martes, 4 de febrero de 2014

Agujeros negros para principiantes



Los agujeros negros son objetos astronómicos de gran interés tanto para los investigadores profesionales como para el público en general.  Estudiarlos a fondo requiere un amplio conocimiento de todas las ramas de la física y, ante todo, mucha imaginación.  Es irónico, entonces, que por mucho tiempo los agujeros negros fueran considerados completamente ficticios: tan solo una consecuencia curiosa pero imposible de la Teoría de la Relatividad de Einstein.  Hoy en día, sin embargo, son una fuente de trabajo constante para muchos físicos, y han podido ser observados directamente por astrónomos—bueno, tan directamente como se puede.
Distorsión del espacio provocada por un agujero negro.

    Para poder ver qué es un agujero negro, hay que dar un vistazo a la Relatividad General de Einstein.   Antes de la teoría, la naturaleza de la fuerza de gravedad era un misterio, siendo considerada como una acción de atracción a distancia entre dos masas, pero sin un mecanismo claro.  La mecánica de Newton servía para calcular los efectos de la gravedad, pero decía poco o nada acerca de los mecanismos mediante los cuáles ésta operaba.  Además, a finales del siglo XX se encontró que había situaciones en las que resultaba  insuficiente para explicar observaciones astronómicas específicas, tales como la precesión del perihelio de la órbita de Mercurio.  De manera paralela, los físicos se dieron cuenta que las transformaciones galilieanas de la mecánica newtoniana (la suma simple de velocidades y tiempos a la hora de hacer cálculos que involucraran movimiento relativo de cuerpos, o de ondas de luz) daban resultados lógicamente inconsistentes.  Tomando estas disonancias en las teorías y observaciones como punto de partida, Einstein formuló  su Teoría de la Relatividad, que se divide en Relatividad Especial y Relatividad General.

Órbita newtoniana (rojo) comparada con una órbita
relativista (azul) para un planta alrededor de una estrella.
    La Relatividad General define a la gravedad como una deformación del espacio y el tiempo provocada por la masa; objetos más masivos deforman al espacio más que objetos menos masivos.  Siendo el espacio mismo lo que es afectado por la gravedad, inclusive la luz puede verse atraída por ella (en la mecánica newtoniana se suponía que la luz era inmune a efectos gravitacionales, por no tener masa).
    Al poco tiempo de ser publicada la teoría de Einstein, los  físicos se dieron cuenta de que tenía enormes implicaciones.  Entre muchos otros fenómenos predichos por la teoría se encontraban los agujeros negros: regiones del espacio en donde la gravedad es tan fuerte que nada puede salir, ni siquiera la luz.  Esto sucede en las ocasiones en las que el campo gravitacional alrededor de un objeto compacto es tan alto, que ni siquiera la velocidad de la luz es suficiente para poder escapar de él, en cuál caso se tiene un agujero negro.  El objeto en sí podría formarse a partir del núcleo colapsado de una estrella supermasiva durante una explosión de tipo supernova, en cual caso se denomina agujero negro estelar.  Si acumula más material o inclusive si se fusiona con otra estrella  u otro o agujero, entonces puede formarse un agujero negro supermasivo.
    Inmediatamente surgieron las objeciones a la existencia de tales objetos; la principal por muchas décadas era que los agujeros negros violaban las leyes de la termodinámica.  Si se supone que nada puede escapar de un agujero negro, argumentaban algunos físicos, entonces no pueden tener temperatura ni emitir radiación, por lo cuál se viola la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que la entropía de un proceso físico siempre debe ir en aumento.  Esto es, que al acumular materia un agujero negro éste debería calentarse y regresar algo de ese material al espacio en forma de radiación—cosa imposible si es que nada puede salir.
    Este problema fue resuelto en los 70s por Steven Hawking, que utilizó fenómenos cuánticos para idear un mecanismo de radiación para los agujeros negros.  Existe una región alrededor del agujero negro, conocida como el horizonte de eventos, a partir de la cuál ningún objeto (ni la luz) puede escapar.  Tal límite es como el punto a partir del cuál un nadador que se aproxima a una cascada ya no puede hacer nada para evitar caer; por más rápido que nade en dirección contraria, la corriente lo arrastrará.  Hawking explotó el fenómeno cuántico de las partículas virtuales: resulta que inclusive en el espacio vacío, todo el tiempo se están formando pares de partículas que instantáneamente se aniquilan entre sí, preservando la cantidad total de materia como cero. Sin embargo, si uno de estos pares de partículas se forma justo en la orilla de un horizonte de eventos, entonces una de ellas puede caer a través del horizonte—hacia el agujero negro—y la otra, al no tener una compañera con la cuál aniquilarse, escapa hacia el espacio.  La partícula absorbida lleva entonces energía negativa hacia el agujero, provocando que éste se encoja ligeramente.  Mediante este mecanismo, Hawking demostró que los agujeros negros no solamente emiten radiación, sino que además se pueden evaporar.
    Actualmente se cree que en el centro de cada galaxia del Universo hay uno o varios agujeros negros supermasivos.  En nuestra propia Vía Láctea se tiene identificado un objeto con las características necesarias en la región de Sagitario A*, en las profundidades del núcleo galáctico.  En tal región, se observa docenas de estrellas orbitando rápidamente alrededor de un objeto invisible.  Cálculos hechos por astrónomos indican que el objeto debe tener más de cuatro millones de masas solares para producir las órbitas que se observan en las estrellas de la región.  Además, en los próximos años, una nube de gas que se encuentra próxima a este foco de gravitación se acercará lo suficiente como para poder observar cómo es deformada y engullida en un periodo que pudiera durar varias décadas.
Nube de gas G2 siendo destrozada por el agujero en Sagitario A*.
    Pero, ¿qué pasa al caer un objeto a un agujero negro?  La respuesta varía según el punto de vista.  Suponiendo que hubiera dos astronautas, uno  cayendo al agujero negro y otro fijo y a salvo en el exterior, se tendrían versiones de los hechos muy distintas.  Comenzando por el astronauta que se encuentra a salvo y que observa cómo su compañero cae al agujero, primeramente observará que el tiempo de su compañero se hace cada vez más lento a medida que cae.  Además, su compañero tendrá un aspecto rojizo y cada vez más tenue a medida que se acerca al horizonte de eventos, dado que la luz es estirada por la gravedad del agujero.  Finalmente, una vez que el compañero parezca detenido completamente en el tiempo y apenas visible, desaparecerá hacia la oscuridad.
    El astronauta que cae, sin embargo, tiene una perspectiva distinta—y hasta ahora los físicos no están del todo de acuerdo en lo que le sucede.  Tal como el nadador que pasa el punto de no regreso en camino a una cascada, el astronauta no percibe nada particular al momento de pasar el horizonte de eventos.  Por un tiempo, él viaja hacia el centro del agujero negro (conocido como la “singularidad”) tan sólo viendo oscuridad adelante, pero fuera de eso nada anormal.  Lo que le sucede después es actualmente debatido ferozmente por los físicos modernos.
    Por un lado, se encuentra el punto de vista de que las fuerzas de marea alrededor de la singularidad acabarán por destruir al desafortunado astronauta en un proceso llamado “espaguetificación”: si el astronauta cae de pie hacia el agujero, entonces la gravedad en sus pies será mayor que la gravedad a la altura de su cabeza (esto es cierto inclusive en la mecánica newtoniana y campos gravitacionales más débiles, como el de la Tierra).  Esta diferencia se hará tan grande que últimamente acabará por estirarlo hasta que no sea más que un chorro de partículas elementales y entonces caerá a la singularidad, destruido y absorbido por completo.
    Por otro lado, otros físicos proponen que fenómenos cuánticos crean una barrera alrededor de la singularidad, conocida como un “cortafuegos”.  Esto se debe a que las partículas producidas por la radiación Hawking están entrelazadas cuánticamente, y romper ese entrelazamiento libera tremendas cantidades de energía justo dentro del horizonte.  El desafortunado astronauta sería completamente chamuscado por esta barrera mucho antes de que el proceso de espaguetificación pudiera suceder.
    Finalmente, existen teorías—altamente especulativas—de que, debido a la altísima curvatura del espacio-tiempo alrededor de la singularidad, los agujeros negros pudieran servir como túneles interespaciales conocidos como “agujeros de gusano”.  El astronauta—o lo que quedara de él—emergería del agujero negro en otro lugar del espacio y en otro punto del tiempo.  Sin embargo, la mayoría de los físicos coinciden en que este escenario es altamente especulativo, debido a que en las regiones próximas a la singularidad las ecuaciones de Einstein fracasan (algo que también demostró Hawking en los 60s) y es necesario hacer un tratamiento cuántico de la situación, lo cuál hasta ahora no ha sido logrado.
    En su intento por entender la naturaleza detallada de los agujeros negros, los físicos esperan encontrar la manera de reconciliar la Relatividad de Einstein con la Mecánica Cuántica, a través de una Teoría Unificada que describa apropiadamente a la gravedad desde un punto de vista cuántico y al mismo tiempo reproduzca los efectos ya conocidos debidos a la Relatividad.  Tal teoría pudiera servir también para entender mejor los orígenes del Universo, en donde actualmente también se necesita un tratamiento cuántico de la fuerza de gravedad.  Es por esto que el estudio de agujeros negros impulsa las fronteras de la física—y de todo el conocimiento humano.

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