¿Qué es un agujero negro? ¿Qué es el horizonte de eventos?

Pregunta: ¿Qué es un agujero negro?

¿Qué es un agujero negro? ¿Cuándo se forman los agujeros negros? ¿Pueden los científicos ver un agujero negro? ¿Cuál es el "horizonte de eventos" de un agujero negro?

Responder: Un agujero negro es una entidad teórica predicha por las ecuaciones de relatividad general. Se forma un agujero negro cuando una estrella de masa suficiente sufre un colapso gravitacional, con la mayoría o la totalidad de su masa comprimido en un área de espacio suficientemente pequeña, que causa una curvatura de espacio-tiempo infinita en ese punto (un "singularidad"). Tal curvatura masiva del espacio-tiempo no permite que nada, ni siquiera la luz, escape del "horizonte de eventos" o frontera.

Los agujeros negros nunca se han observado directamente, aunque las predicciones de sus efectos han coincidido con las observaciones. Existen un puñado de teorías alternativas, como los objetos colapsantes eternamente magnetosféricos (MECO), para explicar estas observaciones, la mayoría de las cuales evitan el espacio-tiempo singularidad en el centro del agujero negro, pero la gran mayoría de los físicos creen que la explicación del agujero negro es la representación física más probable de lo que es teniendo lugar.

En la década de 1700, hubo quienes propusieron que un objeto supermasivo podría atraer la luz hacia él. La óptica newtoniana era una teoría corpuscular de la luz, que trataba la luz como partículas.

John Michell publicó un artículo en 1784 prediciendo que un objeto con un radio 500 veces mayor que el del sol (pero con la misma densidad) tendría una velocidad de escape de la velocidad de la luz en su superficie, y así ser invisible. Sin embargo, el interés por la teoría murió en la década de 1900, ya que la teoría ondulatoria de la luz tomó prominencia.

Cuando rara vez se hace referencia en la física moderna, estas entidades teóricas se denominan "estrellas oscuras" para distinguirlas de los verdaderos agujeros negros.

A los pocos meses de la publicación de Einstein de la relatividad general en 1916, el físico Karl Schwartzchild produjo una solución a la ecuación de Einstein para una masa esférica (llamada Métrica de Schwartzchild)... con resultados inesperados

El término que expresa el radio tenía una característica inquietante. Parecía que para un cierto radio, el denominador del término se convertiría en cero, lo que haría que el término "explotara" matemáticamente. Este radio, conocido como el Radio de Schwartzchild, r_s, Se define como:

r_s = 2 GM/ C²

sol es la constante gravitacional METRO es la masa, y C Es la velocidad de la luz.

Dado que el trabajo de Schwartzchild demostró ser crucial para comprender los agujeros negros, es una extraña coincidencia que el nombre Schwartzchild se traduzca como "escudo negro".

Un objeto cuya masa entera METRO se encuentra dentro r_s Se considera un agujero negro. Horizonte de eventos es el nombre dado a r_s, porque desde ese radio la velocidad de escape de la gravedad del agujero negro es la velocidad de la luz. Agujeros negros atraer masa a través de fuerzas gravitacionales, pero nada de esa masa puede escapar.

Un agujero negro a menudo se explica en términos de un objeto o masa que "cae" en él.

Los relojes Y caen en un agujero negro

• Y observa que los relojes idealizados en X se ralentizan, se congelan a tiempo cuando X golpea r_s
• Y observa la luz del desplazamiento hacia el rojo X, alcanzando el infinito en r_s (por lo tanto, X se vuelve invisible, pero de alguna manera todavía podemos ver sus relojes. No es física teórica ¿grandioso?)
• X percibe un cambio notable, en teoría, aunque una vez que se cruza r_s le es imposible escapar de la gravedad del agujero negro. (Incluso la luz no puede escapar del horizonte de eventos).

En la década de 1920, los físicos Subrahmanyan Chandrasekhar dedujeron que cualquier estrella más masiva que 1.44 masas solares (el Límite de Chadrasekhar) debe colapsar bajo la relatividad general. El físico Arthur Eddington creía que algunas propiedades evitarían el colapso. Ambos tenían razón, a su manera.

Robert Oppenheimer predijo en 1939 que una estrella supermasiva podría colapsar, formando así una "estrella congelada" en la naturaleza, en lugar de solo en matemáticas. El colapso parecería ralentizarse, de hecho se congelaría en el tiempo en el punto en que se cruza r_s. La luz de la estrella experimentaría un fuerte desplazamiento al rojo a r_s.

Desafortunadamente, muchos físicos consideraron que esto solo es una característica de la naturaleza altamente simétrica de la Métrica de Schwartzchild, creyendo que en la naturaleza tal colapso no tendría lugar debido a asimetrías

No fue hasta 1967, casi 50 años después del descubrimiento de r_s - que los físicos Stephen Hawking y Roger Penrose demostró que los agujeros negros no solo eran un resultado directo de la relatividad general, sino que también no había forma de detener ese colapso. El descubrimiento de los púlsares apoyó esta teoría y, poco después, el físico John Wheeler acuñó el término "agujero negro" para el fenómeno en una conferencia del 29 de diciembre de 1967.

El trabajo posterior ha incluido el descubrimiento de Radiación de Hawking, en el que los agujeros negros pueden emitir radiación.

Los agujeros negros son un campo que atrae a teóricos y experimentadores que quieren un desafío. Hoy existe un acuerdo casi universal de que existen los agujeros negros, aunque su naturaleza exacta aún está en duda. Algunos creen que el material que cae en los agujeros negros puede reaparecer en otro lugar del universo, como en el caso de un agujero de gusano.

Una adición significativa a la teoría de los agujeros negros es la de Radiación de Hawking, desarrollado por el físico británico Stephen Hawking en 1974