¿Qué son los Hoyos Negros?

Artículo original:  Ten things you don’t know about black holes  (Phil Plait/DiscoverMagazine.com)

Bien,  son negros y son como agujeros sin fondo  ¿Como los llamaría?

– Yo, cuando un amigo me preguntó por que tienen el nombre que tienen

Ah,  agujeros negros.  El último inductor de escalofríos  del cosmos,  tiburones de grandes mandíbulas, inmensas arañas ... algo tenebroso.  Pero estamos fascinados con ellos, sin duda – inclusive si no entendemos mucho de ellos.

Pero para eso estoy aquí.  Permítame ser su guía hacia el infinito.  O lo inverso de eso, supongo.  Así que abajo presento diez hechos sobre los hoyos negros.

1) No es su masa, es su tamaño lo que les hace fuertes

OK, primero una rápida introducción a los hoyos negros.

La forma más común para formar un hoyo negro está en el centro de una estrella masiva.  El núcleo se queda sin combustible y sufre un colapso.  Esto ocasiona una onda de impacto, explotando y lanzando al exterior capas de la estrella, causando una supernova.   Así que el corazón de la estrella se desploma y el resto explota hacia afuera.

Como el núcleo sufre un colapso, su gravedad aumenta.  A tal punto que si el núcleo es suficientemente masivo (cerca de tres veces la masa del sol), la gravedad se vuelve tan fuerte que justo en la superficie del núcleo desplomado la velocidad de escape aumenta hasta la velocidad de la luz.  Eso significa que nada puede escapar de la gravedad de ese objeto, ni siquiera la luz.  Así que es negro.   Y como nada puede escaparse, mejor lea la cita del inicio.

La región alrededor del hoyo negro donde la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz se llama horizonte del evento.  Cualquier evento que sucede dentro es invisible para siempre.

OK, así que ahora sabe que es uno y como se forma.  Ahora podría explicarle porque tienen esa gravedad tan fuerte, pero ¿sabe qué? Prefiero dejárselo a este tipo.  Escuché que es bueno:

Así que ahí tiene.  Seguro la masa es importante, pero a veces son las pequeñas cosas las que cuentan.

2)  No son infinitamente pequeños

Así que OK, son pequeños, pero ¿cuán pequeños son?

Escribía sobre los hoyos negros en mi anterior trabajo y nos enfrascamos en una divertida discusión sobre lo que entendíamos acerca del hoyo negro:  ¿nos referíamos al objeto en sí que sufrió el colapso hasta un punto matemático o al horizonte del evento que lo rodea? Dije el horizonte del evento pero mi jefe dijo que era el objeto.  Decidí que tenía un punto (HAHAHAHAHA! un punto) y me aseguré que cuando escribía sobre el horizonte del evento versus el hoyo negro en sí me estaba quedando claro.

Como dije arriba, para el núcleo que sufrió el colapso, su reloj sigue funcionando, así que se ve a sí mismo sufriendo un colapso dirigido totalmente hacia un punto, aunque el horizonte del evento tenga un tamaño finito.

¿Qué le pasó al núcleo? ¿A la masa que sufrió el colapso?

Nunca estaremos seguros.  No podemos ver por dentro, y estamos bastante seguros que no enviará información hacia afuera.  Pero nuestras matemáticas en estas situaciones son bastante buenas y podemos al menos aplicarlas al núcleo desplomado aunque sea más pequeño que el horizonte del evento.

Continuará sufriendo el colapso y la gravedad se incrementará.  Más pequeño, más pequeño ... y cuando era un niño siempre leí que sufre el colapso hasta llegar al punto geométrico, un objeto sin dimensión alguna.  Eso realmente me fastidiaba, como se imaginarán ... porque es un error.

En algún punto, el núcleo desplomado será más pequeño que un átomo, más pequeño que un núcleo de átomo, más pequeño que un electrón.  Eventualmente alcanzará un tamaño llamado la Longitud de Planck, una unidad tan pequeña que la mecánica cuántica la gobierna con puño de hierro.  Una Longitud de Planck es una especie de límite de tamaño cuántico:  si un objeto llega a ser más pequeño, literalmente no podremos conocer mucho sobre él con certeza alguna.  La física actual es complicada, pero es mucho más cuando el núcleo sufre el colapso hasta llegar a ese punto, aún si pudiéramos de alguna forma atravesar el horizonte del evento, no podríamos medir su tamaño real.   De hecho, el término "tamaño real" no tiene significado alguno en ese tipo de escala.  Si el Universo en sí mismo le previene de medirlo, podría también decir que el término no tiene significado.

¿Y cuán pequeña es la Longitud de Planck?  Muy muy pequeña:  alrededor de 10^-35 metros.  Eso es el tamaño de un protón dividido para cien trillones (100 x 10¹⁸).

Así que si alguien dice que el tamaño de un hoyo negro es cero, podría portarse como todo un técnico y decir, realmente no, pero casi.

3) Son esferas.  Y definitivamente no de la forma de embudo

La gravedad que se siente de un objeto depende de dos cosas:  la masa del objeto, y la distancia a la que está de ese objeto.  Eso significa que cualquiera a una distancia dada de un objeto masivo – digamos, un millón de kilómetros –sentiría la misma fuerza de gravedad de él.  La distancia define una esfera alrededor del objeto: cualquiera en esa superficie de la esfera sentiría la misma gravedad del objeto ubicado en el centro.

El tamaño de un horizonte de evento de un hoyo negro depende de la gravedad, así que en realidad el horizonte del evento es una esfera que rodea al hoyo negro.  Desde afuera, si pudiera saber como se ve el horizonte del evento en primer lugar, sería una esfera como boca de lobo.

Alguna gente se imagina a los hoyos negros como círculos, o peor, como embudo.  La cosa del embudo es un error de la gente que trata de explicar la gravedad como un doblez en el espacio,  simplifican las cosas con un colapso del espacio 3D en uno 2D; dicen que el espacio es como una sábana de una cama, y los objetos con masa doblan ese espacio de la misma manera que lo haría un objeto masivo (digamos, una esfera de bolos) sobre esa sábana.  Pero el espacio no es 2D, es 3D (inclusive 4D si incluye el tiempo) y así esta explicación puede confundir a la gente sobre la actual forma de un horizonte de evento de un hoyo negro.

He tenido muchachos que me preguntan que pasa si se acercan a un hoyo negro ¡por debajo!  A veces no entienden que los hoyos negros son esferas y no hay debajo.  Culpo a la historia del embudo.  Tristemente, es la mejor analogía que he visto, así que estamos pegados a ella.  Úsela con cuidado.

4)  El giro de un hoyo negro

Es una especie de pensamiento raro, pero los hoyos negros pueden girar.  Las estrellas rotan y cuando su núcleo se desploma la rotación se acelera (la analogía usual es la de un patinador que usa sus brazos para aumentar su tasa de rotación).  Como el núcleo de la estrella se hace más pequeño rota más rápidamente.  Si no tiene la suficiente masa para convertirse en un hoyo negro, la materia se comprime hasta una forma de una estrella neutrón, una bola de neutrones de algunos kilómetros.  Hemos detectado cientos de estos objetos, y tienden a girar rápidamente, algunas veces ¡cientos de veces por segundo!

Lo mismo se aplica a un hoyo negro.  Aunque la materia se haya comprimido a un tamaño más pequeño que el horizonte del evento y se haya perdido en los exteriores del universo para siempre, la materia está todavía girando.  No está muy claro que significa esto si está tratando de calcular que pasa con la materia una vez que se encuentra dentro del horizonte del evento  ¿La fuerza centrífuga evita el colapso hasta la longitud de Plank?  Las matemáticas son diabólicas, pero lo hacen, e implican que la materia en caída golpeará la materia dentro del horizonte de evento buscando caer más allá pero sin lograrlo debido a la rotación.  Esto causa un apilado masivo y algunos fuegos pirotécnicos espectaculares ... que nunca veremos, porque están al otro lado del infinito.

5)  Cerca de un hoyo negro, las cosa se ponen raras

La rotación del hoyo negro arroja un mono de un tirón en el horizonte del evento.  Los hoyos negros distorsionan la tela del espacio en sí misma y si rotan esa distorsión en sí misma queda distorsionada.  El espacio puede quedar atrapado alrededor de un hoyo negro – como la tela de una sábana agarrada por una broca de taladro rotando.

Esto crea una región de espacio afuera del horizonte del evento llamado ergósfera.  Es un esferoide achatado, de forma de pelota aplanada y si está fuera del horizonte del evento pero dentro de la ergósfera, encontrará que no puede estar.  Literalmente.  El espacio está siendo arrastrado atrás suyo y le lleva consigo.  Puede moverse fácilmente en la dirección de la rotación del hoyo negro pero si trata de detenerse no puede.  De hecho, dentro del espacio de la ergósfera ¡el espacio se mueve más rápido que la luz! La materia no puede moverse tan rápido, pero se vacía, de acuerdo con Einstein, el espacio en sí mismo si puede.  Así que si quiere detener a un hoyo negro, debería moverse más rápido que la luz en la dirección opuesta al giro.  No se puede hacer eso, así que tiene que moverse con el giro, volar o caer. Esas son las opciones.  Recomiendo volar lejos. Rápido. Porqué ...

6)  Al acercarse a un hoyo negro puede morir de formas divertidas. Y por divertido, quiero decir horripilante, espantoso y realmente espeluznante.

Así es, si se acerca demasiado ¡plop!  Se cae.  Pero aunque mantenga su distancia todavía estará en problemas ...

La gravedad depende de la distancia.  Mientras más lejos esté de un objeto más débil es su gravedad.  Así que si tiene un gran objeto cerca de un masivo, el gran objeto sentirá una fuerza de gravedad más fuerte en la cercanía y una más débil al otro lado.  Este cambio de la gravedad sobre la distancia se llama fuerza de marea (que es un término algo equivocado, no es realmente una fuerza, es una fuerza diferencial, y si, está relacionada con las mareas de los océanos en la Tierra por efecto de la Luna)

La cosa es que los hoyos negros pueden ser pequeños – un hoyo negro con una masa tres veces la del sol tiene un horizonte de evento de algunos kilómetros – y eso significa que usted puede estar cerca de ellos.  Y eso implica que la fuerza de marea que sienta puede ser angustiosamente grande.

Digamos que cae parado en una masa estelar de un hoyo negro.  Se estima que a medida que se aproxime, la diferencia de gravedad entre su cabeza y sus pies puede ser inmensa. INMENSA. Esta fuerza puede ser tan grande que sus pies serán tirados lejos de la cabeza cientos de millones de veces con la fuerza de gravedad de la Tierra.  Sería estirado en un hebra larga y delgada y luego sería triturado.

Los astrónomos llaman a esto espaguetización.  Ewwww.

Así que acercarse a un hoyo negro es peligroso aunque no caiga en uno de ellos.

7)  Los hoyos negros no siempre son obscuros

Para que los hoyos negros maten pasará mucho tiempo.

Que caiga materia en un hoyo negro sería muy raro si solo cae dentro y desaparece. Si tiene un poco de movimientos laterales irá alrededor del hoyo negro.  Mientras más materia caiga, más se acumulará alrededor del hoyo.  Debido a la manera como rotan estos objetos, esta materia creará un disco de material arremolinándose locamente alrededor del hoyo y como la gravedad del hoyo cambia tan rápidamente con la distancia la materia más cercana estará orbitando mucho más rápido que la lejana.  Literalmente esta materia estará en permanente fricción y generará calor.  Puede calentarse tanto como millones de grados.  La materia que se calienta resplandecerá con intenso brillo ... lo que significa que cerca del hoyo negro esta materia puede ser seriamente luminosa.

Peor aún, las fuerzas magnéticas y otras pueden enfocar dos rayos de energía que salen de los polos del disco.  Los lazos empiezan justo afuera del hoyo negro pero pueden ser visto a millones e inclusive miles de millones de años luz de distancia.

Son brillantes.

De hecho, los hoyos negros que están comiendo materia de esta manera pueden llegar a ser tan brillantes que llegan a ser los objetos de emisión sin interrupción más brillante del universo.  Se los llama hoyos negros activos.

Y como si los hoyos negros no fueran lo suficientemente peligrosos, la materia se calienta tanto antes de la zambullida final que emite de manera furiosa rayos X, alta energía en forma de luz (y los haces pueden emitir inclusive energía de luz más alta que eso).  Así que aunque estacione su nave espacial muy lejos del horizonte del evento de un hoyo negro, si algo más cae y se tritura, será recompensado al ser freído por el equivalente a un gazillón  de exámenes dentales.

Los hoyos negros son peligrosos.  Es mejor estar muy lejos de ellos.

8)  Los hoyos negros no siempre son peligrosos

Habiendo dicho eso, permítame hacerle una pregunta:  si pudiera tomar el sol y reemplazarlo con un hoyo negro de exactamente la misma masa  ¿Qué pasaría?  ¿La Tierra caería, saldría volando o seguiría en su órbita normal?

La mayoría de la gente piensa que caería, atraída inexorablemente por poderosa gravedad del hoyo negro.  Pero recuerde, la gravedad que siente de un objeto depende de la masa de ese objeto y de la distancia a la que se encuentre.  Dije que el hoyo negro tiene la misma masa del sol  ¿recuerda?  Pero la distancia no ha cambiado.  Así que la gravedad que sentiríamos desde aquí, a 150 millones de kilómetros ¡sería exactamente la misma!  Así que la Tierra seguiría la misma órbita alrededor del hoyo negro.

Por supuesto que moriríamos congelados.  No se puede tener todo.

9)  Los hoyos negros pueden crecer

Pregunta:  ¿Qué pasa si dos hoyos negros estelares masivos chocan?

Respuesta:  Se tiene un hoyo negro más grande.

Puede extrapolar desde allí.  Los hoyos negros pueden comer otros objetos, incluyendo otros hoyos negros, así que pueden crecer.  Pensamos que en los primeros días del universo, cuando recién se estaban formando las galaxias, la materia recogida en el centro de una galaxia naciente puede sufrir un colapso para formar un hoyo negro muy masivo.  Mientras más materia caiga, el hoyo la consume ávidamente y crece.  Eventualmente se consigue un hoyo negro supermasivo, uno con millones e inclusive miles de millones la masa del sol.

Sin embargo, recuerde que mientras más masa cae más caliente se pone.  Tan caliente que la presión de la luz misma puede hace volar el material más lejano, un poco como el viento solar pero en una escala mucho mayor.  La fuerza del viento depende de muchas cosas, incluyendo la masa del hoyo negro, mientras más robusto el hoyo, más ventoso.  Este viento previene que caiga más materia así que actúa como una válvula para un crecimiento infinito.

No solo eso, con el transcurso del tiempo el gas y el polvo alrededor del hoyo negro (muy lejos, pero cerca del centro de la galaxia) se convierten en estrellas.  El gas puede caer en un hoyo negro con más facilidad que las estrellas.  Así que eventualmente el hoyo negro deja de consumir materia porque no hay más.  Deja de crecer, la galaxia se estabiliza y todos felices.

De hecho, ahora que miramos al universo, vemos que muchas de las grandes galaxias tienen un hoyo negro en su núcleo con una masa de cuatro millones de veces la del sol.  Antes de que empiece a correr en círculos gritando, recuerde esto:  1) están muy lejos, 26 000 años luz (260 cuatrillones de kilómetros),  2)  su masa es todavía muy pequeña comparada con los 200 mil millones de masas solares de nuestra galaxia y por lo tanto  3)  realmente no pueden hacernos daño.  A menos que inicie una alimentación activa.  Lo que no es así.  Pero podría empezar algo, si algo cae en él.  Aunque no sabemos de algo que caiga pronto.  Pero podríamos perder gas frío.

Hmmm.

De cualquier forma, recuerde esto también:  aunque los hoyos negros pueden causar muerte y destrucción a gran escala, también ayudan a que las galaxias se formen  ¡Así que les debemos nuestra existencia!

10)  Los hoyos  negros pueden ser de baja densidad

De las cosas más raras sobre los hoyos negros, ésta es la más extraña.

Como podría esperar, el horizonte del evento de un hoyo negro se hace más grande a medida que la masa es más grande.  Eso se debe a que si usted añade masa, la gravedad se vuelve más fuerte, lo que significa que el horizonte del evento crecerá.

Si realiza las matemáticas cuidadosamente, encuentra que el horizonte del evento crece linealmente con la masa.  En otras palabras, si se dobla la masa del hoyo negro, el radio del horizonte del evento también se duplicará.

Eso es extraño  ¿Porqué?

El volumen de la esfera depende del cubo del radio (regresemos al colegio:  volumen = 4/3 x π x radio³).  Duplique el radio, y el volumen se incrementará en 2x2x2 = 8 veces.  Haga que el radio de la esfera sea 10 veces más grande y el volumen se multiplicará en 10x10x10 = 1000.

Así que el volumen crece rápidamente cuando se incrementa el tamaño de la esfera.

Ahora imagine que tiene dos esferas de plastilina del mismo tamaño. Únalas ¿es la esfera resultante el doble de grande?

¡No!  Tiene el doble de masa, pero el radio solamente se incrementa un poquito.  Debido a que el volumen tiene relación con el cubo del radio, para doblar el radio de su bola de plastilina resultante, necesitaría unir ocho de ellas.

Pero esa es la diferencia con un hoyo negro.  Duplica la masa, duplica el tamaño del horizonte del evento.  Esto implica una excepción ...

La densidad es cuanto de masa se puede empacar en un volumen dado.  Mantenga el tamaño y aumente más y la densidad aumenta.  Aumente el volumen pero mantenga la misma masa y la densidad baja  ¿Captó?

Así que ahora veamos la densidad promedio dentro del horizonte de evento de un hoyo negro.  Si tomo dos hoyos negros idénticos y los choco, se duplica el tamaño del horizonte y también se duplica la masa.  Pero el volumen se aumenta ocho veces.  Así que en realidad la densidad disminuye y es la cuarta parte de la que empezó (doble masa y ocho veces el volumen le da 1/4 de densidad).  Siga haciendo eso y la densidad disminuye.

Un hoyo negro regular – éste es, uno del triple de masa de la del sol –tiene una horizonte de evento de radio de alrededor de 9 Km.  Eso significa una densidad inmensa, alrededor de dos cuadrillones de gramos por cm cúbico (2 x 10¹⁵)  Pero duplique la masa y la densidad cae por un factor de cuatro.  Coloque 10 veces la masa y la densidad cae por un factor de 100.  Un hoyo negro de mil millones de masa solar (grande, pero los vemos en los centros de las galaxias) reduciría su densidad por un factor de 1 x 10¹⁸.  Eso daría una densidad de 1/1000 de gramo por cc ... ¡y esa es la densidad del aire!

Un hoyo negro de mil millones de masa solar tendría un horizonte de evento de 3 mil millones de Km – como la distancia de Neptuno al sol.

¿Así que a dónde voy? Si fuera a acordonar el sistema solar pasando por Neptuno, abárquelo en una esfera gigante y llénela con aire  ¡ese sería un hoyo negro!

Eso, para mi, es de lejos la cosa más extraña de los hoyos negros.  Seguro, comban el espacio, distorsionan el tiempo, juegan con nuestros sentidos de lo que es o no real ...  pero cuando son parte de todos los días y salen con eso, eso me sorprende.

Pensé por primera vez acerca de esto en una conferencia de hoyos negros en Stanford hace algunos años.  Caminaba con el notable experto Roger Blandford cuando se me ocurrió.  Hice un rápido cálculo mental para asegurarme de tener los números correctos y le conté a Roger que un sistema solar lleno de aire podría ser un hoyo negro.  Lo meditó y me dijo, "Si, parece correcto".

Y eso, mis amigos, fue uno de los mejores momento de mi vida de hoyos.  Pero al pensar en esto todavía me da dolor de cabeza.

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