Hasta principios de 1970 se pensaba que los agujeros negros
no emitían directamente ningún tipo de materia, y su destino último era seguir
creciendo por la acreción de más y más materia. Sin embargo, una consideración
de los efectos cuánticos en el horizonte de sucesos de un agujero llevó a
Hawking a descubrir un proceso físico por el cual el agujero podría emitir radiación.
De acuerdo con el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica existe la
posibilidad de que en el horizonte se formen pares de partícula-antipartícula
de corta duración, dado que la probabilidad de que uno de los elementos del par
caiga dentro del agujero de manera irreversible y el otro miembro del par
escape, el principio de conservación requiere que el agujero disminuya su masa
para compensar la energía que se lleva el par que escapa de los aledaños del
horizonte de sucesos. Nótese que en este proceso el par se forma estrictamente
en el exterior del agujero negro, por lo que no contradice el hecho de que
ninguna partícula material puede abandonar el interior. Sin embargo, sí existe
un efecto neto de transferencia de energía del agujero negro a sus aledaños,
que es la radiación Hawking, cuya producción no viola ningún principio físico.
miércoles, 24 de octubre de 2012
Descubrimientos recientes de Agujeros Negros
En 1995 un equipo de investigadores de la UCLA dirigido por
Andrea Ghez demostró mediante simulación por ordenadores la posibilidad de la
existencia de agujeros negros supermasivos en el núcleo de las galaxias. Tras
estos cálculos mediante el sistema de óptica adaptativa se verificó que algo
deformaba los rayos de luz emitidos desde el centro de nuestra galaxia (la Vía
Láctea). Tal deformación se debe a un invisible agujero negro supermasivo que
ha sido denominado Sgr.A (o Sagittarius A). En 2007-2008 se iniciaron una serie
de experimentos de interferometría a partir de medidas de radiotelescopios para
medir el tamaño del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, al
que se le calcula una masa 4'5 millones de veces mayor que la del Sol y una
distancia de 26.000 años luz (unos 255.000 billones de km respecto de la
Tierra). El agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia actualmente
sería poco activo ya que ha consumido gran parte de la materia bariónica, que
se encuentra en la zona de su inmediato campo gravitatorio y emite grandes
cantidades de radiación.
Por su parte, la astrofísica Feryal Özel ha explicado
algunas características probables en torno a un agujero negro: cualquier cosa,
incluido el espacio vacío, que entre en la fuerza de marea provocada por un
agujero negro se aceleraría a extremada velocidad como en un vórtice y todo el
tiempo dentro del área de atracción de un agujero negro se dirigiría hacia el
mismo agujero negro.
En el presente se considera que, pese a la perspectiva
destructiva que se tiene de los agujeros negros, éstos al condensar en torno a
sí materia sirven en parte a la constitución de las galaxias y a la formación
de nuevas estrellas.
En junio de 2004 astrónomos descubrieron un agujero negro
súper masivo, el Q0906+6930, en el centro de una galaxia distante a unos 12.700
millones de años luz. Esta observación indicó una rápida creación de agujeros
negros súper masivos en el Universo joven.
La formación de micro agujeros negros en los aceleradores de
partículas ha sido informada, pero no confirmada. Por ahora, no hay candidatos
observados para ser agujeros negros.
Descripción teórica de un Agujero Negro
Los agujeros negros proceden de un proceso de colapso
gravitatorio que fue ampliamente estudiado a mediados de siglo XX por diversos
científicos, particularmente Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen
Hawking entre otros. Hawking en su libro divulgativo de 1988 titulado en
español Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros repasa algunos
de los hechos bien establecidos sobre la formación de agujeros negros.
Dicho proceso comienza posteriormente a la muerte de una
gigante roja (estrella de gran masa), llámese muerte a la extinción total de su
energía. Tras varios miles de millones de años de vida, la fuerza gravitatoria
de dicha estrella comienza a ejercer fuerza sobre sí misma originando una masa
concentrada en un pequeño volumen, convirtiéndose en una enana blanca. En este
punto dicho proceso puede proseguir hasta el colapso de dicho astro por la auto
atracción gravitatoria que termina por convertir a esta enana blanca en un
agujero negro. Este proceso acaba por reunir una fuerza de atracción tan fuerte
que atrapa hasta la luz en éste.
En palabras más simples, un agujero negro es el resultado
final de la acción de la gravedad extrema llevada hasta el límite posible. La
misma gravedad que mantiene a la estrella estable, la empieza a comprimir hasta
el punto que los átomos comienzan a aplastarse. Los electrones en órbita se
acercan cada vez más al núcleo atómico y acaban fusionándose con los protones,
formando más neutrones mediante el proceso:
Por lo que este proceso comportaría la emisión de un número
elevado de neutrinos. El resultado final, una estrella de neutrones. En este
punto, dependiendo de la masa de la estrella, el plasma de neutrones dispara
una reacción en cadena irreversible, la gravedad aumenta enormemente al
disminuirse la distancia que había originalmente entre los átomos. Las
partículas de neutrones implotan, aplastándose más, logrando como resultado un
agujero negro, que es una región del espacio-tiempo limitada por el llamado
horizonte de sucesos. Los detalles de qué sucede con la materia que cae más
allá de este horizonte dentro de un agujero negro no se conocen porque para
escalas pequeñas sólo una teoría cuántica de la gravedad podría explicarlos
adecuadamente, pero no existe una formulación completamente consistente con
dicha teoría.
Historia de un agujero negro
El concepto de un cuerpo tan denso que ni siquiera la luz
puede escapar de él, fue descrito en un artículo enviado en 1783 a la Royal
Society por un geólogo inglés llamado John Michell. Por aquel entonces la
teoría de Newton de gravitación y el concepto de velocidad de escape eran muy conocidas.
Michell calculó que un cuerpo con un radio 500 veces el del Sol y la misma
densidad, tendría, en su superficie, una velocidad de escape igual a la de la
luz y sería invisible. En 1796, el matemático francés Pierre-Simon Laplace
explicó en las dos primeras ediciones de su libro Exposition du Systeme du
Monde la misma idea aunque, al ganar terreno la idea de que la luz era una onda
sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores.
En 1915, Einstein desarrolló la relatividad general y
demostró que la luz era influida por la interacción gravitatoria. Unos meses
después, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein,
donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de
Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no
gira, pero esto no era bien entendido en aquel entonces. El propio
Schwarzschild pensó que no era más que una solución matemática, no física. En
1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró que un cuerpo con una masa crítica,
(ahora conocida como límite de Chandrasekhar) y que no emitiese radiación,
colapsaría por su propia gravedad porque no había nada que se conociera que
pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de atracción gravitatoria sería
mayor que la proporcionada por el principio de exclusión de Pauli). Sin
embargo, Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzaría un tamaño
nulo, lo que implicaría una singularidad desnuda de materia, y que debería
haber algo que inevitablemente pusiera freno al colapso, línea adoptada por la
mayoría de los científicos.
En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva
podría sufrir un colapso gravitatorio y, por tanto, los agujeros negros podrían
ser formados en la naturaleza. Esta teoría no fue objeto de mucha atención
hasta los años 60 porque, después de la Segunda Guerra Mundial, se tenía más
interés en lo que sucedía a escala atómica.
En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los
agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en
determinados casos no se podía impedir que se crease un agujero negro a partir
de un colapso. La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos
y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsares. Poco después,
en 1969, John Wheeler acuñó el término "agujero negro" durante una
reunión de cosmólogos en Nueva York, para designar lo que anteriormente se
llamó "estrella en colapso gravitatorio completo".
jueves, 18 de octubre de 2012
Los Agujeros Negros
Un agujero negro u hoyo negro es una región finita del
espacio en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente
elevada para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material,
ni siquiera la luz, puede escapar de ella. Sin embargo, los agujeros negros
pueden ser capaces de emitir radiación de rayos X, lo cual fue conjeturado por
Stephen Hawking en los años 1970 y demostrado en 1976 con el descubrimiento de
Cygnus X-1.3
La gravedad de un agujero negro, o «curvatura del
espacio-tiempo», provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada,
llamada horizonte de sucesos. Esto es previsto por las ecuaciones de campo de
Einstein. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto
del universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna
partícula puede salir, incluyendo los fotones. Dicha curvatura es estudiada por
la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y
fue su primer indicio. En los años 70, Hawking, Ellis y Penrose demostraron
varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros
negros. Previamente, en 1963, Roy Kerr había demostrado que en un
espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una
geometría cuasi-esférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga
eléctrica total e y su momento angular L.
Se conjetura que en el centro de la mayoría de
las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos. La
existencia de agujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en
especial a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias
activas.
Composición de Sedna
Sedna tiene una magnitud absoluta banda V —H— de
aproximadamente 1,8 y se estima que tiene un albedo de alrededor de 0,32, lo que
le otorga un diámetro de aproximadamente 1 000 km. En el momento de su
descubrimiento fue el objeto intrínsecamente más brillante que se encontró en
el Sistema Solar desde Plutón en 1930. En 2004, los descubridores estimaron el
límite máximo de su diámetro en 1 800 km, pero en 2007 este valor fue revisado
y reducido a menos de 1 600 km después de ser observado por el telescopio
espacial Spitzer. En 2012, las mediciones del Observatorio Espacial Herschel
sugirieron que el diámetro de Sedna es de 995 ± 80 km, lo que lo haría más
pequeño que Caronte. Como Sedna no tiene lunas conocidas, determinar su masa es
imposible en la actualidad sin enviar una sonda espacial. Sin embargo, si
además de los cálculos anteriores para su diámetro se toma como referencia la
densidad de Plutón de 2,0 g/cm3, el rango de masa estimada es aproximadamente 1
x 1021 kg.n.
Las observaciones de los telescopios SMARTS muestran que en
luz visible Sedna es uno de los objetos más rojos del Sistema Solar, casi tan
rojo como Marte. Se sugirió que el color rojo oscuro de Sedna se debe a una
capa superficial de lodo con hidrocarburos, o tolina, formada a partir de
compuestos orgánicos más sencillos tras una larga exposición a la radiación
ultravioleta. Su superficie es homogénea en color y espectro, lo cual puede
deberse a que Sedna, a diferencia de los objetos más cercanos al Sol, raras
veces es impactado por otros cuerpos, lo que expondría las partes brillantes de
material congelado fresco, como en Asbolo. Sedna y otros dos objetos muy
distantes —2000 OO67 y 2006 SQ372— comparten su color con los objetos clásicos
del Cinturón de Kuiper y el centauro Folo, lo que sugiere un origen en una
región similar.
Se establecieron límites superiores a la composición de la
superficie de Sedna en 60% de metano congelado y un 70% de hielo.32 La
presencia de metano también apoya la existencia de tolinas en la superficie de
Sedna, ya que son producidas por la irradiación de metano. El espectro de
Sedna fue comparado con el de Tritón y se detectaron bandas de absorción
débiles pertenecientes a metano y nitrógeno congelados. A partir de estas
observaciones, se sugirió el siguiente modelo de la superficie: 24% de tolinas
tipo Tritón, 7% de carbono amorfo, un 10% de nitrógeno, 26% de metanol y 33% de
metano. La detección de metano y agua congelados se confirmó en 2006 por la
fotometría en infrarrojo medio del telescopio espacial Spitzer. La presencia
de nitrógeno en la superficie sugiere la posibilidad de que, al menos por un
tiempo corto, Sedna pudo poseer una atmósfera. Durante un período de alrededor
de doscientos años cerca del perihelio la temperatura máxima de Sedna debió
exceder 35,6 K (-237,6 °C), la temperatura de transición entre la fase
alfa-sólida de N2 y la fase beta vista en Tritón. A los 38 K, la presión de
vapor de N2 sería de 14 microbar (0.000014 atmósferas).35 Sin embargo, su
profunda inclinación espectral roja es un indicativo de una alta concentración
de materia orgánica en su superficie, y sus bandas débiles de absorción de metano
indican que el metano en la superficie de Sedna es antiguo, en lugar de
depositarse recientemente. Esto quiere decir que Sedna es demasiado frío para
que el metano se evapore de la superficie y luego caiga de nuevo en forma de
nieve, como ocurre en Tritón y, probablemente, en Plutón.
Los modelos de calentamiento interno a través de la
desintegración radiactiva sugieren que Sedna podría ser capaz de soportar un
océano subterráneo de agua líquida.
SEDNA
Sedna es el cuerpo menor del Sistema Solar número 90377; concretamente
es un objeto transneptuniano. En 2012 se encuentra aproximadamente tres veces
más lejos del Sol que Neptuno. Durante la mayor parte de su órbita está incluso
más lejos del Sol, con su afelio estimado en 960 unidades astronómicas (ua) —32
veces la distancia de Neptuno—, por lo que es uno de los objetos más lejanos
conocidos del Sistema Solar, que no sean los cometas de período largo. La
órbita excepcionalmente larga y elongada de Sedna, que tarda unos 11 400 años
en completarse, y su lejano punto de máxima aproximación al Sol, a 76 ua, han
dado lugar a mucha especulación en cuanto a su origen.
Fue descubierto el 14 de noviembre de 2003 desde el observatorio
de Monte Palomar. El nombre de Sedna proviene de la diosa de la mitología
esquimal del mar y de los animales marinos. Hostil a los hombres y dotada de
una altura gigantesca, Sedna estaba condenada a vivir en las frías profundidades
del océano Ártico.
La espectroscopía reveló que la composición de su superficie
es similar a la de otros objetos transneptunianos, siendo en gran medida una
mezcla de hielo y tolina con metano y nitrógeno congelados. Su superficie es
una de las más rojas en el Sistema Solar. No se conoce bien ni su masa ni su
tamaño y la Unión Astronómica Internacional no lo ha reconocido formalmente
como un planeta enano, aunque varios astrónomos estiman que lo es.
El Minor Planet Center lo coloca en el disco disperso, un
grupo de objetos enviados a órbitas muy alargadas por la influencia
gravitacional de Neptuno. Sin embargo, esta clasificación es cuestionada ya que
Sedna nunca se acerca lo suficiente a Neptuno como para que pueda afectarle, lo
que llevó a algunos astrónomos a concluir que en realidad es el primer miembro
conocido de la región interior de la nube de Oort. Otros especulan con que
podría haber sido empujado a su órbita actual por una estrella en tránsito, tal
vez del seno del grupo de nacimiento del Sol, o incluso que fuera capturado de
otro sistema estelar. Otra hipótesis sugiere que su órbita puede ser evidencia
de otro planeta más allá de la órbita de Neptuno. El astrónomo Michael E. Brown
—co-descubridor de Sedna y de los planetas enanos Eris, Haumea y Makemake— cree
que es el objeto transneptuniano más importante encontrado hasta la fecha, pues
el estudio de su inusual órbita puede aportar información valiosa acerca del
origen y la evolución temprana del sistema solar.
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