martes, 31 de mayo de 2011

Agujeros Negros

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Cuando en la primera década del siglo XX (1905 para ser más exactos) Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad muy pocos pudieron visualizar el gran impacto que ésta teoría podría tener en la física y en el entendimiento de los fenómenos estelares. Con la observación de un eclipse solar en 1919 se corroboró que su teoría tenía grandes bases para poder entender mejor al universo. Si bien Einstein no recibió por éste trabajo el premio Nóbel de física al menos brindó a los astrónomos la posibilidad de poder entender los descubrimientos que se realizarían en las décadas posteriores. Uno de éstos descubrimientos fue la existencia de los agujeros negros.
Los agujeros negros, vistos desde la perspectiva que nos brinda la teoría de la relatividad y de las teorías que de ella se derivaron nos muestran una inquietante visión de un universo que día a día nos sorprende más, con estrellas evolucionando, planetas que podrían albergar vida y un misterioso comportamiento en el interior de los agujeros negros en donde las cosas no pueden ser explicadas con los conocimientos que poseemos, pues allí dentro, ni la física ni las matemáticas que conocemos (o que estamos conociendo) se cumplen.
El sólo hecho de saber que las cosas tal como las conocemos no funcionan siguiendo nuestra lógica convierte de por sí a los agujeros negros en un fenómeno más que interesante. ¿Te puedes imaginar poder tener un movimiento cuya distancia no puede ser medida? ¿O tal vez imaginar un disco compacto con cinco caras y que pueda ser a la vez bidimensional?. Cosas tan extrañas como las que han sido mencionadas son las que provocan el interés en los agujeros negros.
¿Qué pasará con los agujeros negros en el universo?, ¿cómo se comportan y qué tamaño tienen?, ¿un agujero negro acabará con la existencia del universo tal como lo conocemos? éstas preguntas frecuentes e inquietantes intentarán ser resueltas en los vínculos siguientes y tratarán de mostrarte de manera simple lo que hasta ahora conocemos acerca de los agujeros negros.

El bautizo
La denominación "Agujero negro" es atribuida a John Archibald Wheeler, y la utilizó básicamente porque dicho fenómeno no es visible a la vista y a que traga todo lo que está próximo a él como si fuera un hoyo al que todos caen indefectiblemente. Antes de este nombre poseía diversas denominaciones como "estrella congelada", "ojo del diablo", entre otros.
Buscando padrinos
La evolución de su nombre ha ido de la mano con el entendimiento de dicho fenómeno que de por sí resulta fascinante. Ya en 1783 John Michell planteó la idea de lo que sucedería con una estrella súper masiva la cual poseería una gravedad tan grande que ni la misma luz escaparía a su gravedad. Pero no fue hasta 150 años después que el astrónomo de origen bávaro Karl Schwarzchild consiguió explicar matemáticamente el fenómeno de los agujeros negros; para ello se apoyó en los estudios de relatividad que realizó Albert Einstein. A partir de ese estudio es que se crea la variable del radio de Schwarzchild el cual determina un radio de horizonte de sucesos en el que la masa de un cuerpo puede ser comprimida para formar un agujero negro. Pero el inconveniente es que con esta teoría los recientemente denominados agujeros negros sólo eran conocidos como fenómenos sin carga ni rotación.
En 1963 el físico y matemático Roy Kerr describió el comportamiento teórico de un agujero negro en rotación. Su modelo predecía una rotación constante en velocidad, siendo la forma y el tamaño dependientes de la velocidad de rotación y de la masa del agujero. El modelo indicaba también una relación directa entre la velocidad y el grado de deformación que el agujero poseía considerando que todo cuerpo que formara el agujero negro llegaría indefectiblemente a un estado estacionario.
Se incrementa el interés
Es así como los agujeros negros (aún no bautizados) suscitan el interés de los más eminentes científicos y matemáticos de nuestro mundo. Stephen Hawking conjuntamente con Roger Penrose define al agujero negro como "un conjunto de sucesos del cual nada es posible escapar a gran distancia". Aquí se hace popular la palabra "singularidad" la cual se utiliza para describir en una palabra las condiciones sumamente especiales en las que se encuentran la densidad y el espacio - tiempo. Penrose define el término "singularidad desnuda" como el estado en donde la densidad y el espacio - tiempo son infinitas, este estado sólo se dá dentro de un agujero negro. Otros científicos inmersos en el estudio de los agujeros negros fueron (antes de su denominación) Carl Sagan, Werner Israel, Richard Feynman, entre otros.
Y finalmente ... un nombre
No fue hasta luego de diversos estudios e infinidad de descubrimientos que finalmente en 1969 el científico John Weeler acuñó el término "AGUJERO NEGRO" desde el punto de vista de la naturaleza de la luz (onda - partícula). Esto debido a la fascinante idea de una gravedad casi infinita de la que no escapa nada (ni siquiera la luz).

Los agujeros negros se forman a partir de estrellas moribundas las cuales luego de un proceso natural empiezan a acumular una enorme concentración de masa en un radio mínimo de manera que la velocidad de escape de esta estrella es mayor que la velocidad de la luz. A partir de esto la ex estrella no permite que nada se escape a su campo gravitatorio, inclusive la luz no puede escapar de ella. Para entender con mayor claridad lo anteriormente escrito es conveniente que estudiemos las fases en la formación de una estrella:


Formación de estrellas - El límite de Chandrasekhar
Para empezar, no todas las estrellas se pueden convertir en agujeros negros, para ello deben de cumplir ciertos requisitos como por ejemplo el tamaño, tiempo de vida, entre otras características.
Las estrellas se forman a partir de grandes concentraciones de gas, principalmente hidrógeno, por efectos gravitatorios los átomos que conforman estos gases empezarán a colapsar unos contra otros contrayéndose y generando un calentamiento del gas, el calor poco a poco se incrementará llegando a generarse reacciones importantes entre los átomos (transformación de moléculas de Hidrógeno en Helio). Estas reacciones provocan emanaciones de energía altísimas que le dan a las estrellas la luminosidad característica. Todo esto ocurre hasta un momento en que los átomos llegan a alcanzar un equilibrio a partir del cual dejan de contraerse. El Sol se encuentra en estos momentos en este equilibrio, en el que no existe ningún tipo de contracción por parte de sus componentes.
Ahora bien, durante el período de tiempo que toma el proceso de contracción de los átomos la estrella sigue acumulando más gases y crece en tamaño, este tamaño fue estudiado por Subrahmanyan Chandrasekhar, quien indicó el tamaño máximo que una estrella puede alcanzar antes de llegar a consumir todo su combustible natural. Chandrasekhar descubrió el límite al cual una estrella puede crecer de manera que su masa pueda llegar a ser tal que la estrella llegue al límite de soporte de su gravedad. (Esto puede resultar un poco complicado de explicar así que tómalo con calma). ¿Qué significa lo anterior? que si la estrella es muy grande su gravedad podría provocar que esta "se derrumbe sobre sí misma" (para entenderlo piensa en un huevo cayendo a 400 metros de profundidad bajo el mar, lo que sucedería es que el huevo se rompería por efecto de la presión del agua la cual se ejerce de manera perpendicular sobre la superficie del huevo antes de caer al fondo del mar).
Bueno, sucede entonces que este señor Chandrasekhar calculó matemáticamente que la masa crítica de una estrella sería igual a 1,5 veces la masa del sol a ésta masa se le denomina el límite de Chandrasekhar, por debajo de éste límite encontramos a las enanas blancas y las estrellas de neutrones mientras que por encima de ese límite... bueno no fue hasta 1939 que se logró explicar que sucedería con una estrella con una masa mayor a la del límite de Chandrasekhar, esa estrella poseería un campo gravitatorio tan fuerte que los rayos de luz emanados de la estrella empiezan a irradiarse hacia la superficie (como un boomerang), poco a poco los rayos de luz se inclinan con mayor fuerza hacia la misma estrella de la cual emanan. A lo lejos un observador contemplará como la estrella pierde luminosidad tornándose roja (un efecto parecido a cuando las baterías de una lámpara se van acabando de a pocos), Cuando la estrella llegue a alcanzar un radio crítico el campo gravitatorio crecerá de manera exponencial llegando finalmente a atrapar a la misma luz dentro de ella.
En este instante el agujero negro ha sido creado y su presencia sólo puede ser notada por la emisión de rayos X que provoca.

No existen registros de que alguien haya podido detectar un agujero negro con telescopios comunes, lo que se hace normalmente es utilizar medidores de rayos X para detectarlos pues los agujeros negros son grandes emisores de estos rayos debido a la pérdida superficial de materia por parte de un cuerpo que es absorbido por un agujero negro, también son detectados debido al efecto que tienen sobre los cuerpos visibles que se encuentran alrededor de estos agujeros negros.

Agujeros negros: ¿Se pueden realmente medir?
Tal como lo describe Ted Bunn en "Black Holes FAQ", no podemos hablar de una única medida de grandeza de los agujeros negros ni  en general de nada que exista; sino que debemos de tomar en cuenta el espacio que ocupa en el universo y la masa que posee.
Masa de los agujeros negros

Si analizamos la segunda propiedad debemos de considerar que hasta el momento lo que se sabe de la masa que poseen los agujeros negros es que esta no tiene límites conocidos (ningún máximo ni mínimo). Pero si analizamos las evidencias actuales podemos considerar que dado que los agujeros negros se forman a partir de la muerte de estrellas masivas debería de existir un límite máximo del peso de los agujeros negros que sería a lo mucho igual a la masa máxima de una estrella masiva. Dicha masa límite es igual a diez veces la masa del Sol (más o menos 1x1031 kilogramos o si no lo entiendes 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 kilogramos). En los últimos años se ha encontrado evidencia de la existencia de agujeros negros en el centro de galaxias masivas. Se cree a partir de esto que dichos agujeros negros poseerían una masa de un millón de soles).
Tamaño de los agujeros negros
Si analizamos el tema del espacio que ocupa un agujero negro debemos de considerar como parámetro principal una variable matemática denominada el radio de Schwarzchild el cual es el radio del horizonte de sucesos que comprende al agujero negro (dentro de este radio la luz es absorbida por la gravedad y cualquier cuerpo es absorbido con una fuerza gravitatoria infinita hacia el centro del agujero negro no pudiendo escapar de éste). Ahora bien los científicos han logrado hallar una relación directa entre la masa y el espacio ocupado de un agujero negro, esto significa que si un agujero negro es diez veces más pesado que cualquier estrella ocupará también diez veces el espacio ocupado por esa estrella. Para darnos una idea más clara compararemos el tamaño del sol con un agujero negro súper masivo, el sol posee un radio de aproximadamente 700,000 kilómetros mientras que el agujero negro súper masivo poseerá un radio de a lo más cuatro veces más grande que el del Sol.

Hasta el momento, hemos podido ver a grosso modo qué es un agujero negro, hemos revisado un poco de la historia de cómo fue que se encontró un término apropiado a este fenómeno, hemos visto como se forman (recuerda siempre a Chandrasekhar), hemos visto inclusive con un caso práctico como es que son detectados, y hemos entrado a la polémica de cómo es que pueden ser medidos. Pues bien, a partir de aquí las cosas van a tratar de ser un poco más profundas, dado que no podemos decir que conocemos de agujeros negros si es que no hemos entendido a cabalidad su relación con la teoría de la relatividad general (olvídate de Newton si quieres entenderlo). Así que abróchate los cinturones y sigue leyendo.
Hemos visto que un agujero negro es un fenómeno cuya característica más saltante es la gravedad casi infinita que posee, sabemos que es tan grande que ni siquiera la luz puede escapar, pero la idea se rompe si es que queremos entenderlo con la física básica que nos brindaron en el colegio. La teoría general de la relatividad describe a la gravedad como una manifestación de la curvatura del espacio - tiempo. Cuanto más masivo sea un objeto mayor será su influencia sobre el espacio y el tiempo, si hablamos de casos límites un objeto masivo distorsionará al espacio - tiempo de tal manera que las reglas geométricas que conocemos dejarían de aplicarse.
El entendimiento de qué pueda ocurrir en un agujero negro (hablamos claro de lo que pasaría al pasar el horizonte de sucesos) es pura especulación puesto que al no cumplirse ninguna ley física no podemos ni siquiera predecir que ambiente existirá. Es como querer saber cómo era todo antes del Big Bang, es decir, ¡sólo Dios lo sabe!. Supuestamente la teoría de la relatividad especial puede predecir que ocurre hasta llegar a ese horizonte de sucesos, sencillamente todo movimiento deja de existir (incluido el paso del tiempo) pero la veracidad de dicha teoría se puso en mayo del 2000 en tela de juicio pues un grupo de científicos realizaron un experimento en un túnel cuántico en donde demostraron que los fotones pueden viajar más rápido que la luz. Esto revoluciona todo lo hasta ahora conocido.... significa que nuestro entendimiento sobre el comportamiento físico cerca al horizonte de sucesos puede no ser como lo predice la teoría de Einstein.
La teoría de la relatividad habla acerca de que la gravedad afecta al tiempo pues afecta a la velocidad de la luz... bueno, mucho de lo que se ha hablado parte de esa premisa, no se trata de algo tan sencillo de aceptar considerando que en la actualidad existen dos teorías dominantes en la física: la teoría cuántica y la teoría de la relatividad, cada una irreconciliable en algunos puntos con la otra. Sin embargo se piensa que muchos de los fenómenos descubiertos y estudiados en los últimos tiempos como las singularidades parten inevitablemente de la relatividad general.

Y se hizo la luz
Newton aseguraba que la luz, al poseer una naturaleza ondulatoria, necesitaba un medio a través del cual desplazarse, pero debido a que no se podía entender qué era lo que había entre los planetas y en general e el cosmos extra atmosférico se definió la existencia de una materia que permitía a la luz desplazarse en el espacio, a esta materia se le denominó "éter" y aunque no se tenía pruebas de su existencia, esta era necesaria para que la mecánica de Newton se cumpla también fuera del planeta.
Era entonces necesario definir exactamente en qué consistía dicho éter, se pensaba según la mecánica clásica que éste era un medio en reposo absoluto. Esto tenía serias repercusiones sobre los planetas puesto que consideraba que nuestro planeta se movía a través de éste éter, por ello se debía de conocer a ciencia cierta cuál era la velocidad de la tierra respecto de éste éter. Dado el reto no se esperó mucho para que muchos científicos empezaran a realizar investigaciones y experimentos para determinar la existencia del éter en la realidad; fue así como en 1881 A.A. Michelson realizó un experimento que logró un objetivo completamente distinto al trazado inicialmente.

Nadie sabe para quien trabaja
El razonamiento de Michelson fue que si la Tierra se desplazaba a través de un éter entonces una especie de fuerza generada por el mismo éter (Michelson le denominó "viento de éter") debería de barrer la superficie terrestre, esto debería de originar un cambio en la velocidad de la luz que viaja con el éter, es decir, con el viento a favor la luz debería de tener una velocidad completamente distinta a la de la que tendría si tuviera dicho viento en contra. Fue entonces que se decidió a medir una distancia idéntica tanto a favor como en contra del viento, de esa manera, al tener dos velocidades distintas el éter demostraría su existencia.
Grande fue la sorpresa cuando se determinó que la velocidad de la luz era la misma no importando siquiera que dirección se utilizara para medirla, esto echó por la borda la existencia del éter y determinó que la luz poseía una velocidad determinada y, al parecer constante.

Números imaginarios
Pero... ¿cuál era la velocidad límite?, puesto que la constancia de la luz contradecía abiertamente las leyes newtonianas ¿cómo podíamos explicar éste gran detalle?. Los estudios realizados por Hendrik Antón Lorentz demostraban que debía de haber una ecuación de transformación de coordenadas que reemplazaba la de Galileo que decía que el tiempo permanecía constante para dos observadores, dichas ecuaciones tienen las siguientes formas:
x' = (x - vt)/(1-ß2)½  » t' = (t - vx/c2)/(1-ß2)½
Donde: 

x  espacio recorrido por objeto A x' espacio recorrido por objeto A'
v  velocidad de objeto Av' velocidad de objeto A'
t  tiempo utilizado por objeto At' tiempo utilizado por objeto A'
c velocidad de la luzß relación v/c
De estas ecuaciones vemos que si existiera una velocidad mayor que la de la luz tendríamos un valor de ß mayor que 1 con lo que tendríamos valores de espacio y tiempo imaginarios (recuerdas los números imaginarios determinados por la raíz de -1). Entonces no existe una velocidad mayor que la de la luz.

¿Los agujeros negros se comerían todo el universo?
La respuesta a esto deja de ser complicada y es bastante simple... NO, y te explico por qué, habíamos definido un agujero negro... bueno Stephen Hawking lo hizo junto a Roger Penrose hace aproximadamente 40 años, como el horizonte de sucesos dentro del cual todo objeto es absorbido irremediablemente hacia el centro de dicha singularidad. Pues bien, ¿a qué nos referimos con horizonte de sucesos?, ¿recuerdas el radio de Schwarzchild? bueno, si no lo recuerdas era el radio a partir del cual un agujero negro tragaba irremediablemente a todo objeto, es decir, dicho radio definía el horizonte de sucesos, entonces dichos radios en los agujeros negros conocidos no son del tamaño del universo (es más, no se sabe a ciencia cierta el tamaño del universo aunque se tiene una idea aún vaga).
Esto significa que los agujeros negros podrán tragarse cuerpos cercanos pero no absorberán a todos los objetos del universo. A no ser que un porcentaje considerable de la materia en el universo se convierta en agujeros negros... pero eso es improbable.
El efecto es similar al de la gravedad normal, éste tiene un campo de acción luego del cual no logra alterar en gran medida a los demás objetos, por ejemplo, la atracción gravitatoria terrestre sólo afecta a los cuerpos que pasan cerca de él (la Luna y algunos planetas) pero no afectará a las estrellas que componen toda la vía láctea o menos de otra galaxia.
Especulaciones
Respecto a este tema se ha especulado mucho, se han presentado una serie de teorías, algunas disparatadas y otras no tanto, se dice de los agujeros negros que son la puerta al cielo, mientras que otros plantean que los agujeros negros podrían ser una especie de tele transportadores de la materia (esta visión fue presentada inicialmente hace más de 25 años en la serie "Star Trek") pero todas ellas no son mas que conjeturas sin base plenamente demostrable. Lo único cierto es que, hablando respaldados por la ciencia, un agujero negro posee un límite en su radio de acción, así que calma, que hasta donde sabemos el universo va a seguir su marcha inexorable.

Nota importante: Es necesario recalcar que hace tan sólo unos meses científicos norteamericanos lograron demostrar que la velocidad de la luz no es la máxima posible, sino que con un túnel cuántico lograron movilizar fotones a una velocidad igual y mayor. Si bien este resultado pone en tela de juicio ciertos parámetros considerados por la relatividad no la descalifica (aún) del todo.

¿Qué efectos tiene sobre nuestro planeta la existencia de los agujeros negros?
Calma, el agujero negro más cercano a nuestro planeta está bastante lejos (al menos lo que conocemos), sin embargo los investigadores a nivel mundial llevan un registro constante no solo de la actividad de los agujeros negros ya detectados sino también están a la búsqueda de nuevos agujeros negros y de estrellas moribundas que estén a punto de entrar a la fase de agujero negro. 
¿Y qué pasará con nuestro Sol?
Si queda alguna duda no queda sino mencionar que el Sol de nuestro sistema no puede convertirse en un agujero negro debido al factor del límite de Chandrasekhar, el cual requeriría que sus dimensiones fueran de 1,5 veces los actuales. Por cierto, la estrella que nos dá calor tiene 5'000,000 de años de vida.
Actualmente se presume que en el centro de nuestra galaxia existe un agujero negro, el cual provoca el movimiento y la forma de ella, esto no debe de asustarnos (por el momento) pues con los conocimientos actuales se ha concluido que sus efectos sobre nuestro Sistema Solar y sobre nuestro planeta son prácticamente nulos. Aunque se han encontrado evidencias de la presencia de agujeros negros fuera de los centros de galaxias, esto abre un nuevo campo de estudio pues modifica y amplia los posibles tipos de agujeros negros que pueden existir.

¿Existen los agujeros blancos?
Si se analizan en detalle las ecuaciones de las que se derivan las propiedades relativistas vamos a encontrar siempre que teóricamente existe una solución simétrica para cada una de ellas, es decir, así como tenemos la idea de que para la materia existe la antimateria, o a lo negro se opone lo blanco, de igual manera podemos deducir teóricamente que debe de existir algo que posea características completamente opuestas a la de los agujeros negros.
Para este caso, sabemos que los agujeros negros son definidos como un horizonte de sucesos dentro del cual todo objeto no importando su estado es atrapado indefectiblemente por una fuerza gravitatoria inmensa (casi infinita), por oposición podemos entender que debe de existir (al menos teóricamente) un agujero blanco con un horizonte de sucesos en donde todo lo que esté dentro de él será violentamente repelido, tal vez con una fuerza inmensa (casi infinita) esto nos lleva a pensar en las ideas (nuevamente las cito) de la materia y la antimateria. Pero lo interesante está en que si bien las matemáticas efectivamente pueden darnos una respuesta simétrica tan controversial, también es cierto que un horizonte de sucesos con esas características es improbable y hasta el momento no ha habido descubrimiento que contradiga su no existencia real.

¿Y los agujeros de gusano?
Los agujeros de gusano son consecuencia de un agujero negro que se encuentra girando con cargas determinadas, esto provocaría que esté simultáneamente interactuando con un agujero blanco, la combinación de ambos es denominado un agujero de gusano.
Sin embargo, como hemos visto, los agujeros blancos no existen y si alguien cae en un agujero negro llegará a dirigirse hacia el centro de la singularidad pero no atravesará un agujero de gusano pues este requiere que exista un agujero blanco. Pero teóricamente se piensa que si éste existiera habría una conexión entre la ubicación del agujero negro y como salida se tendría al lugar en donde está ubicado el agujero blanco. (Si viste la película Contacto con Jodie Foster te puedes dar una idea cabal de lo que se dice líneas arriba).









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