.
Buen articulo, sobre todo la última parte aclara sobre el horizonte de sucesos y la singularidad... a ver si cuando se sepa que pasa dentro del sumidero se pueda saber que hay... la ciencia ficción de la cola de gusano me parece falta de rigor cientifico.
ResponderEliminarMe he quedado alucinada!! Que cosa más curiosa! La evolución estelar me pareció muy didáctico y se entiende muy bien pero lo de los agujeros negros es el colmo. La cabeza me da vueltas solo de pensar que el espacio y el tiempo se pueden deformar, si lo digo bien. Einstein dio un paso de gigante en el conocimiento del universo, no se si alguien podrá superarlo.
ResponderEliminarPara mi el mejor artículo!. Lo he entendido todo, aunque confieso que voy a leerlo varias veces para aprendérmelo y así poder contarlo en un momento dado y quedar genial 😉. Pero el tema del tiempo, espacio-tiempo, me cuesta y me intriga a la vez. El otro día vi un documental de agujeros negros. Hablaban sobre la posibilidad de reconstruir el pasado y el futuro porque toda la información está en el universo, sólo hay que recopilarla. No obstante si parte de esa información cae en un agujero negro ya nunca podremos acceder a ella y no podríamos conocer el pasado o a lo que afectase esa información. Ponían el ejemplo de la información contenida en un periódico. Aunque lo quemásemos siempre podríamos saber qué ponía porque hasta la última ceniza está en el universo y “sólo” habría que buscarla y recomponerla. Pero si alguna ceniza cayera en un agujero negro ya nunca podríamos recuperar ese periódico. Bueno algo así. A esto le llamaban “paradoja de la información”. Me pareció muy interesante. A lo mejor nos puedes contar algo sobre eso.
ResponderEliminarMe alegro que te guste el artículo; a mí también me parece un tema apasionante. El ejemplo del periódico lo encuentro un poco raro. Dónde reside la información que contenía un periódico después de haberlo quemado? Yo creo que se refiere a que todos los átomos y moléculas que constituían el papel y la tinta siguen existiendo en el Universo; combinados u organizados de otra manera, pero siguen siendo los mismos átomos. Si consiguiéramos volver a organizarlos como estaban antes podríamos tener de nuevo el periódico intacto, pero no se me ocurre dónde puede estar la información necesaria para eso. Claro que si estos átomos caen a un agujero negro, entonces ya no hay posibilidad de reconstruir el periódico porque los átomos que lo componían han "desaparecido" del Universo y no podemos saber qué ha sido de ellos.
EliminarCuriosa paradoja.