Agujero negro

Un agujero negro u hoyo negro es una región en el espacio-tiempo en donde el campo gravitacional es tan grande que impide hasta que la luz escape al infinito. De manera simplificada, un agujero negro es lo que sucede cuando una estrella es tan grande que su fuerza de gravedad hace que toda la estrella se concentre en un cuerpo muchísimo más pequeño.

El concepto actual de un objeto de tal magnitud que la luz no puede escapar fue sugerido por primera vez en 1783 por el geólogo John Michell. El término black hole fue acuñado por el físico teórico John Wheeler en 1967; antes de eso, los agujeros negros eran conocidos como estrellas frias o congeladas.

Características de los agujeros negros

  • Gran fuerza de atracción gravitacional: tan fuerte que la luz no puede escapar.
  • Poseen masa de por lo menos miles de soles.
  • No tienen superficies rígidas.
  • Emiten una forma de radiación conocida como radiación Hawking.
  • No poseen atributos externos, excepto masa, momento angular y carga.
  • Contiene una singularidad dentro.
  • Se encuentran potencialmente en el centro de cada galaxia

Radio Schwarzschild

El astrónomo alemán Karl Schwarzschild calculó lo que se conoce ahora como el radio Schwarzschild o el horizonte de eventos o sucesos. Este radio define una esfera rodeando un cuerpo de una masa particular, conocida como la singularidad, de la cual no se conoce sus propiedades.

¿Cómo se forma un agujero negro?

tres agujeros negros
Imagen de rayos-X y del telescopio Hubble de un sistema de tres agujeros negros supermasivos observado el 25 de septiembre del 2019.

El origen de un agujero negro solo se puede establecer teóricamente. El colapso gravitacional de una estrella masiva para formar un agujero negro fue descrito por primera vez en 1939 por J. Robert Oppenheimer y Hartland Snyder.

Un agujero negro se forma cuando un cuerpo de una determinada masa (una estrella) se contrae a un tamaño menor que el radio gravitacional. Esta contracción es debida a la gran fuerza de gravedad que atrae los objetos al centro de masa del cuerpo.

Por ejemplo, si el Sol se encogiera hasta menos de 3 km, se transformaría en un agujero negro con una fuerza gravitacional de 1,5 x 1012 veces la gravedad de la Tierra.

La mayoría de los agujeros negros se forman de los remanentes de grandes estrellas que explotan como supernovas. También se podrían formar por el choque entre dos estrellas o un agujero negro con una estrella de neutrones.

El 25 de septiembre del 2019 se detectó por primera vez la existencia de tres agujeros negros supermasivos a punto de chocar, con lo que se presume la formación de un nuevo agujero negro supermasivo.

Tipos de agujero negro

Los astrofísicos modernos consideran la existencia de tres tipos de agujeros negros en el Universo:

  • agujeros negros estelares, esto es, agujeros negros que nacieron cuando murieron estrellas masivas;
  • agujeros negros supermasivos: aquellos en los centros de las galaxias que poseen masas mayores a 10 mil millones de soles;
  • agujeros negros primordiales: se formaron al inicio de la expansión del Universo a partir de falta de homogeneidad.

Partes de un agujero negro

parte de un agujero negro
Visualización de un agujero negro con las partes que lo conforman.

Horizonte de eventos

El horizonte de eventos o radio Schwarzschild es la esfera que rodea la singularidad del agujero negro de la cual no escapa nada. Es decir, es la zona oscura del hoyo negro.

El horizonte de eventos o suceso divide dos áreas que no se pueden comunicar entre sí, es decir, es el punto donde la velocidad de escape es la misma que la velocidad de la luz. Actúa como una membrana de un solo sentido, donde las partículas y la radiación pueden entrar pero no se pueden regresar.

Ergosfera

Esta es la región alrededor de un agujero negro en rotación. En esta región el mismo espacio-tiempo se arrastra en la dirección de rotación a una velocidad mayor que la velocidad local de la luz en relación con el resto del universo.

ISCO

La ISCO (por sus siglas en inglés Innermost Stable Circular Orbit) u órbita marginalmente estable el circulo de radio más pequeño fuera del cual las partículas libres pueden orbitar establemente alrededor de un agujero negro.

Disco de acreción

El disco de acreción es el grupo de círculos de elementos gaseosos que giran en órbitas alrededor del agujero negro, formando un disco que lo rodea. La ISCO es el la región de la última órbita circular estable.

La principal fuente de luminosidad del disco de acreción es la energia gravitacional liberada cuando los gases en el disco bajan en espiral hacia el horizonte de eventos.

Jets o chorros

Los jets o chorros son corrientes de materia estrechas, largas y rápidas que emergen de regiones muy compactas alrededor del agujero negro, generalmente en direcciones opuestas, presumiblemente normales al plano del disco de acreción.

Primera imagen de un agujero negro

black hole agujero hoyo negro
Imagen de la sombra del agujero negro de la galaxia M87 (Event Horizon Telescope/National Science Foundation)

La primera imagen de un agujero negro fue publicada el 10 de abril del 2019 por el grupo multinacional telescopio de horizonte de eventos EHT (por sus siglas en inglés Event Horizon Telescope). Usando ocho radio telescopios distribuidos en distintos puntos de la Tierra lograron formar un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Los observatorios que participaron en esta etapa fueron:

  • Observatorio Atacama Pathfinder Experiment (APEX): altitud 5 100 m, cerro Chajnantor, Chile.
  • Observatorio Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA): altitud 5 000 m, Cerro Chajnantor, Chile.
  • Telescopio IRAM 30-metros: altitud 2 850 m, Pico Veleta, España.
  • Telescopio "James Clerk Maxwell": altitud 4 100 m, Maunakea, Hawaii, EE.UU.
  • Telescopio "Alfonso Serrano": altitud 4 600 m, Sierra Negra, México.
  • Observatorio Submillimeter Array (SMA): altitud 4 100 m, Maunakea, Hawaii, EE.UU.
  • Observatorio Submillimeter Telescope (SMT): altitud 3 100 m, Mount Graham, Arizona, EE.UU.
  • Observatorio Polo Sur Telescope (SPT): altitud 2 800 m, Estación del Polo Sur, Antartica.

El proyecto EHT tiene como objetivo observar el ambiente inmediato a los agujeros negros. En este sentido eligieron dos agujeros negros:

  1. en el centro de la galaxia Messier M87, una galaxia gigante elíptica localizada en la constelación Virgo.
  2. En la Vía Láctea el agujero negro Sagittarius A* (se pronuncia sagittarius A estrella).

¿Cuántos agujeros negros existen?

Los agujeros negros se pueden encontrar en los centros de las galaxias y en sistemas binarios de estrellas, esto es, sistemas de dos estrellas orbitando en mismo centro.

Los astrónomos pueden detectar a los agujeros negros través de las perturbaciones en las emisiones de rayos-X que estos producen en estrellas cercanas. Se estima que solo en nuestra galaxia pueden existir mas de diez millones de agujeros negros.

Por ejemplo, en el centro de la Vía Láctea existe un agujero negro conocido como Sagittarius A*. Tiene una masa 4,3 millones de veces mayor que nuestro Sol y se encuentra a 25 000 años luz de la Tierra.

¿Por qué un agujero negro?

La existencia de los agujeros negros introdujo en la física el concepto de "invisibilidad". Esto es, para cualquier observador en el exterior del agujero negro, existe esta región en la cuál no se observa nada, una región "invisible" en el espacio. Sin embargo, no significa que no exista nada dentro, o que sea un "hueco" en el espacio-tiempo.

Video explicativo de un agujero negro

A continuación presentamos un video realizado por el grupo RelAstro de la Universidad Goethe en Frankfurt (Alemania) donde se simula el comportamiento de un agujero negro:

Vea también Teoría del big bang.

Referencias

Abramowicz, M.A., Fragile, P.C. (2013). Foundations of black hole accretion disk theory. Living Rev. Relativity 16: 1.

Frolov, V. P., Novikov, I. D. (1997). Black Hole Physics: basic concepts and new developments. Kluwer Academic Publishers.