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Todos los misterios sobre los agujeros negros, de la A a la Z

Publicado por 10 abril, 2019
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Este miércoles se ha presentado la primera imagen de un agujero negro gracias al resultado del proyecto Telescopio Horizonte de Sucesos (EHT), una red formada por diez radiotelescopios de diferentes puntos del planeta (Hawaii, Arizona, Chile, México, España y la Antártida) qué tomó imágenes de un fenómeno muy conocido y del que no aún habíamos sido capaces de captar en imagen.

Los agujeros negros han sido durante varias décadas un elemento recurrente en la ciencia ficción y nos causan evidente fascinación, pese a que a menudo sus apariciones literarias o cinematográficas son cuanto menos inexactas y han dejado la puerta abierta a la imaginación. Estas son todas las certezas y las dudas que generan en el mundo científico… de la A a la Z.

De la A a la Z

Agujero negro. Un agujero negro es una región del espacio con una densidad y una concentración de masa de tal magnitud que genera un campo gravitatorio del que nada, ni siquiera la luz, puede escapar.

(Agujero negro) Binario. Sistema formado por dos agujeros negros orbitando alrededor cada uno del otro. Su existencia, aunque había sido teorizada mucho antes, no se confirmó hasta el año 2016, junto con la de las ondas gravitacionales; de hecho, los agujeros binarios son la mayor fuente de estas últimas en el universo.

Colapso gravitatorio. Se trata de el desmoronamiento o la implosión de un cuerpo estelar por efecto de su propia gravedad. Este es el mecanismo más conocido por el que se forman los agujeros negros, aunque existen también otras maneras por las que pueden surgir estos cuerpos.

Densidad media. Los agujeros negros están compuestos por un punto en el que se concentra la masa (la singularidad) y un área delimitada en la que la acción de la gravedad evita que nada de lo que entra salga. Por ello, cuanto mayor es la masa de un agujero negro, mayor es este área, al ser mayor el efecto gravitatorio; aunque esa masa se concentra en el mismo volumen. Como consecuencia de ello, en los agujeros negros especialmente grandes (supermasivos), la densidad media puede ser muy baja, incluso menor que la del agua, si la masa supera al menos mil millones de veces la del sol, debido a la amplitud que alcanza el radio de del agujero en estos casos.

Espacio-tiempo. La física moderna, gracias principalmente a la teoría de la relatividad especial de Einstein, considera al espacio y el tiempo como dos conceptos ligados inevitablemente, como un continuo de cuatro dimensiones (las tres físicas observables y una temporal). Según esta teoría, además, estas cuatro dimensiones son relativas al estado de movimiento del observador. Este modelo es imprescindible para entender algunos efectos de los agujeros negros, como el horizonte de eventos o el efecto de microlente.

Fusión de agujeros negros. Dos agujeros negros de un sistema binario pueden llegar a colisionar y fusionarse. Cuando esto ocurre, el agujero resultante posee un radio similar a la suma de los de los dos agujeros, y emite una señal de ondas gravitacionales que podemos detectar.

Gravedad. En la concepción de la relatividad general, la gravedad es una deformación de la geometría del espacio tiempo como resultado de la masa de los cuerpos. Esta idea es la que explica los efectos de los agujeros negros sobre el espacio-tiempo. A grandes rasgos, la enorme cantidad de masa concentrada en el centro de un agujero negro (singularidad) actúa como un pozo gravitatorio, deformando el espacio de tal manera que dentro del horizonte de eventos “crece” (sólo para un observador en el interior) a una velocidad mayor que la luz, razón por la que ni siquiera ésta puede salir de él.

Horizonte de eventos. Un horizonte de eventos es una frontera en el espacio-tiempo a partir de la cual los eventos que ocurren en un lado no pueden afectar a un observador en el contrario. En el caso de un agujero negro, el horizonte de eventos se sitúa a su alrededor, marcando el área a partir de la cual la deformación del espacio-tiempo es tan extrema que nada que lo cruce puede volver a salir, ni siquiera los rayos de luz; por ello, los agujeros negros son tan difíciles de ver (al no emitir luz) y reciben su nombre.

Inflación cósmica. Según esta teoría, en los primeros momentos del universo tuvo lugar un rapidísimo proceso de expansión, por acción de un campo hipotético llamado inflatón. Esto explicaría dos fenómenos fundamentales del universo: la baja curvatura del espacio-tiempo y su homogeneidad e isotropía a gran escala (es decir, que es semejante en todas direcciones). En esta fase es en la que se sitúa el origen teórico de los agujeros negros primordiales, cuya existencia aún no se ha confirmado. Así, estos se habrían formado por el colapso gravitacional del plasma que conformaba el universo primigenio en los pozos gravitacionales que habría generado un modo concreto de expansión.

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(Momento angular) JJ es el signo matemático del la magnitud conocida como momento angular, que se define en un objeto en rotación como la resistencia de ese objeto a la variación de la velocidad angular. Según el teorema de no pelo, las únicas tres magnitudes necesarias para definir el estado de un agujero negro son su masa, su carga eléctrica y su momento angular, que definirá como rota.

(Agujero negro de) Kerr. A este tipo de agujero se le denomina también agujero negro en rotación, en oposición al agujero negro de Schwarzschild (agujero negro estático). Una de las particularidades de este tipo de agujeros es que, cuando tienen suficiente masa, deforman de tal manera el espacio-tiempo a su alrededor que crean una zona a su alrededor en la que, aunque se puede permanecer en ella o salir de la misma sin verse arrastrado hacia la singularidad, es imposible permanecer estático. Lo más interesante, no obstante, es que estos agujeros, al menos en teoría, permitirían los viajes en el tiempo gracias precisamente a este efecto; y que, de una determinada manera (coincidiendo con la dirección y velocidad de rotación) es posible entrar y salir de ellos en otro lugar del espacio-tiempo sorteando la singularidad.

Luz. La luz es simplemente un segmento del espectro de radiación electromagnética que podemos percibir gracias a los ojos. Sin embargo, tiene una característica clave, y es su velocidad en el vacío. Esta cifra, que en física se representa con la letra c, es una constante universal que, por una serie de razones físicas, supone una suerte de ‘límíte de velocidad del universo’, ya que un objeto no puede moverse más rápido que c por el espacio. Sin embargo, el espacio si puede expandirse o deformarse más rápido que c; lo que explica fenómenos como los horizontes de eventos.

Microlente gravitacional. La teoría de la relatividad general de Einstein predecía que la gravedad de los objetos masivos podía llegar a curvar la trayectoría de la luz que llega hasta ellos. Por esto, se ha observado que alrededor de los cuerpos celestes lo bastante grandes se produce un efecto óptico similar a una lente, que curva la luz hasta el punto en el que se pueden observar objetos que están detrás de los mismos. Para un agujero negro, que no emite ninguna luz y por tanto puede ser muy difícil de ver, la microlente gravitacional es una manera sencilla de detectar su presencia.

Nave estelar de agujero negro. Existe una idea teórica, proveniente de la literatura de ciencia ficción, por la que podría utilizarse un agujero negro artificial para generar energía que podría propulsar una nave interestelar. Y, a pesar de su estatus actualmente ficticio, algunos científicos han utilizado esta idea como experimento teórico, llegando a la conclusión de que podría ser factible cuando la tecnología y nuestro conocimiento de la física cuántica avancen, pudiendo llegar a ser un método de generación energética eficiente y seguro.

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Ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son perturbaciones en el espacio-tiempo producidas por objetos masivos en movimiento. Este fenómeno fue predicho por Einstein en su teoría de la relatividad general, y su existencia se confirmó experimentalmente en 201., Se utilizan para detectar agujeros negros, sistemas binarios, estrellas de neutrones y otros objetos.

(Problema del) Pársec final. En un sistema binario, dos agujeros negros muy próximos giran alrededor el uno del otro, acercándose y girando cada vez más rápido hasta colisionar y unirse, liberando en el proceso fuertes ondas gravitacionales. Sin embargo, antes de fusionarse, dos agujeros próximos tienen que perder energía, algo que no esta muy claro como ocurre (aunque se cree que es debido a las interacciones con materia próxima). El problema del pársec final se refiere a este enigma, siendo el pársec una unidad de medida de distancias a escala astronómica que equivale a algo más de tres años luz.

Quasar. Un quasar es una fuente astronómica de energía electromagnética que se origina cuando un agujero negro masivo en el centro de una galaxia comienza a absorber la materia cercana, que se configura en forma de disco de acreción que gira a gran velocidad y emite gran cantidad de energía en forma de ondas de radio, luz visible, rayos infrarrojos, ultravioleta y rayos X.

Relatividad. La teoría de la relatividad comprende tanto la llamada “relatividad general” como la “relatividad especial”, y fue formulada por Einstein como una actualización del canon teórico newtoniano para integrar las observaciones sobre el electromagnetismo, incompatibles con la mecánica newtoniana. A un nivel muy general, postula que tanto el tiempo como el espacio son relativos al movimiento del observador. Así, es esencial para entender el espacio-tiempo como un continuo y para explicar fenómenos como las ondas gravitacionales, la distorsión del espacio-tiempo, la inflación cósmica o los propios agujeros negros.

Singularidad gravitacional. Una singularidad gravitacional, o espaciotemporal, es una zona del espacio-tiempo en la que no se puede definir alguna magnitud física de los campos gravitatorios; sería, por ejemplo, un punto del espacio-tiempo con masa infinita y volumen nulo, como el que se encuentra en el centro de un agujero negro.

Teoría cuántica de la gravedad. Aunque aún no se ha podido formular, la teoría cuántica de la gravedad es el objetivo fundamental del campo de la gravedad cuántica: una teoría que permita unificar la teoría cuántica de campos (para la que es necesario entender el tiempo como lineal y no dinámico, como en la física clásica) y la teoría de la relatividad general, que como hemos mencionado postula el espacio-tiempo como un continuo relativo al observador. Esta teoría permitiría comprender mejor fenómenos como las singularidades gravitacionales, y en consecuencia los agujeros negros o el Big Bang.

Universo. Para la física, el universo es el total del tiempo y del espacio, así como toda la materia y energía que contiene y las leyes que lo rigen. Hasta donde se ha comprobado, consta de al menos cuatro dimensiones (tres espaciales y una temporal) aunque algunas teorías postulan más, como la teoría de cuerdas. En tiempos recientes, han ganado popularidad algunas teorías que señalan la posibilidad de la existencia de varios universos que coexisten, como es el caso de la Teoría del Multiverso.

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Vía Láctea. La Vía Láctea, nuestra galaxia, cuenta con un gran agujero negro en su centro, como la mayoría de las que conocemos, que recibe el nombre Sagitario A y consta de unos 2,6 millones de masas solares. Este agujero es el responsable de la forma y movimiento (en espiral) de la misma, a medida que la materia se ve atraída por su gravedad y arrastrada por el tirón gravitatorio de su rotación.

Wheeler. John Archibald Wheeler fue un físico teórico estadounidense nacido en 1911 y fallecido en 2008. Realizó importantes contribuciones a distintos campos de la física, como la teoría de la fisión nuclear. Participó en el proyecto Manhattan, y colaboró en el desarrollo de la bomba de hidrógeno. Wheeler también aportó al campo de la relatividad, y acuñó términos como “agujero negro” o “agujero de gusano”.

(Rayos)XCon este nombre se denomina a la radiación electromagnética con frecuencias de entre 30 a 30000 PHz, invisible para el ojo humano y capaz de atravesar cuerpos opacos, por lo que se utiliza en medicina para realizar radiografías. Constituyen, además, una importante parte de la energía emitida por los cuásares.

(Máquina)Z. La máquina Z, cuyo nombre completo es Instalación de Potencia Pulsada Z, es un generador de ondas electromagnéticas utilizada para probar materiales en condiciones de presión y temperatura extremas. Es el generador electromagnético más grande del mundo. Por ello, en 2017 se utilizó para recrear en la tierra las condiciones más parecidas posibles a las que se dan en el disco de acreción de un agujero negro, para demostrar que los átomos de hierro no emitían luz en estas condiciones y por ello no podían ser detectados desde la tierra analizando el espectro de luz, algo que sostenían numerosos científicos. Finalmente, el experimento demostró lo contrario y se vió que sí tenían que emitir luz, lo que obligó a revisar parte de la literatura sobre los discos de acreción de los agujeros negros.



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