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S?bado, 02 de abril de 2005
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Los agujeros negros -- que no son tan negros-- son una predicci?n derivada de la teor?a de la relatividad general de Einstein, la teor?a moderna de la gravedad. Los agujeros negros son singularidades que para los calculos f?sicos y matem?ticos tradicionales no tienen un comportamiento predecible, ?nicamente la teor?a de la relatividad se asemeja a dicho comportamiento. Pueden haber m?s agujeros negros que
estrellas visibles en nuestro universo. Los agujeros negros pudieron ser formados por las irregularidades en la expansi?n de nuestro universo o por el colapso gravitacional de una estrella muy masiva. Debido a las propiedades de los agujeros negros, se han creado muchas teor?as y especulaciones sobre la posibilidad de viajar en el tiempo y el espacio a otro universo (una regi?n del espacio-tiempo diferente de la nuestra) a trav?s de ellos.

II. ?QU? ES UN AGUJERO NEGRO?

Un agujero negro es un cuerpo celeste con un campo gravitatorio tan fuerte que ni siquiera la radiaci?n electromagn?tica puede escapar de su proximidad. Un campo de estas caracter?sticas puede corresponder a un cuerpo de alta densidad con una masa relativamente peque?a -como la del Sol o menor- que est? condensada en un volumen mucho menor, o a un cuerpo de baja densidad con una masa muy grande, como una colecci?n de millones de estrellas en el centro de una galaxia.

Es un ?agujero? porque las cosas pueden caer, pero no salir de ?l, y es negro porque ni siquiera la luz puede escapar. Otra forma de decirlo es que un agujero negro es un objeto para el que la velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz, conocido como el ultimo l?mite de velocidad en el universo.

Todo agujero negro est? rodeado por una frontera llamada ?horizonte de eventos?, de la cual no se puede escapar. Cualquier evento que ocurra en su interior queda oculto para siempre para alguien que lo observe desde afuera. El astr?nomo Karl Schwarszchild demostr? que el radio del horizonte de eventos, en kil?metros, es tres veces la masa expresada en masas solares; esto es lo que se conoce como el radio de Schwarzschild. Este radio es un filtro unidireccional, pues cualquier cosa puede entrar, pero no salir. La masa de un cuerpo y su radio de Schwarzschild son directamente proporcionales.

Adem?s seg?n la relatividad general, la gravitaci?n modifica el espacio - tiempo en las proximidades del agujero.

Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espin y carga el?ctrica. La forma de la material en un agujero negro no se conoce, en parte porque est? oculta para el universo externo, y en parte porque, en teor?a, la material continuar?a colaps?ndose hasta tener radio cero, punto conocido como singularidad, de densidad infinita, con lo cual no se tiene experiencia en la Tierra.

En teor?a, los agujeros negros vienen en tres tama?os: mini agujeros negros, agujeros negros medianos y agujeros negros supermasivos.

En 1971, Stephen Hawkings teoriz? que en la densa turbulencia creada por el fen?menos conocido como Big Bang, se formaron presiones externas las cuales ayudaron en la formaci?n de los mini agujeros negros. ?stos ser?an tan masivos como una monta?a, pero tan peque?os como un prot?n; radiar?an energ?a espont?neamente, y despu?s de miles de millones de a?os finalizar?an con una violenta explosi?n.

Por otro lado, hay buena evidencia de que los agujeros negros medianos se forman como despojos de estrellas masivas que colapsan al final de sus vidas; y de que existen agujeros negros supermasivos en los n?cleos de muchas galaxias, incluyendo, de la nuestra, el cual se ha establecido que tiene una masa de 2.5 millones de veces la del Sol. Estos agujeros negros supermasivos tienen un horizonte de eventos mas o menos igual al tama?o del Sistema Solar.

Contradiciendo al mito popular, un agujero negro no es una depredador c?smico, ni de carro?as, ni de exquisiteces espaciales. Si el Sol se pudiera convertir en un agujero negro de la misma masa, la ?nica cosa que suceder?a ser?a un cambio de la temperatura de la Tierra. La frontera de un agujero negro no es una superficie de material real, sino una simple frontera matem?tica de la que no escapa nada, ni la luz que atraviese sus l?mites, se llama el horizonte de eventos; cualquier fen?meno que ocurra pasada esa frontera jam?s podr? verse fuera de ella. El horizonte de suceso es unidireccional: se puede entrar, pero jam?s salir

III. FORMACI?N DE UN AGUJERO NEGRO

Para entender la formaci?n de un agujero negro, es importante entender el ciclo de formaci?n de una estrella. Una estrella se forma al concentrarse una gran cantidad de gas, principalemte hidr?geno, las cuales, por gravedad empiezan a colapsarse entre si. Los ?tomos comienzan a chocar unos con otros, lo cual hace que el gas se caliente, tanto que luego de un tiempo las part?culas de hidr?geno forman part?culas de helio por fusi?n nuclear. Este calor hace que la estrella brille y que la presi?n del gas sea suficiente para equilibrar la gravedad y el gas deja de contraerse. Las estrellas permanecer?n estables de esta forma por un largo periodo de tiempo, y mientras mas combustible tenga la estrella, m?s r?pido se consume, debido a que tiene que producir mas calor.

Subrahmanyan Chandrasekhar, calcul? lo grande que podr?a llegar a ser una estrella que fuera capaz de soportar su propia gravedad, antes de que se acabe su combustible. Descubri? una masa (aproximadamente 1.5 veces la masa del Sol) en la que una estrella fr?a no podr?a soportar su gravedad. Esto es lo que se conoce como el l?mite de Chandrasekhar. Si una estrella posee una masa menor a la del limite de Chandrasekhar, puede estabilizarse y convertirse en una enana blanca, con un radio de pocos kil?metros y una densidad de toneladas por cm3. Las estrellas de neutrones tambi?n estan dentro del l?mite de Chandrasekhar, siendo para estas 3 masas solares, y se mantienen por la repulsion de electrones. Su densidad es de millones de toneladas por cm3 , aqu? se incluyen los p?lsares, los cuales son estrellas de neutrones en rotaci?n. En 1939, Robert Openheimer describi? lo que le suceder?a a una estrella si estuviera por fuera del l?mite de Chandrasekhar. El campo gravitatorio de la estrella cambia los rayos de luz en el espacio - tiempo, ya que los rayos de luz se inclinan ligeramente hacia dentro de la superficie de la estrella. Cada vez se hace m?s dif?cil que la luz escape, y la luz se muestra m?s d?bil y roja para un observador. Cuando la estrella alcanza un radio cr?tico, el campo gravitatorio crece con una intensidad que la luz ya no puede escapar. Esta regi?n es llamada hoy un agujero negro.

Si entendemos lo que significa la gravedad como 4? dimensi?n y entendemos la curvatura del universo, un agujero negro ser?a un lugar en el cual la curvatura ser?a infinita.

Dentro del horizonte de eventos, el espacio est? tan curvo que nada se puede escapar.

IV. ?C?MO PUEDE OBSERVARSE UN AGUJERO NEGRO?

Los agujeros negros tienen masa, la cual produce una fuerza gravitacional que afecta a objetos cercanos. La fuerza gravitacional debe ser muy intensa cerca de los agujeros negros, y podr?an verse los efectos en su ambiente. El material que cae dentro del agujero negro, y ser?a aplastado y calentado al tratar de colarse en la peque?a garganta del agujero negro, por lo que producir?a rayos-X. El primer ejemplo de un agujero negro fue descubierto precisamente por ese efecto gravitacional en una estrella acompa?ante, en 1971.

Cygnus X-1 es el nombre que se le dio a una fuente de rayos X en la constelaci?n Cygnus, descubierta en 1962 con un primitivo telescopio de rayos X que se envi? a bordo de un cohete. Para 1971, la localizaci?n de la fuente de rayos X en el cielo se hab?a medido con mayor precisi?n, usando observaciones de cohete y sat?lite. Un avance fundamental se dio en marzo de 1971, cuando una nueva fuente de ondas de radio se descubri? en Cygnus, cerca de la posici?n de la fuente de rayos X. La se?al de radio variaba exactamente al mismo tiempo que la intensidad de rayos X, una fuerte evidencia de que la fuente de radio y la de rayos X eran el mismo objeto. Una estrella d?bil llamada HDE 226868 aparece en la posici?n de esta fuente de radio. Los astr?nomos que estudiaban la luz de HDE 226868 hab?an encontrado dos hechos importantes: (1) HDE 226868 es una estrella supergigante azul -- una estrella normal, masiva, cerca del final de su vida; y (2) la estrella gira alrededor de otro objeto masivo en una ?rbita con per?odo de 5.6 d?as. Conociendo la fuerza necesaria para mantener a HDE 226868 en ?rbita, se puede calcular la masa de la compa?era, la cual es es de cerca de 10 masas solares. Pero no hay signos de luz visible de ella y algo en el objeto produce rayos X.

La explicaci?n o "modelo" que mejor se ajusta a estos hechos es que la compa?era es un agujero negro de cerca de 10 masas solares, el cad?ver de una estrella masiva que alguna vez fue la compa?era de HDE 226868. Los rayos X son producidos conforme el gas de la atm?sfera de la supergigante azul cae hacia el objeto colapsado y se calienta. El objeto colapsado no puede ser una enana blanca o una estrella de neutrones, porque estos objetos no pueden tener masas mayores de 1.44 y 3 masas solares, respectivamente. Nunca podremos "probar" esta teoria de Cygnus X-1 "viendo" el agujero negro, pero la evidencia circunstancial es fuerte. Otros tres objetos: LMC X-3 en la Nube Mayor de Magallanes, y A0620-00 y V404 Cygni en nuestra galaxia, tambien se cree que tienen agujeros negros como una de sus componentes.

A pesar de la dificultad al descubrir los agujeros negros, se estima con certeza que muchas estrellas a trav?s del tiempo en el universo han perdido toda su energ?a y han tenido que colapsarse. Tal vez el n?mero de agujeros negros es m?s grande que el n?mero de estrellas visibles.

El horizonte de eventos esta formado por los caminos en el espacio -tiempo de los rayos de luz que no alcanzan a escapar. Los rayos de luz que est?n en esta frontera se mover?n eternamente, sin embargo no podr?an chocar entre s? por que los dos rayos de luz ser?an absorbidos por el agujero, as? los "caminos luminosos" se mueven en forma paralela, al nunca acercarse entre s?, el horizonte permanece constante o va aumentando con el tiempo. Al caer materia dentro del agujero negro el ?rea del horizonte de eventos aumenta.

V. EVIDENCIA

Diferentes equipos de astr?nomos han anunciado haber encontrado evidencias que permiten casi, pr?cticamente, asegurar la existencia de los agujeros negros en el universo. Junto a las detecciones de rayos X y gamma, se ha sumado el monitoreo que ha efectuado el Hubble Space Telescope (HST), con los nuevos instrumentos instalados en ?l sobre 27 galaxias cercanas, en las cuales, en algunas de ellas, se han podido detectar rastros de la desaparici?n de un sinn?mero de estrellas y otras que est?n siguiendo el mismo destino, como si fueran engullidas por un poderoso motor termonuclear. Tambi?n, se ha podido comprobar en el espacio la existencia muy precisa de un disco de acreci?n de un di?metro de un quinto de a?o luz --prueba s?lida de la existencia de un agujero negro-- ubicado en la galaxia 3C390.3, situada a 1.000 millones de a?os luz de la Tierra. El sat?lite IUE de exploraci?n ultravioleta de la Agencia Europea del Espacio fue el que hizo el hallazgo y adem?s pudo medirlo. En nuestra galaxia, La V?a L?ctea, desde el a?o 1990 sabemos de evidencias de contar con un cohabitante agujero negro, ubicado a unos 300 a?os luz desde la Tierra; lo detect? el telescopio Sigma y por su magnitud se le llam? "el gran aniquilador". Recientemente se han descubierto pruebas concluyentes de la existencia de un inmenso agujero negro en el centro de la galaxia el?ptica gigante M87, que se encuentra a unos 57 millones de a?os luz de la Tierra en la constelaci?n de Virgo. Se estima que este agujero negro tiene una masa equivalente a la de 3.000 millones de soles, compactada en un espacio de unas 11 horas-luz de di?metro.

Pero mayores evidencias sobre posibles agujeros negros siguen apareciendo. Una de las m?s relevantes registrada recientemente es la encontrada en la galaxia activa NGC 6251, ubicada a 300 millones de a?os luz desde la Tierra en la constelaci?n de Virgo. Una sorprendente visi?n reportada por el Telescopio Espacial Hubble de un disco o anillo de polvo, urdido por efectos gravitatorios, que se trasluce a trav?s de la emisi?n de un chorro de luz ultravioleta que estar?a emanando desde un posible agujero negro.

Se trata de un fen?meno nuevo para los investigadores observadores del cosmos. Anteriormente, todo lo que se hab?a podido detectar como evidencia de la existencia de un agujero negro era la detecci?n de los efectos gravitatorios que ?ste genera en los objetos que van siendo atra?dos a traspasar el horizonte de eventos, formando en ello una especie de disco de circunvalaci?n constituido como una ?dona? que conforma un capullo que rodea a algo gravitatoriamente poderoso, pero que de ello solamente era factible distinguir la luz intensiva que emana desde los gases calientes que ya se encuentran atrapados por la gravedad del agujero negro, el cual se hallar?a empotrado en medio de la ?dona?.

Pero lo que encontr? el Hubble, es bastante m?s de lo que anteriormente hab?amos podido ver sobre un agujero negro. En esta ocasi?n, se ha podido observar como ese agujero ilumina el disco de circunvalaci?n que lo rodea, cuesti?n esta ?ltima, no muy extra?a para una gran mayor?a de f?sicos te?ricos. En las tomas del Hubble se puede distinguir luz ultravioleta reflej?ndose sobre un lado del disco, el cual se encontrar?a urdido como la parte superior de un sombrero.

Tal urdidura podr?a ser producto de perturbaciones gravitacionales que se estuvieran generando en el n?cleo de la galaxia que almacena el disco, o bien, al pressing que genera el eje de rotaci?n del agujero negro sobre el de la galaxia.

Si bien todav?a no se conocen las posibles medidas de este agujero negro, las evidencias de su existencia se encuentra en la poderosa emisi?n que se detecta en la eyecci?n de radiaciones que alcanza un espacio de tres millones de a?os luz y de las part?culas que se han visto emanar desde la ubicaci?n del agujero negro en el eje mismo de esta galaxia activa el?ptica. Se piensa que muchas galaxias denominadas activas son la cuna de una apreciable cantidad de agujeros negros.

Con otra captada de emisiones de luz ultravioleta por la c?mara FOC. Mientras la imagen de luz visible muestra un disco de polvo oscuro, la imagen ultravioleta (color azul) no se?ala aspectos claros a lo largo de un lado del disco. La pregunta que salta aqu? es: ?Por qu? el Hubble solamente pudo captar los reflejos ultravioletas de s?lo un lado del disco? Los cient?ficos que se encuentran llevando a cabo a estas investigaciones, preliminarmente han concluido que el disco debe urdirse como la parte superior de un sombrero. La mancha blanca al centro de la imagen corresponde a la luz que ilumina el disco que se distingue en la vecindad del agujero negro.

Otra de las evidencias sobre un posible agujero negro, encontradas ?ltimamente por el HST, es el hallazgo de un disco circunvalatorio que se encuentra sometido a un proceso de desmaterializaci?n generado por poderosas mareas gravitatorias que parecen provenir de un ?rea central ubicada en el n?cleo de la galaxia NGC 4261.

La existencia de los agujeros negros depende de la teor?a de Einstein, aunque las evidencias son muy s?lidas; si esa teor?a se mostrara incorrecta, deber?a reescribirse la cosmolog?a entera. Es reconocible que los ?ltimos actos de la investigaci?n cient?fica para conocer los misterios del cosmos, dan para pensar que las letras de los libros de f?sica cada d?a se encuentran mas cerca de las realidades que la tecnolog?a moderna nos est? permitiendo captar.


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