¿Qué es el escape de un agujero negro?
Nota: Cuando el volumen del espacio es infinitamente pequeño (puede ser considerado 0), la masa inyectada Al acercarse al infinito, ¿existen realmente los agujeros negros cuando el campo magnético se intensifica hasta el infinito?
¿O el resultado final de la materia será un campo infinito en lugar de energía?
Fenómenos interesantes alrededor de los agujeros negros
Antes de leer el siguiente conocimiento científico complejo sobre los agujeros negros, primero comprenda dos fenómenos interesantes que ocurren alrededor de los agujeros negros. Según la relatividad general, cuanto más fuerte es la gravedad, más lento pasa el tiempo. Cuanto menor es la gravedad, más rápido pasa el tiempo. Debido a que nuestra Tierra tiene una masa pequeña, la gravedad no cambia mucho de un lugar a otro, por lo que la diferencia horaria no es grande. Por ejemplo, la cima y la base del Himalaya están separadas por sólo unos cientos de miles de millones de segundos. Debido a que el agujero negro tiene una masa enorme y la gravedad cambia mucho de un lugar a otro, el intervalo de tiempo también es muy grande. Si el Himalaya estuviera alrededor de un agujero negro, cuando un grupo de escaladores partió desde la base de la montaña, digamos en 2005. Cuando llegaron a la cima, descubrieron que el pico fue en el año 2000.
Otro fenómeno interesante es que según la teoría general de la relatividad, cuanto más fuerte es la gravedad, más lento es el tiempo y más corta es la longitud del objeto. Si la Vía Láctea es atraída por un agujero negro, se convertirá en algo del tamaño de un grano de arroz en el proceso de ser absorbido. Todo en la galaxia, incluida la Tierra, se ha reducido en la misma proporción. Entonces, a los ojos de la gente de la Tierra, la Vía Láctea todavía es enorme. La gente en la Tierra todavía va a trabajar y estudiar como de costumbre, como en circunstancias normales. Porque, en su opinión, las personas y los objetos que los rodean tienen el mismo tamaño y proporción que ellos. No sabían que todo esto estaba sucediendo en un mundo de hasta un metro de tamaño.
Debido a la enorme atracción gravitacional alrededor de un agujero negro, nada puede permanecer allí por mucho tiempo. Si la Vía Láctea fuera atraída por un agujero negro, los habitantes de la Tierra sólo tendrían unos segundos para experimentar el primer fenómeno.
Primero, explica la imagen de un agujero negro:
Un agujero negro tiene una fuerza gravitacional enorme e incluso la luz se siente atraída por él. Hay un enorme campo gravitacional escondido en el agujero negro. Este campo gravitacional es tan grande que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de la palma del agujero negro. Un agujero negro no permite que el mundo exterior vea nada dentro de sus límites, razón por la cual estos objetos se denominan "agujeros negros". No podemos observarlo a través del reflejo de la luz y sólo podemos conocer un agujero negro indirectamente a través de los objetos que lo rodean y que se ven afectados por él. Se especula que los agujeros negros son restos de estrellas muertas o nubes de gas en explosión, creadas cuando colapsó una supergigante masiva especial.
Explícalo desde una perspectiva física:
Un agujero negro es en realidad un planeta (similar a un planeta), pero su densidad es muy, muy alta, y los objetos cercanos a él lo harán. Estar limitado por su gravedad (es decir, al igual que la gente en la Tierra no puede volar), no importa qué tan rápido vayas, no podrás escapar. Para la Tierra, volar a la velocidad del segundo universo (11,2 km/s) puede escapar de la Tierra, pero para un agujero negro, la velocidad del segundo universo excede la velocidad de la luz, por lo que ni siquiera la luz puede escapar, por lo que el entrante. la luz no se refleja y nuestros ojos no ven más que oscuridad.
Debido a que los agujeros negros son invisibles, algunas personas siempre se han preguntado si los agujeros negros realmente existen. Si realmente existen, ¿dónde están?
El proceso de un agujero negro es similar al de una estrella de neutrones. El núcleo de la estrella se contrae rápidamente por su propio peso y explota violentamente. Cuando toda la materia del núcleo se convierte en neutrones, el proceso de contracción se detiene inmediatamente y se comprime formando un planeta denso. Pero en el caso de un agujero negro, debido a que la masa del núcleo de la estrella es tan grande que el proceso de contracción continúa sin fin, los propios neutrones se muelen hasta convertirlos en polvo bajo la atracción de la gravedad misma, y lo que queda es materia con una densidad inimaginable. Todo lo que se acerque a él será absorbido y el agujero negro se convertirá en una especie de aspiradora.
Para comprender la dinámica de los agujeros negros y cómo impiden que todo lo que hay en su interior escape de sus límites, debemos analizar la relatividad general. La relatividad general es la teoría de la gravedad creada por Einstein y se aplica a planetas, estrellas y agujeros negros. Esta teoría, propuesta por Einstein en 1916, explica cómo el espacio y el tiempo se distorsionan ante la presencia de objetos masivos. En pocas palabras, la relatividad general dice que la materia curva el espacio y la curvatura del espacio, a su vez, afecta el movimiento de los objetos que se mueven a través del espacio.
Veamos cómo funciona el modelo de Einstein.
Primero considere que el tiempo (las tres dimensiones del espacio son largo, ancho y alto) es la cuarta dimensión en el mundo real (aunque es difícil dibujar otra dirección además de las tres direcciones habituales, puede intentar imaginarla). En segundo lugar, consideremos que el espacio-tiempo es la superficie de un enorme lecho de muelles tenso que se utiliza en actuaciones de gimnasia.
La teoría de Einstein afirma que la masa curva el tiempo y el espacio. También podríamos poner una piedra grande sobre el lecho del somier para ilustrar esta escena: el peso de la piedra hace que el tenso lecho se hunda un poco. Aunque la superficie del somier es básicamente plana, el centro es ligeramente cóncavo. Si pones más piedras en el centro del somier, tendrá un mayor efecto y hará que la cama se hunda más. De hecho, cuantas más piedras haya, más se flexionará el lecho de muelles.
Del mismo modo, los objetos masivos en el universo distorsionarán la estructura del universo. Así como 10 piedras pueden doblar un lecho de resortes más que 1 piedra, un objeto con una masa mucho mayor que el sol puede doblar el espacio más que un objeto con una masa de un sol o menos.
Si se hace rodar una pelota de tenis sobre un lecho de resortes tenso, se moverá en línea recta. Por el contrario, si pasa por un lugar cóncavo, su recorrido es arqueado. Del mismo modo, los cuerpos celestes seguirán moviéndose en línea recta al pasar por zonas planas del espacio-tiempo, mientras que los cuerpos celestes que pasen por zonas curvas se moverán en trayectorias curvas.
Ahora observemos el impacto de un agujero negro en la región espacio-temporal circundante. Imaginemos colocar una piedra muy pesada sobre un lecho de manantiales para representar un agujero negro muy denso. Naturalmente, las piedras tendrán un gran impacto en la superficie de la cama, no solo provocando que la superficie se doble y se hunda, sino que también provocarán que la superficie de la cama se rompa. Una situación similar puede ocurrir en el universo. Si existieran agujeros negros en el universo, la estructura del universo se desgarraría. Esta ruptura en el tejido del espacio-tiempo se llama singularidad o singularidad espacio-temporal.
Ahora veamos por qué nada puede escapar de un agujero negro. Así como una pelota de tenis que rueda sobre un colchón de resortes cae en un agujero profundo creado por una gran roca, un objeto que pasa a través de un agujero negro quedará atrapado en su trampa gravitacional. Además, rescatar objetos siniestros requiere energía ilimitada.
Como ya hemos dicho, nada puede entrar en un agujero negro y escapar de él. Pero los científicos creen que los agujeros negros liberan energía lentamente. El famoso físico británico Hawking demostró en 1974 que los agujeros negros tienen una temperatura distinta de cero y son más calientes que su entorno. Según los principios de la física, todos los objetos con una temperatura superior a la de su entorno liberarán calor, y los agujeros negros no son una excepción. Un agujero negro emitirá energía durante millones de billones de años. La energía liberada por el agujero negro se llama radiación de Hawking. Cuando un agujero negro disipa toda su energía, desaparece.
El agujero negro entre el espacio y el tiempo ralentiza el tiempo y hace que el espacio sea elástico, mientras se traga todo lo que pasa a través de él. En 1969, el físico estadounidense John Wheeler llamó a este insaciable espacio "agujero negro".
Todos sabemos que un agujero negro es invisible porque no puede reflejar la luz. En nuestra mente, los agujeros negros pueden parecer distantes y oscuros. Pero el famoso físico británico Hawking cree que los agujeros negros no son tan negros como la mayoría de la gente piensa. Según las observaciones de los científicos, hay radiación alrededor del agujero negro y es probable que provenga del agujero negro, lo que significa que es posible que el agujero negro no sea tan negro como se imaginaba. Hawking señaló que la fuente de material radiactivo de los agujeros negros son un tipo de partículas sólidas que se forman en pares en el espacio y no siguen las leyes físicas habituales. Además, después de que estas partículas colisionen, algunas desaparecerán en el vasto espacio. En términos generales, es posible que no tengamos la oportunidad de ver estas partículas antes de que desaparezcan.
Hawking también señaló que cuando se produce un agujero negro, las partículas reales aparecerán en pares en consecuencia. Una de las partículas reales será absorbida por el agujero negro, otra escapará y un montón de partículas reales que escapen parecerán fotones. Para un observador, ver escapar partículas reales es como ver la luz de un agujero negro.
Para citar a Hawking, "un agujero negro no es tan negro como se cree". En realidad, emite una gran cantidad de fotones.
Según la ley de conservación de la energía y la masa de Einstein. Cuando un objeto pierde energía, también pierde masa. Los agujeros negros también obedecen a las leyes de conservación de la energía y la masa. Cuando un agujero negro pierde energía, deja de existir. Hawking predijo que en el momento en que el agujero negro desaparezca, se producirá una violenta explosión, liberando energía equivalente a un millón de bombas de hidrógeno.
Pero no mires con anticipación y pienses que verás un espectáculo de fuegos artificiales. De hecho, después de que un agujero negro explota, la energía liberada es muy grande y puede ser perjudicial para el cuerpo. Además, el tiempo de liberación de energía también es muy largo, entre mil millones y 20 mil millones de años, lo que es más largo que la historia de nuestro universo. Se necesitarán billones de años para que la energía se disipe por completo.
El "agujero negro" se imagina fácilmente como un "gran agujero negro", pero no lo es. El llamado "agujero negro" es un cuerpo celeste cuyo campo gravitacional es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar.
Según la relatividad general, los campos gravitacionales curvan el espacio-tiempo. Cuando una estrella es grande, su campo gravitacional tiene poco impacto en el espacio-tiempo, y la luz emitida desde un determinado punto de la superficie de la estrella puede emitirse en cualquier dirección en línea recta. Cuanto menor sea el radio de la estrella, mayor será el efecto de curvatura en el espacio-tiempo circundante, y la luz emitida en ciertos ángulos regresará a la superficie de la estrella a lo largo del espacio curvo.
Cuando el radio de la estrella es inferior a un determinado valor (llamado "radio de Schwarzschild" en astronomía), la luz emitida por el plano vertical será incluso captada. En este punto, la estrella se convierte en un agujero negro. Llamarlo "negro" significa que una vez que algo cae, nada puede escapar, incluida la luz. De hecho, los agujeros negros son realmente "invisibles", de lo que hablaremos más adelante.
La formación de agujeros negros
Al igual que las enanas blancas y las estrellas de neutrones, es probable que los agujeros negros evolucionen a partir de estrellas.
Cuando una estrella envejece, sus reacciones termonucleares han agotado el combustible (hidrógeno) del centro, y la energía generada en el centro está casi agotada. De esta manera ya no es lo suficientemente fuerte para soportar el enorme peso de la maleta. Por lo tanto, bajo la fuerte presión de la capa exterior, el núcleo comienza a colapsar hasta que finalmente se forma una estrella pequeña y densa, que es capaz de equilibrar la presión nuevamente.
Las estrellas con masas más pequeñas evolucionan principalmente hacia enanas blancas, mientras que las estrellas con masas más grandes pueden formar estrellas de neutrones. Según los cálculos de los científicos, la masa total de una estrella de neutrones no puede ser superior a tres veces la masa del sol. Si excede este valor, no habrá fuerza para competir con su propia gravedad y se producirá otro gran colapso.
Esta vez, según especulan los científicos, la materia avanzará inexorablemente hacia el punto central hasta convertirse en un pequeño volumen y tiende a ser muy denso. Y cuando su radio se reduce hasta cierto punto (debe ser menor que el radio de Schwarzschild), como mencionamos anteriormente, la enorme gravedad impide incluso que se emita luz, cortando así todas las conexiones entre la estrella y el mundo exterior - a El " "Agujero negro" nació.
Además de los agujeros negros que pueden formarse en los extremos de las estrellas, también existe un tipo especial de agujero negro: un agujero negro cuántico. Este tipo de agujero negro es muy especial. Su radio de Schwarzschild es muy pequeño, que puede alcanzar menos veinte veces diez al cuadrado, que es más pequeño que un átomo. A diferencia de los agujeros negros ordinarios, no se forman por el colapso de estrellas masivas, sino por el colapso de átomos, por lo que sólo existe una condición para la creación de un agujero negro cuántico: el Big Bang. En el universo primitivo, enormes temperaturas y presiones comprimieron átomos individuales o grupos de átomos en muchos agujeros negros cuánticos. Este tipo de agujero negro es casi imposible de observar o descubrir y actualmente sólo existe en teoría.
Agujeros negros especiales
Comparados con otros cuerpos celestes, los agujeros negros son demasiado especiales. Por ejemplo, los agujeros negros son invisibles y no pueden observarse directamente. Incluso los científicos sólo pueden hacer varias conjeturas sobre sus estructuras internas. Entonces, ¿cómo se esconden los agujeros negros? La respuesta es: espacio curvo. Como todos sabemos, la luz viaja en línea recta. Esto es sentido común básico. Pero según la relatividad general, el espacio se curvará bajo la influencia del campo gravitacional. En este momento, aunque la luz todavía viaja a lo largo de la distancia más corta entre dos puntos cualesquiera, no es una línea recta, sino una curva. En sentido figurado, parece que la luz debería viajar en línea recta, pero la fuerte gravedad la aleja de su dirección original.
En la Tierra, esta curvatura es pequeña porque el campo gravitacional es pequeño. Alrededor de un agujero negro, esta deformación espacial es muy grande. De esta forma, incluso si la luz emitida por la estrella es bloqueada por el agujero negro, aunque parte de ella caerá en el agujero negro y desaparecerá, la otra parte de la luz evitará el agujero negro en el espacio curvo y alcanzará el tierra. Así podemos observar fácilmente el cielo estrellado detrás del agujero negro, como si el agujero negro no existiera. Esta es la invisibilidad de los agujeros negros.
Lo que es aún más interesante es que algunas estrellas no sólo envían energía luminosa directamente a la Tierra, sino que también envían luz en otras direcciones. Esta luz puede ser refractada por la fuerte gravedad de los agujeros negros cercanos y llegar a la Tierra. . De esta forma, no sólo podremos ver la “cara” de la estrella, sino también su costado e incluso su espalda!
Los "agujeros negros" son sin duda una de las teorías astronómicas más desafiantes y apasionantes de este siglo. Muchos científicos están trabajando arduamente para desentrañar su misterio y constantemente se proponen nuevas teorías. Sin embargo, estos últimos resultados de la astrofísica contemporánea no se pueden explicar aquí claramente en pocas palabras. Los amigos interesados pueden consultar los trabajos especiales.
Los agujeros negros se pueden dividir en dos categorías según su composición. Uno es un agujero negro de energía oscura y el otro es un agujero negro físico.
Los agujeros negros de energía oscura se componen principalmente de una enorme energía oscura que gira a gran velocidad y no hay una masa enorme en su interior. La enorme energía oscura gira a una velocidad cercana a la velocidad de la luz, creando una enorme presión negativa en su interior y tragando objetos, formando así un agujero negro. Consulte "Teoría del universo de los agujeros negros" para obtener más detalles. Los agujeros negros de energía oscura son la base para la formación de galaxias, así como de cúmulos de galaxias y cúmulos de galaxias. Un agujero negro físico se forma por el colapso de uno o más cuerpos celestes y tiene una masa enorme. Cuando la masa de un agujero negro físico es igual o mayor que la masa de una galaxia, lo llamamos agujero negro singular. Los agujeros negros de energía oscura son muy grandes y pueden llegar a ser tan grandes como el sistema solar. Pero los agujeros negros físicos son muy pequeños y pueden convertirse en singularidades.
Acreción
Los agujeros negros a menudo se descubren porque se acumulan alrededor del gas y producen radiación, un proceso llamado acreción. La eficiencia con la que el gas a alta temperatura irradia energía térmica afectará seriamente las características geométricas y dinámicas del flujo de acreción. Se han observado discos delgados con alta eficiencia de radiación y discos gruesos con baja eficiencia de radiación. A medida que el gas en acreción se acerca al agujero negro central, su radiación es extremadamente sensible a la rotación del agujero negro y a la presencia de un horizonte de sucesos. Los análisis fotométricos y espectroscópicos de agujeros negros en acreción proporcionan pruebas sólidas de la existencia de agujeros negros en rotación y horizontes de sucesos. Las simulaciones numéricas también muestran que a menudo se producen chorros relativistas en los agujeros negros en acreción, impulsados en parte por la rotación del agujero negro.
Los astrofísicos usan la palabra "acreción" para describir el flujo de materia hacia un cuerpo gravitacional central o un sistema de materia que se extiende centralmente. La acreción es uno de los procesos más comunes en astrofísica, y es precisamente a causa de la acreción que se forman muchas estructuras comunes a nuestro alrededor. En el universo primitivo, las galaxias se formaban cuando el gas fluía hacia los centros de los pozos de potencial gravitacional causados por la materia oscura. Incluso hoy en día, las estrellas se forman a partir de nubes de gas que colapsan y se fragmentan bajo su propia gravedad, y luego se acumulan a partir del gas circundante. Los planetas, incluida la Tierra, también se formaron a partir de la acumulación de gas y rocas alrededor de estrellas recién formadas. Pero cuando el objeto central es un agujero negro, la acreción es más espectacular.
Sin embargo, los agujeros negros no lo absorben todo. También emiten protones al exterior.
Explosión de agujeros negros
Los agujeros negros brillarán, se reducirán de tamaño e incluso explotarán. Cuando el físico británico Stephen Hawking acuñó este lenguaje en 1974, toda la comunidad científica quedó consternada. Alguna vez se pensó que los agujeros negros eran el destino final del universo: nada podía escapar de ellos. Devoran gas y estrellas, aumentando su masa, por lo que el volumen del vacío sólo aumenta. La teoría de Hawking es un salto de pensamiento impulsado por la inspiración. Combinó la relatividad general y la teoría cuántica. Descubrió que el campo gravitacional alrededor de un agujero negro libera energía, consumiendo simultáneamente la energía y la masa del agujero negro. Esta "radiación de Hawking" es insignificante para la mayoría de los agujeros negros, mientras que los agujeros negros pequeños irradian energía a velocidades extremadamente altas hasta que el agujero negro explota.
Maravillosos agujeros negros cada vez más pequeños
Cuando una partícula escapa de un agujero negro sin devolver la energía prestada, el agujero negro perderá una cantidad igual de energía de su campo gravitacional, fórmula E de Einstein Stein = MC 2 establece que una pérdida de energía resultará en una pérdida de masa. Entonces el agujero negro se volverá más ligero y más pequeño.
Hervir hasta la destrucción
Todos los agujeros negros se evaporan, pero los agujeros negros grandes hierven muy lentamente y su radiación es débil y difícil de detectar. Pero a medida que el agujero negro se hace más pequeño, este proceso se acelera y eventualmente se sale de control. A medida que un agujero negro se vuelve insignificante, la gravedad se vuelve más pronunciada, produciendo más partículas que escapan y robando más energía y masa del agujero negro. El agujero negro se vuelve cada vez más trivial, lo que hace que la tasa de evaporación sea cada vez más rápida y el aura circundante se vuelve más brillante y caliente. Cuando la temperatura alcance los 10 o 15 grados centígrados, el agujero negro será destruido por una explosión.
Artículo sobre agujeros negros:
Desde la antigüedad, los seres humanos han soñado con volar hacia el cielo azul, pero nadie sabe que hay un enorme espacio negro más allá del cielo azul. . Hay luz, agua y vida en este espacio. Nuestra hermosa tierra es una de ellas. Aunque el universo es tan colorido, también es peligroso. Asteroides, gigantes rojas, explosiones de supernovas, agujeros negros...
Los agujeros negros, como su nombre indica, son sustancias invisibles con superatracción. Desde que Einstein y Hawking especularon y teorizaron sobre la existencia de esta sustancia, los científicos han estado buscando evitar la destrucción de nuestro planeta.
La relación entre los agujeros negros y la destrucción de la Tierra
Un agujero negro es en realidad una masa de material con una fuerte fuerza gravitacional (no se ha encontrado ningún material con una fuerza gravitacional más fuerte) hasta ahora), formando un pozo profundo. Se forma por el continuo colapso de una estrella muy masiva y densa.
Cuando el núcleo material dentro de una estrella es extremadamente inestable, se formará un punto aislado llamado "singularidad" (consulte la teoría general de la relatividad de Einstein para obtener más detalles). Absorbe todo lo que entra en su horizonte y nada puede escapar de él (incluida la luz). No tiene una forma específica y no se puede ver. Sólo pudo determinar su existencia basándose en la orientación de los planetas circundantes. Tal vez grites de horror por su misterio, pero no hay necesidad de preocuparte demasiado. Aunque tiene un gran atractivo, también es una prueba importante para juzgar su estado. Incluso si tuviera un impacto en material muy cercano a la Tierra, todavía tendríamos mucho tiempo para salvarlo porque sus "límites oficiales" todavía estarían lejos de nosotros en ese punto. Y la mayoría de las estrellas se convertirán en estrellas de neutrones o enanas blancas después de colapsar. Pero esto no significa que podamos relajar nuestra vigilancia (¿quién sabe si seremos absorbidos en el próximo momento?), que es una de las razones por las que los humanos lo estudian.
Las estrellas, las enanas blancas, las estrellas de neutrones, los quarks y los agujeros negros son cinco tipos de estrellas con densidades similares. Por supuesto, las estrellas son las menos densas y los agujeros negros son la forma suprema de materia. BIGBANG ocurrirá después del agujero negro y comenzará un nuevo ciclo después de que se libere la energía.
Además, un agujero negro es un lugar donde se pierden los correos electrónicos o los anuncios de grupos de noticias en una red.
Proponen el nombre de agujero negro
El término agujero negro apareció no hace mucho. Es un nombre acuñado por el científico estadounidense John Wheeler en 1969 para describir una idea que se remonta al menos a 200 años atrás. En ese momento, había dos teorías de la luz: una era la teoría de las partículas ligeras de Newton; la otra era la teoría ondulatoria de la luz. Ahora sabemos que, de hecho, ambas cosas son correctas. Debido a la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica, la luz puede considerarse tanto una onda como una partícula. En la teoría ondulatoria de la luz, no está claro cómo reacciona la luz a la gravedad. Pero si la luz estuviera formada por partículas, uno esperaría que se vieran afectadas por la gravedad, como las balas de cañón, los cohetes y los planetas. Inicialmente se pensaba que las partículas de luz viajan infinitamente rápido y por lo tanto la gravedad no podía frenarlas, pero el descubrimiento de Romay de que la velocidad de la luz es finita demostró que la gravedad podría tener una influencia significativa sobre ella.
En 1783, John Mitchell, el superintendente de Cambridge, publicó un artículo basado en esta hipótesis en la "Philosophical Magazine" de la Royal Society de Londres. Señaló que una estrella con suficiente masa y compacidad tendría un campo gravitacional tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar: cualquier luz emitida desde la superficie de la estrella será gravitada por la gravedad de la estrella antes de alcanzar la distancia. Michel sugiere que puede haber una gran cantidad de estrellas de este tipo y, aunque no podemos verlas porque su luz no nos llega, aún podemos sentir su gravedad. Esto es lo que hoy llamamos agujero negro. Es literalmente un agujero negro en el espacio. Unos años más tarde, al científico francés Marqués de Laplace aparentemente se le ocurrió por sí solo una idea similar a la de Michel. Curiosamente, Laplace sólo incluyó esta idea en la primera y segunda edición de su Sistema Mundial, y la eliminó en ediciones posteriores. Quizás pensó que era una idea estúpida. (Además, la teoría de las partículas de la luz se volvió impopular en el siglo XIX; parecía que todo podía explicarse mediante la teoría ondulatoria y, según ésta, no está claro si la luz se ve afectada por la gravedad).
De hecho, debido a que la velocidad de la luz es fija, es realmente inconsistente tratar la luz como una bala de cañón en la teoría de la gravitación universal de Newton. (Una bala de cañón disparada desde el suelo se desacelera debido a la gravedad y finalmente deja de elevarse y regresa al suelo; sin embargo, un fotón debe continuar ascendiendo a una velocidad constante, entonces, ¿cómo afecta la gravedad newtoniana a la luz? Hasta que Einstein propuso la teoría general de la relatividad en 1915. Anteriormente no existía una teoría sobre cómo la gravedad afecta la coordinación de la luz, y no fue hasta mucho más tarde que se entendieron las implicaciones de esta teoría para las estrellas masivas.
Para entender cómo funcionan los agujeros negros. Primero debemos entender el ciclo de vida de las estrellas. Al principio, una gran cantidad de gas (principalmente hidrógeno) es atraída por su propia gravedad y comienza a colapsar formando una estrella. A medida que se encoge, los átomos del gas chocan más entre sí. y con mayor frecuencia, y finalmente la temperatura del gas aumenta, el gas se calienta tanto que cuando los átomos de hidrógeno chocan, no rebotan, sino que se fusionan para formar helio, y el calor liberado en la reacción hace que la estrella brille. La presión del gas aumenta hasta que es suficiente para equilibrar la fuerza de la gravedad, momento en el que el gas deja de contraerse. Esto es un poco como un globo: hay un equilibrio entre la presión del aire interna que intenta expandir el globo y. la tensión de la goma intentando contraerla.
El equilibrio de calor y gravedad producido por las reacciones nucleares mantiene a las estrellas en este equilibrio durante largos períodos de tiempo. Sin embargo, con el tiempo la estrella se quedará sin hidrógeno y otros combustibles nucleares. Parece ridículo, pero no lo es. Cuanto más combustible tiene inicialmente una estrella, más rápido se quema. Esto se debe a que cuanto más masiva es una estrella, más caliente debe estar para resistir la gravedad. Cuanto más calor hace, más rápido consume su combustible. Nuestro sol puede arder durante más de 5 mil millones de años, pero las estrellas con mayor masa pueden agotar su combustible en tan solo 654,38 mil millones de años, que es mucho más corto que la edad del universo. Cuando una estrella se queda sin combustible, comienza a enfriarse y encogerse. Lo que ocurrió después no se entendió por primera vez hasta finales de los años veinte.
En 1928, la estudiante de posgrado india Saramani Ann Chandraseka tomó un barco hasta Cambridge, Inglaterra, y siguió al astrónomo británico Sir Arthur Eddington (la teoría (o) de la relatividad general). Según los registros, a principios de la década de 1920, un periodista le dijo a Eddington que había oído que sólo había tres personas en el mundo que entendían la relatividad general. Eddington hizo una pausa y luego respondió: "Me pregunto quién será esta tercera persona". ) Durante un viaje de la India a Inglaterra, Chandrasekhar calculó el tamaño que podría tener una estrella para seguir desafiando su propia gravedad y sostenerse después de quedarse sin combustible. La idea es que a medida que las estrellas se hacen más pequeñas y las partículas de materia se acercan, sus velocidades deben ser muy diferentes debido al Principio de Exclusión de Pauli. Esto hace que se separen unos de otros en un intento de expandir la estrella. Las estrellas son capaces de mantener un radio constante debido al equilibrio de gravedad y repulsión causado por el principio de exclusión, del mismo modo que la gravedad se equilibra con el calor en las primeras etapas de la vida.
Sin embargo, Chandrasekhar se dio cuenta de la incompatibilidad. Hay límites para la fuerza repulsiva proporcionada por el principio. La diferencia máxima de velocidad de las partículas dentro de una estrella está limitada por la teoría de la relatividad a la velocidad de la luz. Esto significa que cuando una estrella se vuelve lo suficientemente densa, la fuerza repulsiva causada por el principio de exclusión se vuelve menor que la fuerza repulsiva causada por la gravedad. Chandrasekhar calculó que una estrella fría con una masa de aproximadamente 1,5 veces la del Sol no puede sostenerse por su propia gravedad. (Esta masa ahora se conoce como límite de Chandrasekhar). El científico soviético Lev Davidovich Landau hizo un descubrimiento similar aproximadamente al mismo tiempo.
Esto es de gran importancia para el destino final de las estrellas masivas. Si una estrella es menos masiva que el límite de Chandrasekhar, eventualmente dejará de encogerse y se convertirá en una "enana blanca" con un radio de varios miles de kilómetros y una densidad de varios cientos de toneladas por pulgada cúbica. Las enanas blancas se mantienen sostenidas por las fuerzas repulsivas de los electrones en su materia. Hemos observado una gran cantidad de estas enanas blancas. El primer planeta observado orbitaba Sirio, la estrella más brillante del cielo nocturno.
Landau señaló que existe otro posible estado final de las estrellas. Su masa final es aproximadamente una o dos veces la del Sol, pero su tamaño es incluso menor que el de una enana blanca. Estas estrellas son sostenidas por la fuerza repulsiva del principio de exclusión de neutrones y protones, en lugar de la fuerza repulsiva entre electrones. Por eso se les llama estrellas de neutrones. Tienen un radio de sólo unos 16 kilómetros y una densidad de varios cientos de millones de toneladas por pulgada cúbica. Cuando se predijeron por primera vez las estrellas de neutrones, no había forma de observarlas. De hecho, no fueron observados hasta mucho más tarde.
Por otro lado, surge un gran problema cuando estrellas con masas superiores al límite de Chandrasekhar se quedan sin combustible: en algunos casos, explotan o expulsan suficiente material como para reducir su masa por debajo del límite para evitar catástrofes. colapso gravitacional. Pero es difícil creer que esto suceda sin importar cuán grande sea la estrella. ¿Cómo sabes que es necesario bajar de peso? Incluso si cada estrella intenta perder suficiente peso para evitar el colapso, ¿qué sucede si se agrega más masa a una enana blanca o a una estrella de neutrones, empujándola más allá de su límite? ¿Colapsará hasta alcanzar una densidad infinita? Eddington se sorprendió y se negó a creer en los resultados de Chandrasekhar. Eddington creía que era imposible que una estrella colapsara en un solo punto. Esta es la opinión de la mayoría de los científicos: el propio Einstein escribió un artículo declarando que el tamaño de las estrellas no se reducirá a cero. La hostilidad de otros científicos, especialmente de su antiguo maestro Eddington, la principal autoridad en estructura estelar, hizo que Chandrasekhar abandonara este trabajo y se centrara en otros problemas astronómicos, como el movimiento de los cúmulos de estrellas. Sin embargo, ganó el Premio Nobel en 1983, al menos en parte, por sus primeros trabajos sobre el límite de masa de las estrellas frías.
Chandrasekhar señaló que el principio de exclusión no puede evitar el colapso de estrellas con masas superiores al límite de Chandrasekhar.
Pero, ¿qué pasaría con una estrella así según la relatividad general? Este problema fue resuelto por primera vez por un joven estadounidense, Robert Oppenheimer, en 1939. Pero los resultados que obtuvo demostraron que observar con telescopios en aquella época no daría ningún resultado. Más tarde, debido a las distracciones de la Segunda Guerra Mundial, el propio Oppenheimer se involucró muy de cerca en el programa de la bomba atómica. Después de la guerra, el problema del colapso gravitacional quedó prácticamente olvidado, ya que la mayoría de los científicos se sintieron atraídos por la física a escala atómica y nuclear.
Ahora tenemos una imagen del trabajo de Oppenheimer: el campo gravitacional de la estrella cambia la trayectoria de la luz, a diferencia de lo que sucedería sin la estrella. Un cono de luz representa el camino que recorre la luz a través del espacio-tiempo después de emerger de su cima. El cono de luz se desvía ligeramente hacia adentro cerca de la superficie de la estrella y puede observarse observando la luz de estrellas distantes durante un eclipse solar. A medida que una estrella se encoge, el campo gravitacional en su superficie se vuelve muy fuerte, desviando más la luz hacia adentro, lo que dificulta que la luz escape de la estrella. Para un observador distante, la luz se vuelve más tenue y más roja. Finalmente, cuando la estrella se reduce a un radio crítico, el campo gravitacional en la superficie se vuelve tan fuerte que el cono de luz se desvía hacia adentro de modo que la luz ya no puede escapar. Según la teoría de la relatividad, nada puede viajar más rápido que la luz. De esta manera, la luz no puede escapar, ni ninguna otra cosa, y será arrastrada hacia atrás por la gravedad. Es decir, hay un conjunto de eventos o una región espacio-temporal de la cual es imposible que la luz o cualquier cosa escape y llegue a un observador distante. Ahora llamamos a esta región agujero negro, y su límite se llama horizonte de sucesos, que coincide con la trayectoria de la luz que escapa del agujero negro.
Cuando observes cómo una estrella colapsa para formar un agujero negro, para entender lo que estás viendo, recuerda que no existe un tiempo absoluto en la relatividad. Cada observador tiene su propia manera de medir el tiempo. Debido al campo gravitacional de la estrella, el tiempo que alguien pasa en la estrella será diferente del tiempo que pasa alguien que está lejos. Supongamos que hay un intrépido astronauta en la superficie de una estrella en colapso, colapsando hacia adentro con una estrella. Según su reloj, cada segundo se envía una señal a una nave espacial que orbita alrededor de la estrella. En cierto momento de su reloj, digamos a las 11 en punto, la estrella acababa de contraerse hasta su radio crítico. En ese momento, el campo gravitacional es tan fuerte que nada puede escapar y su señal ya no puede transmitirse a la nave espacial. Cuando llegó el 11, sus compañeros en la nave espacial descubrieron que los intervalos de tiempo entre las series de señales de los astronautas eran cada vez más largos. Pero este efecto es muy pequeño antes de las 10:59:59. Solo tuvieron que esperar un poco más de un segundo entre recibir las dos señales de las 10:59:58 y 10:59:59, pero tuvieron que esperar un tiempo infinito para la señal de las 11. Según el reloj del astronauta, entre las 10:59:59 y las 11:00 se emitieron ondas de luz desde la superficie de la estrella. Vistas desde una nave espacial, las ondas de luz se dispersan en intervalos de tiempo infinitamente largos. El intervalo de tiempo entre la recepción de esta serie de ondas de luz en la nave espacial se hace cada vez más largo, por lo que la luz emitida por la estrella se vuelve cada vez más roja y, finalmente, la estrella se vuelve tan brumosa.