En nuestra vida moderna llena de comunicaciones al instante y de mala información,  existen algunas cuestiones que se especulan en materia científica, una de ellas es acerca de los agujeros negros. La primera vez que se utilizó el término agujero negro fue en referencia a la evolución de las estrellas.

Una estrella se forma cuando una cantidad de gas, principalmente Hidrógeno, comienza a colapsar sobre sí mismo debido a su atracción gravitatoria. Conforme se contrae, sus átomos empiezan a colisionar entre sí, cada vez con mayor frecuencia y a mayores velocidades: el gas se calienta, con el tiempo, el gas estará tan caliente que cuando los átomos de hidrógeno choquen ya no saldrán rebotados, sino que se fundirán formando helio. El calor desprendido por la reacción, que es como una explosión controlada de una bomba de Hidrógeno hace que la estrella brille. Este calor adicional también aumenta la presión del gas hasta que ésta es suficiente para equilibrar la atracción gravitatoria, y el gas deja de contraerse. Las estrellas permanecerán estables en esta forma por un largo periodo, con el calor de las reacciones nucleares equilibrando la atracción gravitatoria.

Finalmente sin embargo la estrella consumirá todo su hidrógeno y los otros combustibles nucleares. Paradójicamente, cuanto más combustible posee una estrella al principio, más pronto se le acaba. Esto se debe a que cuando más masiva es la estrella, más caliente debe de estar para contrarrestar la atracción gravitatoria, y cuanto más caliente está más rápidamente utiliza todo su combustible. Cuando una estrella se queda sin combustible empieza a enfriarse y por lo tanto a contraerse.

En 1928 Chandrasekhar calculó lo grande que podría llegar a ser una estrella que fuera capaz de soportar su propia gravedad, una vez que hubiera agotado todo su combustible. Chandrasekhar calculó que una estrella fría de más de aproximadamente una vez y media la masa del Sol no sería capaz de soportar su gravedad. Esto se conoce como límite de Chandrasekhar

Einstein desarrolló ecuaciones que describen el campo gravitatorio alrededor de una estrella esférica, Karl Schwarzschild encontró en la 1916 primera solución de esta ecuación; donde se define el radio  de Schwarzschild.

Esto quiere decir que existe un colapso gravitatorio para una estrella cuando su radio es menor que el radio de Schwarzschild, y eso significa que la atracción gravitacional es tan intensa que no hay radiación alguna que escape al infinito.

La región de espacio tiempo que cumple con esta condición es llamada agujero negro.

El colapso gravitacional de una estrella es la manera más sencilla de visualizar la formación de un agujero negro, la figura 1 muestra como ocurre esto. El centro de la estrella está en r = 0. La curvatura del espacio tiempo se visualiza por medio de los llamados conos de luz generados por las trayectorias de los rayos de luz. El campo gravitatorio de la estrella dobla o curva los caminos de los rayos de luz, en el espacio-tiempo. Los conos de luz que indican los caminos seguidos en el espacio y en el tiempo por destellos luminosos emitidos desde sus vértices, se inclinan ligeramente hacia dentro cerca de la superficie de la estrella. Cuando la estrella se contrae, el campo gravitatorio en su superficie es más intenso y los conos de luz se inclinan más hacia dentro. Finalmente cuando el radio de la estrella se reduce al radio de Schwarzschild el colapso es inevitable, los conos de luz se inclinan tanto hacia adentro que la luz no sale.

Stephen Hawking y Roger Penrose (que recientemente ganó el permio nobel de Física por su trabajo sobre agujeros negros)[2,3] demostraron que de acuerdo con relatividad general,  dentro de un agujero negro existe una zona donde se tiene una densidad y curvatura infinitas, llamada singularidad. En esta singularidad, las leyes de la física fallan completamente.

A la frontera de un agujero negro se le da el nombre de horizonte de sucesos, que mantiene oculta a la singularidad, esto se conoce como hipótesis de censura cósmica. El horizonte de sucesos actúa como una membrana en una sola dirección de un agujero negro, este horizonte es el camino en el espacio-tiempo de la luz que está tratando de escapar del agujero negro.

El agujero negro de Schwarzschild no es el único tipo de agujero negro, existen sólo cuatro soluciones exactas para las ecuaciones de Einstein que son soluciones que describen a un agujero negro,

• Agujero negro de Schwarzschild(1916); estático, esféricamente simétrico definido por su masa.
• Agujero negro de Reissner-Nordstrom(1918) estático, esféricamente simétrico, depende de la masa M y de la carga eléctrica Q.
• Agujero negro de Kerr(1963); es un agujero negro en rotación definido no sólo por su masa sino también por su momento angular.
• Agujero negro de Kerr-Newman(1965); estacionario y esféricamente antisimétrico depende de los parámetros masa M, momento angular J y carga Q.

Finalmente después de un colapso gravitatorio un agujero negro se debe asentar en un estado en el que puede rotar, pero no puede tener pulsaciones, es decir no puede tener aumentos y disminuciones periódicos de su tamaño. Además su tamaño y forma sólo dependerán de su masa y velocidad de rotación, y no de la naturaleza del cuerpo que lo ha generado mediante su colapso, esto se conoce como agujero negro sin pelo, así se restringen los tipos de agujeros negros.

No todos los agujeros negros se originan de un colapso gravitacional, se especula que pueden existir agujeros negros con una masa mucho menor que la del Sol, estos agujeros negros se originarían en las altas temperaturas y presiones del universo en una fase muy inicial, este tipo de agujeros negros es conocido como agujeros negros primitivos.

1. S. Hawking “A Brief History Of Time», (1988)

2. R. Penrose “Gravitational Collapse and Space-Time Singularities»,  Phys. Rev. Lett. 14, 57, (1965)

3. S. Hawking “Singularities in the Universe», Phys. Rev. Lett.  17, 444, (1966)

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Acerca de nuestro divulgador invitado: Saúl Sánchez Morales, egresado de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, BUAP, con un paso en el Instituto de Física «Luis Rivera Terrazas» y con un estacionamiento en la Academia de Física de la Preparatoria Emiliano Zapata, donde ha podido desarrollar algunas pasiones como la astronomía amateur, y la participación de estudiantes en diversos eventos internacionales como el International Cosmic Day, o las master clases del CERN. Fundador del club de Física, Scienta Zapata donde se hace divulgación de la ciencia en redes sociales así como concursos astronómicos y pláticas de divulgación. Apasionado de la Ciencia Ficción y de los tacos de carnitas, disfruta leyendo el periódico, así como preparar alumnos para las olimpiadas de Física y de Astronomía. 

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Esta entrada es el resultado del taller Escribir para divulgar, donde los participantes han empezado a desarrollar habilidades de escritura, para compartir eso que saben o que les gusta acerca de la ciencia y la tecnología.

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