¿QUÉ SON HOYOS NEGROS?
Para poder responder a esta pregunta, es conveniente primeramente
discutir brevemente qué es la gravedad, ya que la fuerza más
palpable cuando vemos a los astros es la gravedad.
La gravedad no solo hizo que una manzana le cayera a Isaac Newton
sobre la cabeza, sino también mantiene a la Luna moviéndose
alrededor de la Tierra; y a los planetas (incluyendo la Tierra), los
cometas, y otros cuerpos menores, moviéndose alrededor del Sol. A su
vez mantiene al Sol dentro de la Vía Láctea; hace girar a nuestra
galaxia alrededor del centro del Grupo Local, y así sucesivamente.
Newton descubrió que la gravedad es un fuerza atractiva,
queriendo decir que todos los objetos físicos se atraen entre si a
través de la gravedad, y que la fuerza de gravedad es mas intensa
mientras mas cercanos estén los objetos. La fuerza de gravedad mas
fuerte que nosotros percibimos en nuestra vida cotidiana es la
fuerza de gravedad que ejerce la Tierra sobre nosotros y sobre los
objetos a nuestro alrededor que tienden a "caer" hacia el centro de
la Tierra.
Hay dos razones fundamentales por la cual la fuerza de gravedad
de la Tierra domina nuestras experiencias diarias; primero, la masa
de la Tierra es considerablemente más grande que los objetos a
nuestro alrededor (por ejemplo, una mesa); y segundo, la Tierra esta
bien cerca. Por ejemplo, aunque el Sol tenga mucha más masa que la
Tierra, como esta mucho más lejos de nosotros que la Tierra, la
fuerza de gravedad que el Sol ejerce sobre nosotros es mucho menor
que la que ejerce la Tierra.
Ahora bien, si la gravedad está presente en todos los objetos,
surge la siguiente pregunta sobre cualquier estrella. Consideremos a
nuestro Sol, por ejemplo, todas sus partículas se atraen entre sí,
¿Por qué el Sol no se contrae a un punto? ¿Por qué el Sol no se
compacta a un espacio arbitrariamente pequeño debido a su propia
gravedad? La respuesta es que las estrellas, como nuestro Sol,
producen y emiten grandes cantidades de energía en forma de
radiación electromagnética a diversas frecuencias. Las frecuencias
que nosotros podemos detectar con nuestros ojos es lo que llamamos
luz visible.
La radiación tiene dos características fundamentales: el momentum
y la energía (las cuales a su vez están íntimamente relacionadas).
El momentum implica que la radiación es capaz de ejercer fuerzas
sobre los objetos, y la energía implica que la radiación es capaz de
transferirle energía a los objetos.
Pero aunque el aspecto de energía es para nosotros, como seres
vivientes sobre la Tierra, fundamental, porque es gracias a la
energía que recibimos del Sol que la vida sobre la superficie
terrestre es posible. Es el aspecto de momentum el que es
fundamental para nuestra discusión. La idea general es que el
momentum de la radiación que emiten las estrellas tiende a empujar
las partículas que componen las estrellas "hacia afuera", es decir,
tienden a expandir la estrella. Por otro lado, la fuerzas de
gravedad tienden a empujar las partículas que las componen “hacia
adentro”, es decir, tienden a compactar a la estrella. Estas dos
fuerza entran en equilibrio y las estrellas, como nuestro Sol,
mantiene una estructura, un tamaño, y una emisión de energía
radiactiva estable en el tiempo.
Ahora, ¿Qué sucede cuando se agota el combustible de la estrella?
La energía que se emite en forma de radiación decae. El empuje hacia
fuera de la radiación, por lo tanto, también decae. Como la gravedad
está siempre presente, hacia el final del ciclo de vida de un
estrella, cuando se vaya agotando su combustible, las estrellas
tienden a contraerse.
Desde hace poco más de doscientos años, se ha planteado que una
posible consecuencia de la fuerza de gravedad es que si una estrella
llegara a ser suficientemente compacta, ni una partícula, ni la luz,
podrían escapar de su superficie porque la fuerza de gravedad sería
demasiado intensa. ¿Me siguen? Estos objetos físicos se llaman hoy
en día “hoyos negros”. El término “hoyo” viene de la propiedad de
que cualquier objeto que cayera en su superficie quedaría atrapado
para siempre. El término “negro” viene de la propiedad de que, como
la luz tampoco puede escapar de su superficie, un hoyo negro no
puede emitir luz y por lo tanto no puede ser visto.
Surge entonces la siguiente pregunta, ¿Si no podemos ver hoyos
negros, si no podemos detectarlos directamente con nuestros
telescopios, ¿cómo podemos saber si realmente existen? La respuesta
es que aunque no podemos ver un hoyo negro, sí podemos ver el efecto
que tiene el campo gravitatorio del hoyo negro en su vecindad. Y si
podemos detectar un fenómeno astronómico que requiera gravedad,
podremos estudiar dicho fenómeno y en principio podríamos determinar
la posición y tamaño de la masa que genera la gravedad. Inclusive
podríamos estimar el volumen máximo que podría ocupar dicha masa, y
a todas estas no estamos viendo el objeto.
Para ilustrar qué tan factible es detectar los efectos de la
gravedad de un hoyo negro, sin ver el hoyo negro mismo, podemos
notar que históricamente el planeta Neptuno fue descubierto por las
perturbaciones que su gravedad ejercía sobre la órbita del planeta
Urano. Estudiando estas perturbaciones, la posición y masa del
objeto causante de las perturbaciones fueron calculadas, y
dirigiendo observaciones basadas en estos cálculos, se descubrió
Neptuno (visualmente detectado con telescopio) en 1846.
Uno de los efectos visibles que en su vecindad puede generar un
hoyo negro es un disco de acreción.
¿QUÉ ES UN DISCO DE ACRECIÓN?
Así como los planetas de nuestro sistema solar giran alrededor
del Sol, por la fuerza de gravedad del Sol, de igual manera podría
haber material/objetos girando alrededor de un hoyo negro (lo
suficientemente lejos del mismo para no estar permanentemente
atrapados por el hoyo negro). Esto podría ocurrir en un sistema
binario (sistemas compuestos por dos estrellas) en donde una
estrella podría ser un hoyo negro y la otra una estrella “normal”
visible. Tales circunstancias también podrían ocurrir en galaxias,
donde las estrellas y materia galáctica en general, podría girar
alrededor de un hoyo negro. De hecho, estudiando el movimiento de
estrellas cercanas al centro galáctico, se ha conseguido evidencia
de que en el centro de la Vía Láctea, nuestra galaxia, hay un hoyo
negro con una masa algunos millones de veces mas grande que nuestro
Sol.
Si hay material gaseoso girando alrededor de un hoyo negro, por
efectos de viscosidad, dicho material tendera a perder energía y a
realizar órbitas cada vez más cercanas al hoyo negro. A su vez esta
energía sería procesada e irradiada por el gas.
Si, adicionalmente, hay un alimentación constante de masa hacia
el hoyo negro, a través de material tomado de una estrella compañera
en un sistema binario, o de material tomado del medio interestelar
galáctico en el caso de galaxias, entonces se formará un disco de
material, cuyo material va girando en espiral hasta caer dentro del
hoyo negro. La energía que va perdiendo el material del disco, a
medida que se va acercando al hoyo negro, se irradiaría. Es decir,
el disco sería luminoso. El disco sería parecido a una estrella en
forma de plato (en vez de esfera).
A este disco luminoso que se genera por material girando
alrededor de un cuerpo con fuerzas gravitacionales muy intensas, se
le llama “disco de acreción”.
Si un hoyo negro se encuentra en un ambiente adecuado, se podría
generar un disco de acreción, y aunque el hoyo negro no se puede
ver, el disco sería perfectamente visible y las propiedades del
disco dependerían del hoyo negro.
¿PARA QUÉ ESTUDIAR HOYOS NEGROS Y DISCOS
DE ACRECIÓN?
Los motivos por Los que debemos estudiar estos sistemas son
diversos, y van mas allá de satisfacer la curiosidad de entender
nuestro universo. Hay evidencia observacional de que existen objetos
astrofísicos compactos con campos gravitatorios mucho más fuertes
que cualquier campo gravitatorio que pudiéramos medir de fenómenos
naturales en la Tierra o en nuestro Sistema Solar, o que pudiéramos
reproducir en nuestros laboratorios con la tecnología actual. Estos
objetos podrían muy bien ser “hoyos negros”. En el caso de los
discos de acreción, hay también evidencia contundente y directa de
su existencia en sistemas estelares binarios donde en muchos casos
la radiación del disco es la fuente predominante de luz.
El estudio de estos sistemas físicos nos brinda la oportunidad de
estudiar y poner a prueba nuestras nociones actuales de física en
condiciones que no pudiéramos reproducir en un laboratorio. Además,
al descubrir y entender nuevos aspectos del universo que nos rodea,
las posibilidades de aplicación de ese conocimiento, a largo plazo,
no tiene límites. Nuevas fuentes de energía actualmente
inimaginables podrían ser halladas, métodos más seguros y eficientes
de transporte podrían ser desarrollados, métodos más confiables y
eficientes para viajes espaciales podrían ser descubiertos,
abriéndonos el paso a una fuente infinita de recursos naturales y a
la oportunidad de continuar extendiendo los horizontes del
conocimiento humano. |
