AGUJEROS NEGROS Y SU TEMPERAMENTO

1. introducción

Los agujeros negros son, sin duda, unos de los objetos astrofísícos mas interesantes y exóticos de la física moderna. Resultan fascinantes tanto para el publico en general como para el investigador que busca descubrir sus propiedades. El primer antecedente del concepto de agujero negro proviene del siglo XVIII, y en particular de las especulaciones de John Michell, en el Reino Unido, y Pierre Simon de Laplace, en Francia. De manera independiente, ambos se preguntaron de que tamaño tendría que ser una estrella de una masa dada para que su velocidad de escape fuera tan alta que no pudiera escapar de ella ni siquiera la luz, que se propaga a una velocidad altísima (de cerca de 300,000 kilómetros por segundo). Semejante estrella no emitir  luz y podría llamarse “estrella oscura”. Michell y Laplace encontraron independientemente una ecuación para el radio que tendrıa que tener la estrella para no dejar escapar la luz, valor que hoy se conoce como el “radio gravitacional”, y que esta dado por: 

  R = 2GM/c2.

donde M es la masa de la estrella, G la constante gravitacional de Newton, y c la velocidad de la luz. El radio gravitacional es distinto para cada cuerpo y depende solo de su masa. Para objetos celestes comunes el radio gravitacional es siempre mucho mas peque ´ no que ˜ su tamaño real. Por ejemplo, para convertir a la Tierra en una estrella oscura sería necesario comprimir toda su masa en una esfera de aproximadamente un centímetro de radio. En el caso del Sol, ser´ıa necesario concentrar su masa en una esfera con un radio de unos tres kilómetros. Si se compara esto con los radios reales de la Tierra y el Sol, de aproximadamente 6,000 y 700,000 kilómetros respectivamente, podemos ver que para una masa dada las estrellas oscuras tendrían radios casi un millón de veces menores que los objetos astro físicos usuales.

2. Relatividad especial

Einstein desarrolló la relatividad especial en 1905 con el objetivo de reconciliar la electrodinámica de Maxwell con el “principio de relatividad” de Galileo que implica que las leyes de la física deben ser las mismas en todo sistema inercial. La relatividad especial se basa en dos postulados fundamentales, el primero de los cuales es el principio de relatividad mismo, y el segundo el hecho empírico de que la velocidad de la luz es la misma en todo sistema inercial, independientemente de la velocidad de la fuente que emite la luz o del observador que la recibe. La existencia de sistemas inerciales juega un papel fundamental en la relatividad especial, de hecho, es esto lo que le da el nombre de “especial”. Uno de los resultados mas conocidos de la relatividad especial es la ley de transformación de coordenadas entre dos sistemas inerciales conocidas como las “transformaciones de Lorentz”. La relatividad especial fue reescrita en terminos geométricos por Minkowski en 1908.Minkowski mostró que el contenido del segundo postulado de Einstein sobre la invariancia de la velocidad de la luz podía re interpretarse en términos geométricos si se definía el “intervalo” ds2 entre dos eventos como:  

 ds2 = −c 2 dt2 + dx2 + dy2 + dz2

El segundo postulado de Einstein implica que dicho intervalo es “absoluto” en el sentido de que toma el mismo valor en todo sistema inercial. Es decir, podemos definir un concepto de distancia invariante en el espacio-tiempo. Es importante mencionar que la distancia euclidiana dx2+dy2+dz2 no es invariante frente a transformaciones de Lorentz, ni tampoco el intervalo de tiempo dt2 . Solo el intervalo de Minkowski resulta ser invariante. Este es el motivo por el que en relatividad se habla de espacio-tiempo, y no de espacio y tiempo por separado. Una propiedad fundamental del intervalo es el hecho de que, debido al signo menos que aparece en el primer termino, dicho intervalo no es positivo definido. Esto, lejos ´ de representar un problema, tiene una importante interpretación física.

permite clasificar la separación entre dos eventos de acuerdo al signo de ds2 

El intervalo espacialoide corresponde a eventos separados de tal forma que serıa necesario moverse mas rápido que la luz para llegar de uno a otro, la separación temporaloide ´ a eventos tales que se puede llegar de uno a otro viajando mas lento que la luz, y la separación nula a eventos que pueden conectarse por un haz de luz. Una consecuencia de las transformaciones de Lorentz es que el orden en el tiempo de dos eventos solo resulta ser absoluto si su separacion es temporaloide o nula. Para separaciones espacialoides el orden temporal es relativo y depende del observador. Esto nos permite definir una nocion de causalidad de manera invariante: solo aquellos eventos separados de manera temporaloide o nula pueden tener una relación causal entre s ´ ´ı. Esto implica, en particular, que no pueden existir interacciones físicas que se propaguen mas rápido que la luz. ´ 1 Las trayectorias nulas también definen el llamado “cono de luz”, que es una representación gráfica de las relaciones causales entre eventos (ver Figura ´ 1). Definamos ahora el “tiempo propio” entre dos eventos como el tiempo medido por un reloj ideal que ve ambos eventos ocurrir en el mismo lugar. Si denotamos al tiempo propio por dτ es posible demostrar que dτ = √ −ds2. Claramente el tiempo propio solo se puede definir para intervalos temporaloides o nulos. A partir de la definición del tiempo ´ propio, es posible mostrar que el intervalo de tiempo entre dos eventos en un sistema inercial esta dado por: dt = γdτ ≥ dτ.

3. ¿Cómo surgieron los agujeros negros más grandes del universo?

Si bien la masa de los agujeros negros estándar equivale a alrededor de cuatro veces la de nuestro Sol, sus enormes parientes son millones y, en ocasiones, miles de millones de veces más masivos. Los científicos creen que casi todas las grandes galaxias tienen un agujero negro supermasivo en su corazón, a pesar de que nadie sabe cómo llegaron allí.

Aquí es donde la galaxia UCG 11700 podría ser útil.

"Las galaxias ideales para mi estudio son las espirales más hermosas y perfectas que puedas imaginar", dice la investigadora junior de la Universidad de Oxford Becky Smethurst, quien estudia los agujeros negros supermasivos.

"Las galaxias más bonitas son las que podrían ayudarnos a resolver el misterio de cómo crecen estos agujeros negros".

4. ¿Cómo aparece un agujero negro?

Hay un pequeño secreto sobre cuán convencional, si se le puede llamar así, es la forma en la que un agujero negro aparece y crece.

Una estrella moribunda se queda sin combustible, explota en una supernova, colapsa sobre sí misma y se vuelve tan densa que ni siquiera la luz puede escapar de su intensa gravedad.

La idea de los agujeros negros existe desde hace un siglo y ya la predijo la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein.

En la cultura popular, los agujeros negros son perfectamente oscuros y están infinitamente hambrientos.

Ellos atraviesan el universo absorbiendo todo lo que encuentran a su paso, haciéndose más grandes y voraces a medida que lo hacen.

Misterio resuelto, uno podría pensar: los agujeros negros supermasivos son simplemente los más hambrientos y los más antiguos de su tipo.

Sin embargo, los agujeros negros no están a la altura de su monstruosa reputación.

Son sorprendentemente ineficaces en la acreción (término científico para decir "absorber") del material circundante, incluso en un núcleo galáctico denso.

De hecho, las estrellas colapsadas crecen tan lentamente que no podrían volverse supermasivas simplemente absorbiendo material nuevo.

"Supongamos que las primeras estrellas formaron agujeros negros alrededor de 200 millones de años después del Big Bang", dice Smethurst.

"Después de que colapsaron, tienes alrededor de 13.500 millones de años para hacer crecer tu agujero negro a miles de millones de veces la masa del Sol. Es un tiempo demasiado corto para hacerlo tan grande solo con la absorción de material", agrega.

Aún más desconcertante es saber que los agujeros negros supermasivos ya existían cuando el universo estaba todavía en su relativa infancia.

Los cuásares lejanos, algunos de los objetos más brillantes del cielo nocturno, son en realidad antiguos agujeros negros supermasivos que han incendiado los núcleos de galaxias moribundas.

Algunos de estos gigantes han estado presentes al menos desde que el universo tenía apenas 670 millones de años, en un momento en que se estaban formando algunas de las galaxias más antiguas conocidas.