La teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo es una extensión de la teoría cuántica de campos estándar en la que se contempla la posibilidad de que el espacio-tiempo por el cual se propaga el campo no sea necesariamente plano (descrito por la métrica de Minkouski).  Una predicción genérica de esta teoría es que pueden generarse partículas debido a campos gravitacionales dependientes del tiempo, o a la presencia de horizontes.

La teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo puede considerarse como una primera aproximación de gravedad cuántica. El paso siguiente consiste en una gravedad semiclásica, en la que se tendrían en cuenta las correcciones cuánticas, debidas a la presencia de materia, sobre el espacio-tiempo.

En un espacio euclideo convencional un objeto físico finito está contenido dentro de un ortoedro mínimo, cuyas dimensiones se llaman ancho, largo y profundida o altura. El espacio físico a nuestro alrededor es tridimensional a simple vista. Sin embargo, cuando se consideran fenómenos físicos la gravedad, la teoría de la relatividad  nos lleva a que el universo es un ente tetra-dimensional que incluye tanto dimensiones espaciales como el tiempo como otra dimensión. Diferentes observadores percibirán diferentes “secciones espaciales” de este espacio-tiempo por lo que el espacio físico es algo más complejo que un espacio euclídeo tridimiensional.

En las teorías actuales no existe una razón clara para que el de dimensiones espaciales sean tres. Aunque existen ciertas instuiciónes sobre ello: Ehrenfest (aquel gran físico nunca reconocido) señaló que en cuatro o más dimensiones las órbitas planetarias cerradas, por ejemplo, no serían estables (y por ende, parece difícil que en un universo así existiera vida inteligente preguntándose por la tridimensionalidad espacial del universo).

Es cierto que en nuestro mundo tridimensional y mental existen cosas misteriosas. A veces me pregunto que importancia puede tener un . (“¿Qué hay en un nombre? Lo que llamamos rosa, / con cualquier otro nombre tendría el mismo dulce aroma”? (-Shakespeare, Romeo y Julieta-) – La rosa da sustento a muchos otros tópicos literarios: se marchita como símbolo de la fugacidad del tiempo y lo efímero de la vida humana; y provoca la prisa de la doncella recogerla mientras pueda. Por otro lado, le advierte de que hay que tener cuidado: no hay rosa sin espinas.

También el mundo de la poesía es un tanto misterioso y dicen, que… “Los poetas hablan consigo mismo y el mundo les oye por casualidad.” Tópicos ascéticos, metafísicos o existenciales: Quiénes somos, de dónde venimos, a dónde vamos, las llamadas preguntas trascendentales, propias de la cosmología, la antropología y la metafísica. Los poetas siempre han buscado un mundo irreal y han idealizado el enaltecido mucho más allá de este mundo.

Como siempre me pasa, me desvío del tema que en este trabajo nos ocupa: El espacio-tiempo.

Estamos inmersos en el espacio-tiempo curvo y tetradimensional de nuestro Universo. Hay que entender que el espacio–tiempo es la descripción en cuatro dimensiones del universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo. De acuerdo con la relatividad especial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que eventos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar. El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como lo son las posiciones en el espacio (Euclides) tridimensional, y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio–tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio–tiempo se denomina por el de línea de universo. La relatividad general nos explica lo que es un espacio–tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.

La introducción por parte de Minkouski de la idea espacio-temporal resultó tan importante es porque permitió a Einstein utilizar la idea de geometría espacio-temporal para formular su teoría de la relatividad general que describe la Gravedad que se genera en presencia de grandes masas y cómo ésta curva el espacio y distorsiona el tiempo. En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio–tiempo, eso que conocemos como gravedad, una fuerza de atracción que actúa todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. Hemos llegado a comprender que es la materia, la que determina la geometría del espacio-tiempo.

En la imagen, dos partículas en reposo relativo, en un espacio-tiempo llano y Se representan en este esquema dos partículas que se acercan entre sí siguiendo un movimiento acelerado. La interpretación newtoniana supone que el espacio-tiempo es llano y que lo que provoca la curvatura de las líneas de universo es la fuerza de interacción gravitatoria entre ambas partículas. Por el contrario, la interpretación einsteiniana supone que las líneas de universo de estas partículas son geodésicas (“rectas”), y que es la propia curvatura del espacio tiempo lo que provoca su aproximación progresiva.

El máximo exponente conocido del espacio-tiempo curvo, se podría decir que se da en la formación de los agujeros negros, donde la masa queda comprimida a tal densidad que se conforma en una singularidad, ese objeto de energía y densidad “infinitsas” en el que, el espacio y el tiempo desaparecen de nuestra vista y parece que entran en “otro mund” para nosotros desconocidos.

Los agujeros negros, cuya existencia se dedujo por Schwarzschild en 1.916 a partir de las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, son objetos supermasivos, invisibles a nuestra vista (de ahí su nombre) del que no escapa ni la luz; tal es la fuerza gravitatoria que generan que incluso engullen la materia de sus vecinas, objetos estelares como estrellas que osan traspasar el cinturón de seguridad que llamamos horizonte de sucesos.

Desde siempre hemos tenido la tendencia de querer representar las cosas y a medida que pudimos descubrir conocimientos nuevos, también le dimos a esos nuevos saberes sus símbolos y ecuaciones matemáticas que representaban lo que creíamos saber. Mecánica cuántica, relatividad, átomos, el genóma, agujeros negros, la constante cosmológica, la constante de Planck racionalizada…

Wheeler decía allá por el año 1957, que el punto final de la compresión de la materia -la propia singularidad– debía estar gobernada por la unión, o matrimonio, de las leyes de la mecánica cuántica y las de la distorsión espaciotemporal. Esto debe ser así, puesto que la distorsión espaguetiza el espacio a escalas tan extraordinariamente microscópicas que están profundamente influenciadas por el principio de incertidumbre.

Las leyes unificadas de la distorsión espacio-temporal y la mecánica cuántica se denominan “leyes de la gravedad cuántica”, y han sido un “Santo Grial” para todos los físicos desde los años cincuenta. A principios de los sesenta los que estudiaban física con Wheeler, pensaban que esas leyes de la gravedad cuántica eran tan difíciles de comprender  que nunca las podrían descubrir durante sus vidas. Sin embargo, el tiempo inexorable no deja de transcurrir, mientras que, el Universo y nuestras mentes también, se expanden. De tal manera evolucionan nuestros conocimientos que, poco a poco, vamos pudiendo conquistar saberes que eran profundos secretos escondidos de la Naturaleza y, con la Teoría de cuerdas (aún en desarrollo), parece que por fín, podremos tener una teoría cuántica de la gravedad.

Una cosa sí sabemos: Las singularidades dentro de los agujeros negros no son de mucha utilidad puesto que no podemos contemplarla desde fuera, alejados del horizonte de sucesos que marca la línea infranqueable del irás y no volverás. Si alguna vez alguien pudiera llegar a ver la singularidad, no podría regresar para contarlo. Parece que la única singularidad que podríamos “contemplar” sin llegar a morir sería aquella del Big Bang, es decir, el lugar a partir del cual pudo surgir el universo y, cuando nuestros ingenios tecnológicos lo permitan, serán las ondas gravitacionales las que nos “enseñarán” esa singularidad.

 Esta pretende ser la imagen de un extraño objeto masivo, un quásar  que sería una evidencia vital del Universo primordial. Es un objeto muy raro que nos ayudará a entender cómo crecieron los agujeros negros súpermasivos unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang (ESO).

Representación artística del aspecto que debió tener 770 millones después del Big bang el quásar más distante descubierto hasta la fecha (Imagen ESO). Estas observaciones del quásar brindan una imagen de nuestro universo tal como era durante su infancia, solo 750 millones de años después de producirse la explosión inicial que creó al universo. El análisis del espectro de la luz del quásar no ha aportado evidencias de elementos pesados en la nube gaseosa circundante, un hallazgo que sugiere que el quásar data de una era cercana al nacimiento de las primeras estrellas del universo.

Basándose en numerosos modelos teóricos, la mayoría de los científicos está de acuerdo sobre la secuencia de sucesos que debió acontecer durante el desarrollo inicial del universo: Hace cerca de 14.000 millones de años, una explosión colosal, ahora conocida como el Big Bang, produjo cantidades inmensas de materia y energía, creando un universo que se expandía con suma rapidez. En los primeros minutos después de la explosión, protones y neutrones colisionaron en reacciones de fusión nuclear, formando así hidrógeno y helio.

Finalmente, el universo se enfrió hasta un punto en que la fusión dejó de generar estos elementos básicos, dejando al hidrógeno como el elemento predominante en el universo. En líneas generales, los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, como por ejemplo el carbono y el oxígeno, no se formaron hasta que aparecieron las primeras estrellas. Los astrónomos han intentado identificar el momento en el que nacieron las primeras estrellas, analizando a tal fin la luz de cuerpos muy distantes. (Cuanto más lejos está un objeto en el espacio, más antigua es la imagen que de él recibimos, en luz visible y otras longitudes de onda del espectro electromagnético.) Hasta ahora, los científicos sólo habían podido observar objetos que tienen menos de unos 11.000 millones de años. Todos estos objetos presentan elementos pesados, lo cual sugiere que las estrellas ya eran abundantes, o por lo menos estaban bien establecidas, en ese momento de la historia del universo.

                                          Supernova 1987 A

El Big Bang produjo tres tipos de radiación: electromagnética (fotones), radiación de neutrinos y ondas gravitatorias. Se estima que durante sus primeros 100.000 años de vida, el universo estaba tan caliente y denso que los fotones no podían propagarse; eran creados, dispersados y absorbidos antes de que apenas pudieran recorrer ínfimas distancias. Finalmente, a los cien mil años de edad, el universo se había expandido y enfriado lo suficiente para que los fotones sobrevivieran, y ellos comenzaron su viaje hacia la Tierra que aún no existía. Hoy los podemos ver como un “fondo cósmico de microondas”, que llega de todas las direcciones y llevan gravada en ellos una imagen del universo cuando sólo tenía esa edad de cien mil años.

Se dice que al principio sólo había una sola fuerza, la Gravedad que contenía a las otras tres que más tarde se desgajaron de ella y “caminaron” por sí mismas para hacer de nuestro universo el que ahora conocemos. En Cosmología, la fuerza de gravedad es muy importante, es ella la que mantiene unidos los sistemas planetarios, las estrellas en las galaxias y a las galaxias en los cúmulos. La Gravedad existe a partir de la materia que la genera para curvar el espacio-tiempo y dibujar la geometría del universo.

Los telescopios de la NASA han captado la imagen de un agujero negro en el centro de una galaxia golpeando otra vecina hasta el punto de desviarla y de …”robarle su masa” que, finalmente se irá engullengo poco a poco el monstruo estelar.

Un agujero negro es lo definitivo en distorsión espacio-temporal, según las ecuaciones de Einstein: está hecho única y exclusivamente a partir de dicha distorsión. Su enorme distorsión está causada por una inmensa cantidad de energía compactada: energía que reside no en la materia, sino en la propia distorsión. La distorsión genera más distorsión sin la ayuda de la materia. es la esencia del agujero negro.

Lo cierto es que los físicos relativistas se han sentido muy frustrados desde que Einstein publicó su Teoría de la relatividad general y se desprendieron de ellas mensajes asombroso como el de la existencia de agujeros negros que predecían sus ecuaciones de campo. Así que, se dirigieron a los astrónomos para que ellos confirmaran o refutaran su existencia mediante la observación del universo profundo. Sin embargo y, a pesar de su enorme esfuerzo, los astrónomos npo han podido obtener medidas cuantitativas de ninguna distorsión espaciotemporal de agujeros negros. Sus grandes triunfos han consistido en varios descubrimientos casi incontrovertibles de la existencia de agujeros negros en el universo, pero han sido incapaces de cartografiar, ni siquiera de forma ruda, esa distorsión espaciotemporal alrededor de los agujeros negros descubiertos. No tenemos la técnica para ello y somos conscientes de lo mucho que nos queda por aprender y descubrir.

    Imaginar cómo podría escapar una nave que cayera cerca del remolino central… ¡Produce escalofríos!

Las matemáticas siempre van por delante de esa realidad que incansables buscamos. Ellas nos dicen que en un agujero negro, además de la curvatura y el frenado y ralentización del tiempo, hay un tercewr aspecto en la distorsi´pon espaciotemporal de un agujero negro: un torbellino similar a un enorme tornado de espacio y tiempo que da vueltas y vueltas alrtededor del horizonte del agujero. Así como el torbellino es muy lento lejos del corazón del tornado, también el torbellino. Más cerca del núcleo o del horizonte el torbellino es más rápido y, cuando nos acercamos hacia el centro ese torbellino espaciotemporal es tan rápido e intenso que arrastra a todos los objetos (materia) que ahí se aventuren a estar presentes y, por muy potentes que pudieran ser los motores de una nave espacial… ¡nunca podrían hacerla salir de esa inmensa fuerza que la atraería hacia sí! Su destino sería la singularidad del agujero negro donde la materia comprimida hasta límites inimaginables, no sabemos en qué se habrá podido convertir.

Todos conocemos la teoría de Einstein y lo que nos dice que ocurre cuando grandes masas, como planetas, están presentes: Curvan el espacio que lo circundan en función de la masa. El exponente máximo de dicha curvatura y distorsión temporal es el agujero negro que, comprime la masa hasta hacerla “desaparecer” y el tiempo, en la singularidad formada, deja de existir. En ese punto, la relatividad general deja de ser válida y tenemos que acudir a la mecánica cuántica para seguir comprendiendo lo que allí está pasando.

Einstein no se preocupaba por la existencia de este extraño universo dentro del agujero negro porque la comunicación con él era imposible. Cualquier aparato o sonda enviada al centro de un agujero negro encontraría una curvatura infinita; es decir, el campo gravitatorio sería infinito y, como ya se explica anteriormente, nada puede salir de un agujero negro, con lo cual, el mensaje nunca llegará al exterior. Allí dentro, cualquier objeto material sería literalmente pulverizado, los electrones serían separados de los átomos, e incluso los protones y los neutrones dentro de los propios núcleos serían desgajados. De todas las maneras tenemos que reconocer que este universo especular es matemáticamente necesario para poder ir comprendiendo cómo es, en realidad, nuestro universo.

Con todo esto, nunca hemos dejado de fantasear. Ahí tenemos el famoso puente de Einstein-Rosen que conecta dos universos y que fue considerado un artificio matemático. De todo esto se ha escrito hasta  la extenuación:

“Pero la factibilidad de poder trasladarse de un punto a otro del Universo recurriendo a la ayuda de un agujero de gusano es tan sólo el principio de las posibilidades. Otra posibilidad sería la de poder viajar al pasado o de poder viajar al futuro. Con un túnel conectando dos regiones diferentes del espacio-tiempo, conectando el “pasado” con el “futuro”, un habitante del “futuro” podría trasladarse sin problema alguno hacia el “pasado”  Einstein—Rosen—Podolsky), para poder estar físicamente presente en dicho pasado con la capacidad de alterar lo que está ocurriendo en el “ahora”. Y un habitante del “pasado” podría trasladarse hacia el “futuro” para conocer a su descendencia mil generaciones después, si la hubo.“

 

El puente de Einstein-Rosen conecta universos diferentes. Einstein creía que cualquier cohete que entrara en el puente sería aplastado, haciendo así imposible la comunicación Posteriormente, los puentes de Einstein-Rosen se encontraron pronto en otras soluciones de las ecuaciones gravitatorias, tales como la solución de Reisner-Nordstrom que describe un agujero eléctricamente cargado. Sin embargo, el puente de Einstein-Rosen siguió siendo una nota a pie de página curiosa pero olvidada en el saber de la relatividad.

Lo cierto es que algunas veces, tengo la sensación de que aún no hemos llegado a comprender esa fuerza misteriosa que es la Gravedad, la que no se quiere juntar con las otras tres fuerzas de la Naturaleza. Ella campa solitaria y aunque es la más débil de las cuatro, esa debidad resulta engañosa poreque llega a todas partes y, además, como algunos de los antiguos filósofos naturales, algunos piensan que es la única fuerza del universo y, de ella, se desgajaron las otras tres cuando el Universo comenzó a enfriarse.

¡El Universo! Es todo lo que existe y es mucho para que nosotros, unos recien llegados, podamos llegar a comprenderlo en toda su inmensidad. Muchos son los secretos que esconde y, como siempre digo, son muchas más las preguntas que las respuestas. Sin embargo, estamos en el camino y… Como dijo el sabio: ¡Todos los grandes viajes comenzaron con un primer paso!

En el Universo todo es fruto de dos fuerzas contrapuestas:

Por ejemplo, las estrellas son estables por el hecho de que, la energía de fusión tiende a expandir la estrella y, la fuerza de Gravedad generada por su ingente masa, la hace contraerse. De esa manera, las dos fuerzas se contrarrestan y consiguen estabilizar a la estrella que vive miles de años. Cuando se agota el combustible nuclear de fusión, la estrella queda a merced de la Gravedad y se contrae (implosiona) bajo el peso de su propia masa, la gravedad la aplasta más y más hasta convertirla en una estrella de neutrones y un agujero negro si es una estrella masiva.

En el átomo, el equilibrio se alcanza como consecuencia de que, los protones (los nucleones que forman el núcleo), están cargados positivamente, y, los electrones que orbitan a su alrededor, están cargadas eléctricamente con cargas negativas equivalentes, con lo cual, el equilibrio queda servido y se alcanza la estabilidad.

Diagrama de Kruskal-Szekeres para un agujero negro. Las rectas azules son superficies de tiempo constante. Las curvas verdes son superficies de radio constante. -Las regiones I y II (sólo la parte blanca) son el exterior y el interior de un agujero negro. -La región III es una región exterior al agujero negro “paralela”. -La región IV (sólo la parte blanca) es un agujero blanco. Las zonas grises adyacentes a las regiones II y IV son las singularidades.

          El agujero Blanco, al contrario del Agujero negro, en lugar de engullir materia la expulsaría

El agujero negro de Schwarzschild es descrito como una singularidad en la cual una geodésica puede sólo ingresar, tal tipo de agujero negro incluye dos tipos de horizonte: un horizonte “futuro” (es decir, una región de la cual no se puede salir una vez que se ha ingresado en ella, y en la cual el tiempo -con el espacio- son curvados hacia el futuro), y un horizonte “pasado”, el horizonte pasado tiene por definición la de una región donde es imposible la estancia y de la cual sólo se puede salir; el horizonte futuro entonces ya correspondería a un agujero blanco.

 Más lejos, más profundo, más simple

La perfección imperfecta

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Representar un Agujero negro no resulta nada fácil y, se hace de manera que aparezca en la imagen lo que se cree que podríamos ver en el caso de estar allí cerca, contemplando a uno de ellos, y, como existen varias formas teóricamente posibles de agujero negro, las representaciones que podemos contemplar pueden ser distintas las unas de las otras.

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 bajo su propio peso, cuando finalice su ciclo y consuma todo el combustible nuclear que la hace brillar, tendremos una estrella enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro.

Alrededor del agujero negro puede formarse un disco de acreción 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 onda de rayos X a medida que la materia está siendo engullida hacia la singularidad.  De hecho, estos rayos X pueden ser detectados por satélites en órbita. Se ha localizado una enorme fuente de 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.

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 estén 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 límite 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. He dicho al principio de este apartado que en 1.916, fue Schwarzschild el que marca el límite de este horizonte de sucesos para cualquier cuerpo celeste, magnitud conocida como radio de Schwarzschild que se denota por:

Donde M es la masa del agujero negro, G es la constante gravitacional de Newton, y c² es la velocidad de la luz elevada al cuadrado. Así, el radio de Schwarzschil para el Sol que tiene un diámetro de 1.392.530 Km, sería de sólo tres kilómetros, mientras que el de la Tierra es de 1 cm: si un cuerpo con la masa de la Tierra se comprimiera hasta el extremo de convertirse en una singularidad, la esfera formada por su horizonte de sucesos tendría el modesto tamaño de una bolita o canica de niños. Por otro lado, para una estrella de unas 10 masas solares el radio de Schwarzschild es de unos 30 kilómetros. Que para nuestro Sol, como he dicho antes, se quedaría en sólo tres kilómetros, tal es su grado de encogimiento sobre sí mismo.

Por otra parte, los acontecimientos que ocurren fuera del horizonte de sucesos en un agujero negro, tienen un comportamiento como cualquier otro objeto cósmico de acuerdo a la masa que presente. Por ejemplo, si nuestro Sol se transformara en un agujero negro, la Tierra seguiría con los mismos patrones orbitales que antes de dicha conversión del Sol en agujero negro.

Ahora bien, y en función de la fórmula anteriormente descrita, el horizonte de sucesos se incrementa en la medida que crece la masa del agujero a medida que atrae masa hacia él y se la traga introduciéndola en la singularidad. Las evidencias observacionales nos invitan a pensar que en muchos centros de galaxias se han formado ya inmensos agujeros negros supermasivos que han acumulado tanta masa (absorciones de materia interestelar y estrellas) que su tamaño másico estaría bordeando el millón de masas solares, pero su radio de Schwarzschil no supera ni las 20 UA (unidad astronómica = 150 millones de Km), mucho menor que nuestro sistema solar.

Comprender lo que es una singularidad puede resultar muy difícil para una persona alejada de la ciencia en sí.

    Aquí vemos brillar la singularidad con inusitada energía

Es un asunto bastante complejo el de la singularidad en sí misma, y para los lectores más alejados de los quehaceres de la física, será casi imposible aceptarla. En el pasado, no fue fácil su aceptación, a pesar de las conclusiones radicales que expuso Kart Schwarzschild en su trabajo inspirado en la teoría y ecuaciones de Einstein. De hecho, hasta el mismo Einstein dudó de la existencia de tales monstruos cosmológicos. Incluso durante largo tiempo, la comunidad científica lo consideró como una curiosidad teórica. Tuvieron que transcurrir 50 años de conocimientos experimentales y observaciones astronómicas para empezar a creer, sin ningún atisbo de duda, que los agujeros negros existían realmente.

El concepto mismo de “singularidad” desagradaba a la mayoría de los físicos, pues la idea de una densidad infinita se alejaba de toda comprensión.  La naturaleza humana está mejor condicionada a percibir situaciones que se caracterizan por su finitud, cosas que podemos medir y pesar, y que están alojadas dentro de unos límites concretos; serán más grande o más pequeñas pero, todo tiene un comienzo y un final pero… infinito, es difícil de digerir.  Además, en la singularidad, según resulta de las ecuaciones, ni existe el tiempo ni existe el espacio. Parece que se tratara de otro universo dentro de nuestro universo toda la región afectada por la singularidad que, eso sí, afecta de manera real al entorno donde está situada y además, no es pacífica, ya que se nutre de cuerpos estelares circundantes que atrae y engulle.

                              En el Universo existen aún muchos misterios que debemos desvelar

La noción de singularidad empezó a adquirir un mayor crédito cuando Robert Oppenheimer, junto a Hartlan S. Snyder, en el año 1.939 escribieron un artículo anexo de otro anterior de Oppenheimer sobre las estrellas de neutrones. En este último artículo, describió de manera magistral la conclusión de que una estrella con masa suficiente podía colapsarse bajo la acción de su propia gravedad hasta alcanzar un punto adimensional; con la demostración de las ecuaciones descritas en dicho artículo, la demostración quedó servida de forma irrefutable que una estrella lo suficientemente grande, llegado su final al consumir todo su combustible de fusión nuclear, continuaría comprimiéndose bajo su propia gravedad, más allá de los estados de enana blanca o de estrella de neutrones, para convertirse en una singularidad.

Los cálculos realizados por Oppenheimer y Snyder para la cantidad de masa que debía tener una estrella para terminar sus días como una singularidad estaban en los límites másicos de M =~ masa solar, estimación que fue corregida posteriormente por otros físicos teóricos que llegaron a la conclusión de que sólo sería posible que una estrella se transformara en singularidad, la que al abandonar su fase de gigante roja retiene una masa residual como menos de 2 – 3 masas solares.

Oppenheimer y Snyder desarrollaron el primer ejemplo explícito de una solución a las ecuaciones de Einstein que describía de manera cierta a un agujero negro, al desarrollar el planteamiento de una nube de polvo colapsante. En su interior, existe una singularidad, pero no es visible desde el exterior, puesto que está rodeada de un horizonte de suceso que no deja que nadie se asome, la vea, y vuelva para contarlo. Lo que traspasa los límites del horizonte de sucesos, ha tomado el camino sin retorno. Su destino irreversible, la singularidad de la que pasará a formar parte.

Desde entonces, muchos han sido los físicos que se han especializado profundizando en las matemáticas relativas a los agujeros negros. John Malher (que los bautizó como agujeros negros), Roger Reyrose, Stephen Hawking, Kip S. Thorne, Kerr y muchos otros nombres que ahora no recuerdo, han contribuido de manera muy notable al conocimiento de los agujeros negros, las cuestiones que de ellas se derivan y otras consecuencias de densidad, energía, gravedad, ondas gravitacionales, etc, que son deducidas a partir de estos fenómenos del cosmos.

Se afirma que las singularidades se encuentran rodeadas por un horizonte de sucesos, pero para un observador, en esencia, no puede ver nunca la singularidad desde el exterior. Específicamente implica que hay alguna región incapaz de enviar señales al infinito exterior. La limitación de esta región es el horizonte de sucesos, tras ella se encuentra atrapado el pasado y el infinito nulo futuro. Lo anterior nos hace distinguir que en esta frontera se deberían reunir las características siguientes:

– debe ser una superficie nula donde es pareja, generada por geodésicas nulas;

– contiene una geodésica nula de futuro sin fin, que se origina a partir de cada punto en el  que no es pareja, y que

– el área de secciones transversales espaciales jamás pueden disminuir a lo largo del tiempo.

Todo esto ha sido demostrado matemáticamente por Israel, 1.967; Carter, 1.971; Robinson, 1.975; y Hawking, 1.978 con límite futuro asintótico de tal espaciotiempo como el espaciotiempo de Kerr, lo que resulta notable, pues la métrica de Kerr es una hermosa y exacta formulación para las ecuaciones de vacío de Einstein y, como un tema que se relaciona con la entropía en los agujeros negros.

No resulta arriesgado afirmar que existen variables en las formas de las singularidades que, según las formuladas por Oppenheimer y su colaborador Snyder, después las de kerr y más tarde otros, todas podrían existir como un mismo objeto que se presenta en distintas formas o maneras.

Ahora bien, para que un ente, un objeto o un observador pueda introducirse dentro de una singularidad como un agujero negro, en cualquiera que fuese su forma, tendría que traspasar el radio de Schwarzschild (las fronteras matemáticas del horizonte de sucesos), cuya velocidad de escape es igual a la de la luz, aunque esta tampoco puede salir de allí una vez atrapada dentro de los límites fronterizos determinados por el radio. Este radio de Schwarzschild puede ser calculado usándose la ecuación para la velocidad de escape:

Para el caso de fotones u objeto sin masa, tales como neutrinos, se sustituye la velocidad de escape por la de la luz c².

La velocidad de escape está referida a la velocidad mínima requerida para escapar de un campo gravitacional. El objeto que escapa puede ser cualquier cosa, desde una molécula de gas a una nave espacial. Como antes he reflejado está dada por , donde G es la constante gravitacional, M es la masa del cuerpo y R es la distancia del objeto que escapa del centro del cuerpo del que pretende escapar (del núcleo). Un objeto que se mueva a velocidad menor a la de escape entra en una órbita elíptica; si se mueve a una velocidad exactamente igual a la de escape, sigue una órbita parabólica, y si el objeto supera la velocidad de escape, se mueve en una trayectoria hiperbólica.

Así hemos comprendido que, a mayor masa del cuerpo del que se pretende escapar, mayor será la velocidad que necesitamos para escapar de él. Veamos algunas:

Como se ve en el cuadro anterior, cada objeto celeste, en función de su masa, tiene su propia velocidad de escape para que cualquier cosa pueda salir de su órbita y escapar de él.

Para escapar de la atracción de un agujero negro se necesita ir más rápido que la luz, y, como sabemos, la velocidad de la luz, c, es el límite que marca el universo para poder desplazarse. así que,,, ¡Nada escapa de un agujero negro una vez traspasado el horizonte de suscesos·

La excepción está en el último ejemplo, la velocidad de escape necesaria para vencer la fuerza de atracción de un agujero negro que, siendo preciso superar la velocidad de la luz 299.792’458 Km/s, es algo que no está permitido, ya que todos sabemos que conforme determina la teoría de la relatividad especial de Einstein, la velocidad de la luz es la velocidad límite en nuestro universo; nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz, entre otras razones porque el objeto sufriría la transformación de Lorentz y su masa sería infinita.

Podría continuar explicando otros aspectos que rodean a los agujeros negros, pero estimo que el objetivo que perseguía de hacer conocer lo que creemos que  es un agujero negro y el origen del mismo, está sobradamente cumplido. De todas las maneras, no sería yo el que me presentara voluntario para visitar a uno de estos monstruos estelares de cuyas inmediaciones…hay que mantenerse alejados.

emilio silvera

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Ciencia

Confirman la existencia del horizonte de sucesos, el punto de no retorno de los agujeros negros

Un nuevo estudio apoya su presencia, después de no encontrar pruebas de que los agujeros negros tengan una superficie sólida

Cuando una estrella atraviesa el horizonte de sucesos es engullida y separada del Universo observable para siempre – Mark A. Garlick/CfA

La Teoría General de la Relatividad de Einstein dibuja un Universo extraño, donde la masa de las estrellas de neutrones deforman el espacio-tiempo y curvan los rayos de luz. Donde la materia se acumula en tal cantidad en algunos puntos, que nada puede frenar su colapso total, a causa de la atracción de la gravedad. En esos puntos, llamados agujeros negros, aparece una singularidad cuyos secretos la ciencia no puede explicar. Y en su entorno, la gran acumulación de masa que se forma es capaz incluso de atrapar la luz y desgarrar el tejido del espacio-tiempo. Esta última frontera, a partir de la cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar del agujero negro, es conocida como horizonte de sucesos. Es, sin duda, la frontera definitiva.

La propia naturaleza del horizonte de sucesos tiene a los científicos sumidos en la oscuridad, hasta tal punto que este límite sigue siendo hoy en día una frontera teórica. Este martes, un estudio publicado en la revista «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» ha presentado una nueva confirmación de la existencia de este horizonte de sucesos. Científicos de la Universidad de Texas, en Austin (EE.UU.) han simulado qué ocurriría si la superficie de los agujeros negros fuera sólida, y las estrellas chocasen contra ellas en vez de ser engullidas. La investigación, que ha concluido que deberíamos de haber observado las huellas de estas colisiones a través de los telescopios, se ha convertido en una nueva prueba de que la Relatividad de Einstein funciona a la hora de explicar el Universo.

«Nuestra intención era confirmar a través de experimentos la idea del horizontes de sucesos», ha dicho en un comunicado Pawan Kuwar, astrofísico en la Universidad de Texas.

Agujeros negros sólidos

 

 

 

 

Una forma de hacerlo es tener en cuenta una hipótesis que han planteado algunos científicos, y según la cual en realidad la superficie de los agujeros negros es sólida. ¿Qué pasaría si los agujeros acumularan enormes cantidades de masa pero no colapsaran? Una de las consecuencias es que serían sólidos, y que las estrellas atraídas por ellos no serían engullidas, sino que sencillamente quedarían destruidas en una colisión brutal.

 

«No queríamos afirmar que los agujeros tengan una superficie sólida», ha explicado Kumar. «Sino llevar al conocimiento hasta los límites y encontrar evidencias concretas de que, realmente, hay un horizonte de sucesos en los agujeros negros».

¿Cómo saberlo? Si nada puede escapar del horizonte de sucesos, ¿qué pruebas directas podemos obtener de su existencia? Unos astrónomos están tratando de obtener a primera imagen nítida del horizonte de sucesos del agujero negro supermasivo de la Vía Láctea, Sagitario A*. Pero Kumar y su equipo han probado una aproximación distinta: si los agujeros negros fueran sólidos, los telescopios deberían captar las explosiones generadas en los choques de las estrellas. Pero si no se encuentran es porque, en efecto, están rodeados por un horizonte de sucesos.

Explosiones en el espacio

 

Las simulaciones por ordenador concluyeron que si eso ocurriera, el gas de las estrellas moribundas cubriría el agujero negro durante meses, o quizás años, emitiendo importantes cantidades de energía. Como casi cada galaxia tiene en su centro un agujero negro supermasivo, este fenómeno debería poder verse con cierta frecuencia por ahí fuera.

 

«Estimamos la tasa de caída de estrellas hacia agujeros negros supermasivos», recordó Wenbin Lu, otro de los investigadores que ha participado en el estudio. «Casi cada galaxia tiene uno. Nosotros solo tuvimos en cuenta los más masivos, que superan los 100 millones de masas solares. De estos hay por lo menos un millón, en una distancia de tan solo miles de millones de años».

El telescopio Pan-STARRS, situado en Hawái, recogió datos útiles para saber si estas colisiones estaban ocurriendo en el espacio. Sus lentes observaron un importante área del cielo durante un periodo de 3,5 años, de busca de fenómenos transitorios («transients», en inglés), fenómenos que brillan durante un tiempo corto y luego se desvanecen.

«Nosotros calculamos cuántos de estos fenómenos transitorios habría captado el Pan-STARRS en un periodo de 3,5 años en su zona. Concluimos que debería de haber descubierto diez de ellos para justificar la teoría del agujero negro sólido», explicó Lu.

Pero, ¿cuántos fenómenos transitorios captó el Pan-STARRS? Ninguno.

«Nuestro trabajo implica que algunos agujeros negros, o quizás todos, tienen un horizonte de sucesos, y que la materia que cae en ellos realmente desaparece del Universo observable, tal como hemos considerado durante décadas», ha concluido Narayan. Por eso, ha dicho: «La Relatividad General ha pasado otra prueba». Por si acaso, estos investigadores usarán un telescopio más potente para seguir buscando este tipo de fenómenos transitorios.

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Agujeros Negros

Logran fotografiar por primera vez el agujero negro del centro de nuestra galaxia

 

Sin embargo, la imagen que acompaña a este impactante titular es una ilustración. ¿Por qué? Más detalles -incluyendo la participación española en esta gesta científica- en el interior de la noticia.

 

Ilustración de un agujero negro. NASA / JPL

esta es la región en la que se encuentra Sagitario A

El titular de esta noticia anuncia que, por primera vez, se ha logrado fotografiar un agujero negro pero la imagen que lo acompaña es simplemente una ilustración. Pero eh, no se marchen todavía: esa foto existe, ha sido tomada por el Event Horizon Telescope (EHT) a lo largo de diez días y, aparentemente, representa a Sagitario A*, el agujero negro supermasivo ubicado en el centro de nuestra Vía Láctea.

La imagen, según sus responsables, está siendo sometida a investigación, pero se espera que para finales de 2017 la anhelada foto se haga pública. Por hacer un símil fotográfico, la imagen del agujero negro es como una Polaroid que tendremos que agitar durante unos meses para ver si representa con exactitud lo que queríamos fotografiar o si se ve borrosa.

Pese a tener una masa equivalente a cuatro millones de soles, Sagitario A* fue un desconocido hasta mediados de los años setenta, cuando Bruce Balick y Robert Brown descubrieron que algo perturbaba la órbita de una estrella cercana, S2. Pese a las sospechas, no pudieron identificar inmediatamente que fuese un agujero negro.

Hubo que esperar hasta 2002, cuando el alemán Reinhard Genzel reveló que hablábamos de un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia. “¿Pueden ser los agujeros negros y las galaxias dos sistemas que se alimentan el uno al otro con un intercambio de gas y radiación?”, declaró Genzel en entrevista con EL ESPAÑOL, “vamos teniendo evidencia ahora de que esto es así, es fascinante lo que estamos aprendiendo: parece ser una relación cercana, pero aún no sabemos si fue primero el huevo o la gallina”.

Así se hizo la foto

Hasta el momento, lo más cercano que tenemos para ver el citado agujero negro es esta imagen del Observatorio Europeo Austral, en el que el efecto gravitatorio de Sagitario A* lleva a una nube de polvo a moverse en dirección al agujero negro desde el punto azul (2006) al verde (2010) y finalmente al rojo (2013).

Una nube de gas desplazada del punto azul (2006) al rojo (2013) por Sagitario A*. ESO / S. Gillessen

 

Otro reciente intento de enmarcar al esquivo agujero negro es éste, de la NASA, con telescopios de rayos X. Lo que brilla en este caso es un fogonazo de actividad que brota de las nubes de gas que rodean al agujero.

 

Arriba a la derecha, imagen destacada de Sagitario A*. NASA

 

La anhelada fotografía del agujero negro ocupa el trozo de espacio entre Sagitario A* y sus alrededores hasta la ‘cercana’ galaxia M87 y está almacenada en 4.024 discos duros. Se ha tomado desde ocho radio telescopios de alta frecuencia ubicados en altiplanos o montañas de distintas partes del mundo, entre ellos el Telescopio de 30 metros que tenemos situado en el Pico Veleta, en Sierra Nevada.

Por qué es tan difícil fotografiar un agujero negro

En primer lugar, porque son muy pequeños. Sagitario A* tiene una masa equivalente a cuatro millones de soles, pero su tamaño es tan sólo 17 veces mayor que nuestra estrella más cercana, y eso, a 25.000 años luz de distancia, no es nada.

A este problema hay que añadir otro, que un agujero negro es espacio vacío y que, con una concentración semejante de masa en tan poco espacio, su fuerza gravitatoria es tan grande que atrae toda la luz a su alrededor.

La combinación de varios telescopios recogiendo datos en distintos puntos del globo resolvió un problema, pero generó otro: ¿Cómo combinar tantos y tan variados conjuntos de datos sobre el espacio? Porque en realidad, si este año logramos ver finalmente la imagen de un agujero negro es gracias a un algoritmo, llamado CHIRP y generado en el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) por Katie Bouman, una joven doctoranda en informática, y su equipo.

Cuando tomamos una fotografía panorámica con el móvil, lo que va haciendo la cámara es tomar distintas fotos y superponerlas como parches. CHIRP hace algo parecido, aunque con un nivel de complejidad supremo: millones de datos sobre el espacio mezclados, que se confunden con la composición de nuestra propia atmósfera y que además fueron recogidos en momentos diferentes.

Incluso si esta foto acaba siendo más cutre de lo esperado, para los astrofísicos tendrá un enorme valor porque podrá servir para comprobar si las teorías de Albert Einstein sobre la gravedad siguen siendo válidas en un espacio tan extremo como los alrededores de un agujero negro.

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