Fuerzas Fundamentales, Estrellas Masivas y Agujeros Negros

En el Universo existen y están presentes una serie de interacciones que, de manera general, denominamos:

Fuerzas Fundamentales:

Como pueden haber deducido, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos.  Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el Universo.

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar, en una teoría o modelo, a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones.  Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros, antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del Universo.  Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles. Incluso, a partir de la Relatividad Geneneral, saltaron a las noticias la posibilidad de realizar viajes en el Tiempo a través de Aguejeros de gusano, aunque después, se han ideado otras maneras que, seguramente, serán más factibles en el futuro.

Un nuevo prototipo de máquina del tiempo que, en vez de objetos masivos, utiliza energía luminosa en forma de rayos láser para curvar el tiempo, ha sido ideada por el físico de la Universidad de Connecticut, Ronald Mallet. Ha utilizado ecuaciones basadas en las teorías de la relatividad de Einstein para observar la curvatura del tiempo a través de un rayo de luz circulante obtenido por medio de una disposición de espejos e instrumentos ópticos. Aunque su equipo aún necesita fondos para el proyecto, Mallett calcula que este método permitirá que el ser humano viaje en el tiempo quizá antes de un siglo. (Por Mario Toboso)

La relatividad general, dejó claro el concepto de la fuerza Gravitatoria, unas 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza electromagnética, es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa, es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan.  Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos.  En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener a los componentes del Universo juntos.  De hecho, sin esta fuerza, no existiría el Sistema Solar, ni las galaxias, y seguramente, ni nosotros tampoco estaríamos aquí. Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta. Aunque la teoría clasica de la Gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal, es la relatividad general de Einstein, mucho más completa y profunda.

El sistema planetario de la estrella HD 69830 viene compuesto por un masivo cinturón de asteroides y por tres exoplanetas de masa neptuniana cuyos efectos gravitatorios dispersan las líneas de universo de los asteroides, impidiendo que se agreguen para formar nuevos planetas.

Por el momento, no hay una teoría cuántica de la interacción gravitatoria satisfactoria.  Es posible que la teoría de supercuerdas pueda dar una teoría cuántica de la gravitación consistente, además de unificar la gravedad con los demás interacciones fundamentales sin que surjan los dichosos e indeseados infinitos.

La imagen de arriba es la que captan las pruebas del LHC cuando chocan los haces de hadrones y surgen partículas nuevas, y, de entre esa maraña que podemos contemplar, los técnicos especialistas deben entresacar todo lo que ahí está presente: muchas clases de partículas surgidas del encontronazo.

La interacción débil, que es unas 10¹⁰ veces menor que la interacción y electromagnética, ocurre entre Leptones y en la desintegración de los Hadrones.  Es responsable de la desintegración beta de las partículas y núcleos.  En el modelo actual, la interacción débil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios que, para esta fuerza son las partículas w⁺, w^– y Z⁰. Las interacciones débiles son descritas por la teoría electrodébil, que las unifica con las interacciones electromagnéticas.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas.  Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas.  La interacción se puede interpretar tanto como un modelo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales.  Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell.  La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

Fluido ferroso que se agrupa cerca de los polos de un imán, El electromagnetismo es la interacción que actúa entre partículas con carga eléctrica.

La interacción fuerte es unas 10² veces mayor que la interacción electromagnética y como ya se dijo antes, aparece sólo entre los Hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad.  Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10^-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por intercambio de mesones virtuales.  Esta descrita por una teoría gange llamada cromodinámica cuántica.

Me he referido a una teoría gauge que son teorías cuánticas de campo creadas para explicar las interacciones fundamentales.  Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y las potenciales (el grupo gauge).  En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos.

Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang-Mills.  Esta diferencia explica porque la electrodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil que unifica la fuerza débil con la electromagnética.  En el caso de la Gravedad cuántica, el grupo gange es mucho más complicado que los anteriores necesarios para la fuerza fuerte y electrodébil.

En las teorías gauge, las interacciones entre partículas se pueden explicar por el intercambio de partículas (bosones vectoriales intermediarios o bosones gante), como los gluones, fotones y los W y Z.

El físico Enrico Fermi, refiriéndose al gran número de partículas existentes, dijo: “Si tuviera que saber el nombre de todas las partículas, me habría hecho botánico.”

Por motivo parecido, aunque antes hemos descritos los grupos o familias más importantes de partículas, lógicamente, solo se nombraron las más comunes, importantes y conocidas como:

• Protón que una partícula elemental estable que tiene una carga positiva igual en magnitud a la del electrón  y posee una masa de 1,672614×10^-27 kg, que es 1836,12 veces la del electrón.  El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso es un nucleón que está formado por partículas más simples, los quarks.

• Neutrón que es un hadrón como el protón pero con carga neutra y también permanece en el núcleo, pero que se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino con una vida media de 12 minutos fuera del núcleo.  Su masa es ligeramente mayor que la del protón (símbolo m_n), siendo de 1,6749286(10)x10^-27 kg.  Los neutrones aparecen en todos los núcleos atómicos excepto en el del hidrógeno normal que está formado por un solo protón.  Su existencia fue descubierta y anunciada por primera vez en 1.932 por James Chadwick (1891-1974).

• Neutrino, que es un leptón que existe en tres formas exactas pero con distintas masas.  Tenemos el v_e (neutrino electrónico) que acompaña al electrón, v_u (neutrino múonico) que acompaña al muón, y, v_T (neutrinotan) que acompaña a la partícula tan, la más pesada de las tres.  Cada forma de neutrino tiene su propia antipartícula.

  El neutrino fue postulado en 1.931 para explicar la “energía perdida” en la desintegración beta, fue identificado de forma tentativa en 1.953 y, definitivamente, en 1.956.  Los neutrinos no tienen carga y se piensa que tienen masa en reposo nula y viajan a la velocidad de la luz, como el fotón.  Hay teorías de gran unificación que predicen neutrinos con masa no nula, pero no hay evidencia concluyente.

• Electrón, que es una partícula elemental clasificada como leptón, con una carga de 9, 109 3897 (54)x10^-31 Kg y una carga negativa de 1, 602 177 33 (49)x10^-19 culombios.  Los electrones están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor del núcleo; cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres.  Su antipartícula es el positrón, predicha por Paul Dirac.

El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Joseph John Thomson (1.856-1940).  El problema de la estructura (si la hay) del electrón no está resuelto.  Si el electrón se considera como una carga puntual, su autoenergía es infinita y surgen dificultades en la ecuación conocida como de Lorente-Dirac.

• Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio p_°o =e²/(mc²)=2,82×10^-13 cm., donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz.  Este modelo también tiene problemas, como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.

  Ahora se cree que los problemas asociados con el electrón deben ser analizados utilizando electrodinámica cuántica en vez de electrodinámica clásica.

• Pión, que es una partícula elemental clasificada como mesón de la familia de los Hadrones al igual que el protón y el neutron que siendo hadrones están clasificados como bariones.

  El pión existe entre formas diferentes: neutro, con carga positiva y, con carga negativa.

  Los piones cargados se desintegran en muones y neutrinos (leptones); el pión neutro se desintegra en dos fotones de rayos gamma.

  Los piones como los kaones y otros mesones, como hemos dicho son una subclase de los hadrones; están constituidos por pares quark-antiquark y se cree que participan en las fuerzas que mantienen a los nucleones juntos en el núcleo.  Al principio se pensó que el muón era un mesón, pero ahora se incluye entre los leptones como la variedad intermedia entre el electrón y la partícula tan.

Como dije antes, existe una lista interminable de partículas que necesitarían páginas completas para hablar de ellas, así que me he limitado a los más importantes en la composición de la materia.

Sobre el Universo se pueden hacer infinidad de preguntas de las que algunas ya tienen aquí su respuesta y, por seguir (más o menos) el orden, parece que ahora tengo que explicar el significado de Agujero Negro.

No tiene ningun sentido explicar, sin más, lo que es un Agujero Negro, sin que antes explique algo sobre las estrellas que, en definitiva, son las que dan el origen de estos fenómenos cosmológicos conocidos como Agujeros Negros, estrellas de neutrones o  enanas blancas como objetos de máxima densidad.

Las estrellas masivas abundan en las Nebulosas

Las estrellas, enormes bolas de gas y polvo, luminosos que, desde su nacimiento, producen energía por la fusión nuclear del Hidrógeno para formar Helio.  El termino, por tanto, no solo incluye estrellas como el Sol, que están en la actualidad quemando Hidrógeno, sino también protoestrellas, aún no lo suficientemente calientes como para que dicho combustión haya comenzado, y varios tipos de objetos evolucionados como las estrellas gigantes y supergigantes, que están quemando otros combustibles nucleares más complejos que el hidrógeno, o las enanas blancas y las estrellas nucleares, que están formadas por combustibles nuclear gastado.

La masa máxima de una estrella es de unas 120 masas solares, por encima de la cual sería destruida por su propia radiación.  La masa mínima está calculada en 0’80 masas solares; por debajo de ella, los objetos no serían lo suficientemente calientes en sus núcleos como para que comience la combustión del hidrógeno, y se convertirían en enanas marrones.  Las luminosidades de estrellas varían desde alrededor de medio millón de veces la luminosidad del Sol para las más calientes hasta menos de una milésima de la del Sol para las enanas más débiles.  Aunque las estrellas más prominentes visibles a simple vista son más luminosas que el Sol, la mayoría de las estrellas son en realidad más débiles que este y, por tanto, imperceptibles a simple vista.

Las estrellas brillan como resultado de la conversión de masa en energía por medio de reacciones nucleares, siendo los más importantes los que involucran al hidrógeno.  Por cada kilogramo de hidrógeno quemado de esta manera, se convierte en energía aproximadamente siete gramos de masa (el 7‰).   De acuerdo a la famosa ecuación E=mc², los siete gramos equivalen a una energía de 6’3×10¹⁴ julios.  Las reacciones nucleares no solo aportan el calor y la luz de las estrellas, sino que también producen elementos más pesados y complejos que el hidrógeno y el helio.

Estos elementos pesados y más complejos ( Carbono, Oxígeno, Nitrógeno) han sido distribuidos por el espacio, de tal manera que, estan presentes por todo el Universo mediante explosiones de supernovas o por medio de nebulosas planetarias y vientos estelares.

De hecho, nuestra presencia aquí sería imposible sin que, el material del que estamos hecho (polvo de estrellas), no se hubiera fabricado antes en alguna estrella lejana, hace miles de años y seguramente a muchos años-luz de nuestro sistema solar.

Las estrellas se pueden clasificar de muchas maneras.  Una manera es mediante su etapa evolutiva: en presencia principal, secuencia principal, gigante, supergigante, enana blanca o estrella de neutrones y, para las más masivas, su evolución hasta agujeros negros.

También se clasifican por sus espectros, que indica sus temperaturas superficiales.  Otra manera es en poblaciones I, II y III, que engloban estrellas con abundancias progresivamente menores de elementos pesados, indicando paulatinamente una mayor de edad, también se clasifican por el método conocido como evolución estelar.

Imaginar la variedad de estrellas no resulta fácil

La cantidad de estrellas conocidos en su variedad por uno u otro motivo, es en realidad muy abundante, como por ejemplo:

Estrella binaria, estrella “capullo”, de baja velocidad, con envoltura, con exceso de ultravioleta, de alta velocidad, de baja luminosidad, de baja masa, estrella de borio, estrella de bariones, estrella de campo, estrella de carbono, de circonio, de estroncio, de helio, de población I extrema, de población intermedia, estrella de la rama gigante asintótica, de litio, de manganeso, de manganeso-mercurio, de mercurio-manganeso, de metales pesados, de neutrones, de quarks, de referencia, de silicio, de tecnecio, de tipo intermedio, de tipo tardío, de tipo temprano, estrella del polo, estrella doble, estrella enana, estrella estándar, evolucionada, etc.

Por ser para nosotros la más importante de todas, hablaré un poco de nuestra estrella más cercana, esa que hace posible la vida en el Planeta Tierra al que envía luz y calor, el Sol.

Nuestro Sol, a pesar de su diámetro de 1.392.530 km., su enorme masa de 1,989×10³⁰ kg, su volumen de 1,3×10⁶,  etc., es en realidad una simple estrella común mediana, clasificada como una estrella G2V: una estrella amarilla con una temperatura efectiva de 5.770 K (tipo espectral G2) y una enana de la secuencia (clase de luminosidad V).  El  Sol está formado en su mayor parte por hidrógeno (71% en masa), con otra parte de helio (27%) y elementos más pesados (el 2%).  Su edad se estima que es de unos 4.600 millones de años.

En su horno termo-nuclear fusiona, de manera constante y cada segundo, 4.654.000 toneladas de Hidrógeno, en 4.650.000 toneladas de helio, 4.000 toneladas son lanzadas al espacio en forma de luz y calor, de lo que una parte llega al planeta Tierra.  La transferencia de energía desde el núcleo hasta la superficie tarda 10 millones de años.  En su centro la temperatura se calcula que es de 15’6 millones de k y la densidad de 148.000 kg/m³.

Existen otras curiosidades de luminosidad, magnetismo, viento solar, etc. que, estimo poco importantes para este cargo que aquí se trata.  La vida del Sol, está estimada en otros 4.000/4.500 millones de años más antes de que se convierta en gigante roja, explote y quede finalmente como enana blanca.

Dicho esto, ahora sí estamos preparados para comprender mejor lo que es un Agujero Negro.

Agujero negro

Cuando hablamos de un Agujero negro estamos hablando de un objeto con un campo gravitacional tan intenso que su velocidad de escape supera la velocidad de la luz.  Los agujeros negros se forman cuando las estrellas masivas colapsan al final de sus vidas.

Un objeto que se colapsa se convierte en un agujero negro cuando su radio se hace menor que un tamaño crítico, conocido como radio de Schwarschild, y la luz no puede escapar de él.

La superficie de tiene este radio crítico se denomina Horizonte de sucesos, y marca la frontera dentro de la cual esta atrapada toda la información.  De esta forma, los acontecimientos dentro del agujero negro no pueden ser observados desde fuera.  La teoría muestra que tanto es espacio como el tiempo se distorsionan dentro del horizonte de sucesos y que los objetos colapsan a un único punto, del agujero que, se llama singularidad, situada en el propio centro del agujero negro.  Los agujeros negros pueden tener cualquier masa.

Pueden existir agujeros negros supermasivos (de 10⁵ masas solares) en los centros de las Galaxias activas.  En el otro extremo, miniagujeros negros con un radio de 10^-10 m. y masas similares a las de un asteroide pudieron haberse formado en las condiciones extremas que se dieron poco después del Big Bang.

Nunca se ha observado directamente un agujero negro. Kart Schwarzschild (1.837-1.916), dedujo la existencia de agujeros negros a partir de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general de 1.915 que, al ser estudiadas por, en 1.916, un año después de la publicación, encontró en estas ecuaciones que existian tales objetos supermasivos.

Antes, en la explicación sobre las estrellas, queriendo dejarlo para este momento, deje de explicar lo que hace el equilibrio en la vida de una estrella.   La estrella que está formada por una inmensa nube de gas y polvo que a veces tiene varios años-luz de diámetro, cuando dicho gas (sus moléculas) se va juntando se produce un rozamiento que ioniza los átomos de la nube de hidrógeno que se juntan y se juntan cada vez más, formando un remolino central que gira atrayendo al gas circundante que poco a poco, va formando una inmensa bola.  En el núcleo la fricción es muy grande y las moléculas, apretadas al máximo por la fuerza de Gravedad, por fin produce una temperatura de varios millones de grados K que es la causante de la fusión de los protones que forman esos átomos de Hidrógeno, la reacción que se produce es una reacción en cadena, comienza la fusión que durará todo el tiempo de vida de la estrella.  Así nacen las estrellas cuyas vidas están supeditadas al tiempo que tarde en ser consumido su combustible nuclear, el Hidrógeno que mediante la fusión es convertido en Helio.

Las estrellas muy grandes, conocidas como supermasivas, son devoradoras de Hidrógeno y sus vidas son mucho más cortas que el de las estrellas normales.

Estrella nueva masiva

Una vez que se produce la fusión termonuclear, se ha creado el equilibrio de la estrella, veamos como.  La inmensa masa que se juntado para formar la estrella genera una gran cantidad de fuerza de Gravedad que tiende a comprimir la estrella bajo su propio peso.  La fusión termonuclear generada en el núcleo de la estrella, hace que la estrella tienda a expandirse.  En esta situación, la fusión que expande y la Gravedad que contrae, como son fuerzas similares, se contrarresta la una a la otra y así la estrella continua brillando en equilibrio perfecto.

Pero ¿Qué ocurre cuando se consume todo el Hidrógeno?

Pues que la fuerza de fusión deja de empujar hacia fuera y la Gravedad continúa (ya sin nada que lo impida) implosionando hacia adentro, literalmente, estrujando el material de la estrella sobre sí mismo hasta límites increíbles de densidad.

Según sean estrellas medianas como nuestro Sol, grandes o muy grandes, lo que antes era una estrella, cuando finaliza el derrumbe o implosión, cuando la estrella es aplastada sobre sí misma por su propio peso, cuando finalice digo, tendremos una estrella enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro.

Alrededor del agujero negro puede formarse un disco de acresión cuando cae materia sobre él desde una estrella cercana que, para su mal,  se atreve a traspasar el Horizonte de sucesos.  Es tan enorme la fuerza de Gravedad que genera el agujero negro que, en tal circunstancias, literalmente hablando se come a esa estrella compañera próxima.  En ese proceso, el agujero negro produce energía predominantemente en longitudes de ondea de rayos X a medida que la materia está siendo engullida hacia la singularidad.  De hecho, estos rayos X en el centro mismo de nuestra Galaxia, en realidad han sido varias las fuentes localizadas allí, a unos 30.000 años-luz de nosotros.  Son serios candidatos a Agujeros Negros, siendo el más famoso Cygnus X-1.

Hay diferentes tipos de agujeros negros

Existen varias formas teóricamente posibles de agujeros negros.

Un agujero negro sin rotación ni carga eléctrica (Schwarzschild).

Un agujero negro sin rotación con carga eléctrica (Reissner-Nordström).

En la práctica es más fácil que los agujeros negros esten rotando y que no tengan carga eléctrica, forma conocida como agujero negro de kerr.  Los agujeros negros no son totalmente negros;  la teoría sugiere que pueden emitir energía en forma de radiación Hawking.

La estrella supermasiva cuando se convierte en un agujero negro se contrae tanto que, realmente desaparece de la vista, de ahí su nombre de “agujero negro”.  Su enorme densidad genera una fuerza gravitatoria tan descomunal que la velocidad de escape supera a la de la luz, por tal motivo, ni la luz puede escapar de él.  En la singularidad, dejan de existir el tiempo y el espacio, podríamos decir que el agujero negro está fuera, apartado de nuestro Universo, pero en realidad, deja sentir sus efectos, ya que, como antes dije, se pueden detectar las radiaciones de rayos X que emite cuando engulle materia de cualquier objeto estelar que se le aproxime más allá del punto límite que se conoce como Horizonte de Sucesos.

Con la explicación anterior he querido significar que, de acuerdo con la relatividad de Einstein, cabe la posibilidad de que una masa redujera sin limite su tamaño y se autoconfinara en un espacio infinitamente pequeño y que, alrededor de esta, se forme una frontera gravitacional a la que se ha dado el nombre de horizonte de sucesos.

El fin de estos trabajos tiene como único fin, divulgar el conocimiento del Universo, así que, no se extrañen de que de vez en cuando, podamos hablar de las mismas cuestiones, aunque se planteen bajo distintos puntos de vistas.

emilio silvera.

[?]