Los agujeros negros son perturbaciones singulares en el continuo espacio-tiempo.
De todos los objetos hipotéticos del Universo predichos por las teorías científicas, los agujeros negros causan la impresión más inquietante. Las suposiciones sobre su existencia comenzaron a expresarse casi un siglo y medio antes de la publicación de Einstein de la teoría general de la relatividad; recientemente se obtuvieron pruebas convincentes de la realidad de su existencia. Comencemos observando cómo la relatividad general aborda la cuestión de la naturaleza de la gravedad. La ley de Newton de la gravitación universal establece que una fuerza de atracción mutua actúa entre dos cuerpos masivos cualesquiera en el Universo.
El Efecto de la Masa en el Espacio
Debido a esta atracción gravitacional, la Tierra gira alrededor del Sol. La relatividad general nos obliga a mirar el sistema Sol-Tierra de manera diferente. Según esta teoría, en presencia de un cuerpo celeste tan masivo como el Sol; el espacio-tiempo se perfora, por así decirlo, bajo su peso, y se altera la uniformidad de su tejido. Imagínese un trampolín elástico con una pelota pesada descansando sobre él. La tela estirada se dobla bajo su peso, creando un vacío a su alrededor. De la misma manera, el Sol empuja el espacio-tiempo a su alrededor. Según esto, la Tierra simplemente rueda alrededor del embudo formado; excepto que una pequeña bola que rueda alrededor de una pesada en un trampolín inevitablemente perderá velocidad y se acercará en espiral a una grande.
Y lo que percibimos habitualmente como la fuerza de la gravedad en nuestra vida cotidiana; tampoco es más que un cambio en la geometría del espacio-tiempo, y no una fuerza en la comprensión newtoniana. Hoy en día, no se ha inventado una explicación de la naturaleza de la gravedad más exitosa que la que nos da la teoría general de la relatividad. Ahora imagina qué pasará si nosotros, en el marco de la teoría propuesta; aumentamos y aumentamos la masa de una bola pesada sin aumentar su tamaño físico. Al ser absolutamente elástico, el embudo profundizará hasta que sus bordes superiores converjan en algún lugar muy por encima de la bola completamente pesada; y luego simplemente deja de existir cuando se ve desde la superficie.
Agujeros negros dentro del radio de Schwarzschild
En el Universo real, habiendo acumulado suficiente masa y densidad de materia, el objeto golpea una trampa de espacio-tiempo a su alrededor; el tejido del espacio-tiempo se cierra y pierde su conexión con el resto del Universo, volviéndose invisible para él. Así es como aparece un agujero negro. La propiedad más importante de un agujero negro es que no importa lo que entre, no volverá. Esto se aplica incluso a la luz, razón por la cual los agujeros negros recibieron su nombre; un cuerpo que absorbe toda la luz que cae sobre él y no emite la suya propia parece ser absolutamente negro. Según la relatividad general, si un objeto se acerca al centro de un agujero negro a una distancia crítica; esta distancia se llama radio de Schwarzschild.
El astrónomo alemán Karl Schwarzschild en los últimos años de su vida, utilizando las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein; calculó el campo gravitacional alrededor de una masa de volumen cero. Para la masa del Sol, el Schwarzschild El radio es de 3 km, es decir, para convertir nuestro sol en un agujero negro; ¡necesitas condensar toda su masa al tamaño de una pequeña ciudad! Dentro del radio de Schwarzschild, la teoría predice fenómenos aún más extraños; toda la materia de un agujero negro se concentra en un punto infinitamente pequeño de densidad infinita en su mismo centro; los matemáticos llaman a ese objeto una perturbación singular.
La Gravedad como Causa Principal
Con una densidad infinita, cualquier masa finita de materia, matemáticamente hablando, ocupa un volumen espacial cero. Si este fenómeno ocurre realmente dentro de un agujero negro, naturalmente, no podemos comprobarlo experimentalmente; ya que todo lo que ha entrado en el radio de Schwarzschild no regresa. Por lo tanto, al no tener la oportunidad de examinar un agujero negro en el sentido tradicional de la palabra mirar dentro; podemos sin embargo, detectar su presencia mediante signos indirectos de la influencia de su campo gravitacional superpoderoso y completamente inusual en él a su alrededor.
Agujeros negros supermasivos
En el centro de nuestra Vía Láctea y otras galaxias hay un agujero negro increíblemente masivo millones de veces más pesado que el Sol. Estos agujeros negros supermasivos nombrados así, se descubrieron observando la naturaleza del movimiento del gas interestelar cerca de los centros de las galaxias. Los gases, a juzgar por las observaciones, giran a una distancia cercana del objeto supermasivo; y cálculos simples utilizando las leyes de la mecánica newtoniana muestran que el objeto que los atrae, con un diámetro exiguo, tiene una masa monstruosa.
Solo un agujero negro puede hacer girar el gas interestelar en el centro de la galaxia de esta manera. De hecho, los astrofísicos ya han encontrado docenas de agujeros negros tan masivos en los centros de galaxias vecinas; y sospechan fuertemente que el centro de cualquier galaxia es un agujero negro.
Agujeros negros de masa estelar
Según nuestro conocimiento actual de la evolución de las estrellas. Cuando una estrella con una masa superior a unas 30 masas solares muere en una explosión de supernova; su capa exterior se dispersa y sus capas interiores colapsan rápidamente hacia el centro y forman un agujero negro en lugar de la estrella que ha agotado sus reservas de combustible. Es prácticamente imposible detectar un agujero negro de tal origen aislado en el espacio interestelar; ya que se encuentra en un vacío enrarecido y no se manifiesta de ninguna manera en términos de interacciones gravitacionales. Sin embargo, si dicho agujero fuera parte de un sistema estelar binario con 2 estrellas calientes orbitando alrededor de su centro de masa; el agujero negro seguirá ejerciendo un efecto gravitacional en su estrella emparejada.
Los astrónomos hoy tienen más de una docena de candidatos para este tipo de sistema estelar, aunque no hay evidencia sólida para ninguno de ellos. En un sistema binario con un agujero negro en su composición, la sustancia de la estrella viviente inevitablemente fluirá en la dirección del agujero negro. Y la sustancia succionada por el agujero negro se arremolinará al caer en el agujero negro en una espiral, desapareciendo al cruzar el radio de Schwarzschild. Sin embargo, al acercarse al límite fatal, la sustancia succionada por el embudo del agujero negro inevitablemente se espesará. Se calentará debido al aumento de las colisiones entre las partículas absorbidas por el agujero; hasta que se caliente a las energías de la radiación de ondas en los rayos X, rango del espectro electromagnético .
Evidencia experimental de su existencia
Los astrónomos pueden medir la periodicidad de los cambios en la intensidad de la radiación de rayos X de este tipo y calcular; comparándola con otros datos disponibles, la masa aproximada de un objeto que tira materia sobre sí mismo. Si la masa del objeto excede límite de Chandrasekhar de 1,4 masas solares; este objeto no puede ser una enana blanca, en la que nuestra estrella está destinada a degenerar. En la mayoría de los casos identificados de observación de tales estrellas de rayos X binarias, una estrella de neutrones es un objeto masivo. Sin embargo, ya se han contado más de una docena de casos cuando la única explicación razonable es la presencia de un agujero negro en un sistema estelar binario.
Todos los demás tipos de agujeros negros son mucho más especulativos y se basan únicamente en la investigación teórica; no hay ninguna evidencia experimental de su existencia. Primero, estos son mini-agujeros negros con una masa comparable a la masa de una montaña y comprimidos al radio de un protón. La idea de su origen en la etapa inicial de la formación del Universo inmediatamente después del Big Bang fue expresada por el cosmólogo inglés Stephen Hawking. Hawking sugirió que las explosiones de mini agujeros podrían explicar el fenómeno verdaderamente misterioso de las explosiones cinceladas de rayos gamma en el Universo.
En segundo lugar, algunas teorías de partículas elementales predicen la existencia en el Universo; a nivel micro, de un colador real de agujeros negros, que son una especie de espuma de los desechos del universo. El diámetro de tales microagujeros es supuestamente de unos 10a33cm; son miles de millones de veces más pequeños que un protón. Por el momento, no tenemos ninguna esperanza de una verificación experimental de incluso el hecho mismo de la existencia de tales partículas de agujero negro, y mucho menos de investigar de alguna manera sus propiedades.