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¿Por qué son oscuros los agujeros negros?
O cuando la gravedad oscurece la luz

Agrupación Astronómica de la Safor

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Hace unos meses visitando la web de la xtec.es/recursos/astronom/, en la página de Preguntes i respostes, Jordi Carulla dejó caer la siguiente pregunta con fecha Thu, 12 Feb 1998. Su curiosidad era: Com pot ser que existeixin forats negres que atrapen la llum amb la seua gravetat si els fotons no tenen massa?. La siguiente explicación está entresacada del libro Agujeros negros y tiempo curvo, (pág.198-199) Ed. Crítica 1995 de Kip S. Thorne, doctorado en física gravitacional en el CALTECH de California, aunque más conocido por prestar el asesoramiento físico y teórico de los hipotéticos agujeros de gusanos en la novela Contact (1985) de Carl Sagan. Recordemos que la heroína Eleanor Arroway viaja de la Tierra a la estrella Vega (a 26 años-luz) en tan sólo unos minutos. Pero respondiendo a la pregunta de Jordi Carulla, decir que, en todo fotón cohabitan, tanto una masa corpúscular como una energía electromagnética, pues así lo demostró la teoría unificadora del premio Nobel, Louis Víctor De Broglie.

¿Por qué es oscuro un agujero negro?

O mas bien, ¿Qué le sucede a la parte energética del fotón, la onda luminosa, cuando quiere escapar del agujero negro a 299.792 kilómetros por segundo?.

En primer lugar, no sabemos ni sabremos qué imágenes puede mostrar un agujero negro por dentro, ya que es un viaje sin billete de vuelta. Ni aún llevándonos un móvil conseguiríamos informar de lo que vemos dentro, pues las radioondas tampoco saldrían del agujero. Recuerdo un sugestivo pensamiento que decía: «Tal vez, sí queremos ver que aspecto tiene el interior de un agujero negro, quizás, debamos mirar a nuestro alrededor, pues tampoco en este Universo la materia y la luz tienen billete de salida», un Universo en expansión, que sin limites ni bordes definidos, se mantiene cerrado por la gravedad de toda la materia existente. Sin duda, los agujeros negros son un producto de la evolución estelar, las leyes de la gravitación llevadas a su máxima consecuencia. Según la Relatividad General, en la superficie de cualquier objeto masivo como una estrella, el tiempo fluye más lentamente que estando muy lejos de ella, a esto le llamamos dilatación gravitatoria del tiempo, a mayor gravedad más se congela y se detiene el tiempo. En la circunferencia crítica o horizonte del agujero negro son tan intensas las fuerzas gravitatorias que el tiempo está totalmente dilatado, parado. Sí el tiempo en el horizonte del agujero negro está congelado, implica esto, que la frecuencia de propagación de cualquier onda electromagnética (luz) también estará congelada. Puesto que la frecuencia siempre tiene que oscilar sobre un tiempo y, por tanto, donde no hay tiempo no hay frecuencia (ciclos por segundos). Con todo ello, deja de existir cualquier tipo de onda electromagnética, tanto en la banda visible como en la no visible. El agujero negro nunca emite ningún tipo de radiación, luz o imagen, es la oscuridad total. La onda ha perdido toda su energía al carecer de frecuencia, y una onda sin crestas es una onda inexistente. El fotón manifiesta una onda plana (muerta), como cuando decimos que un cerebro presenta encefalograma plano al carecer de actividad energética. Por tanto, en el horizonte del agujero, más que frenar e impedir que salga la onda luminosa u otro tipo de onda electromagnética, lo que sucede es que la intensa fuerza gravitatoria de varios miles de millones de ges, anula y sustrae la energía de cualquier onda. Científicamente se dice, que la onda de luz o fotón, a medida que intenta salir del intenso campo gravitatorio para cruzar la circunferencia crítica del agujero negro la onda sufre progresivamente un desplazamiento total hacia el extremo rojo del espectro, donde la longitud de onda se alarga al infinito y la luz se oscurece.

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De estrella, a agujero negro

Pero, la vida de las estrellas es un continuo y difícil equilibrio entre, por un lado, su tendencia a colapsar hacia el centro por efecto de la atracción gravitatoria de su propia masa y, por el otro, la presión hacia fuera ejercida por la radiación generada por el descomunal reactor de fusión, que en sí, es el núcleo de una estrella. Hoy día, en la edad de oro de los agujeros negros sabemos que las estrellas masivas de como mínimo 15 masas solares y de vida corta, cuando agotan su ciclo energético y todavía les queda una masa residual mayor de 2,2 masas solares, son candidatas a implosionar en agujeros negros. Estas grandes estrellas después de haber quemado el hidrógeno y los últimos «cartuchos» de helio las reacciones nucleares de fusión entran en notable recesión y la presión ejercida por esta radiación, es ya incapaz de sostener las capas externas de la estrella. La contracción gravitatoria vence y estas capas externas de la estrella se derrumban (implosionan) hacia su centro, la explosión de supernova está servida. El denso núcleo de masa residual que queda, irremisiblemente también se derrumba gravitacionalmente hacia su centro. La estructura del átomo ha quedado rota, la corteza exterior de electrones desapareció y la misma densidad ha combinado electrones y protones originando neutrones. Pero ni siquiera la presión de los neutrones estrechamente empaquetados consigue evitar este último colapso o desplome de toda la masa residual, confinándose en una reducida circunferencia. La materia ha sido destruida y condensada en una papilla de neutrones y otras partículas, situada en la singularidad o centro del agujero negro, donde la llamada gravedad de marea y la curvatura espacio-tiempo son allí infinitamente intensas.

 

Una prematura hipótesis (por sí queréis continuar leyendo)

En 1783, el astrónomo británico John Michell fue el primero que teorizó y pronosticó la posible existencia de estos agujeros negros, que él llamaba «estrellas oscuras», decía: "Si en la Tierra, para que una partícula (o cohete) pueda salir al exterior, se necesita una velocidad de escape de 11 km/s. En el sol, debido a su mayor gravedad, dicha partícula necesitaría una velocidad de 617 km/s para poder escapar de la gravedad solar. ¿Cuánto tendré que reducir y comprimir la circunferencia del Sol hasta conseguir una gravedad tan fuerte, que una partícula o fotón necesite una velocidad de escape igual a la de la luz, 299.792 km/s?". Pues Michell era buen conocedor de las leyes gravitatorias de Newton y pudo demostrar que la velocidad de escape es proporcional a la raíz cuadrada de la masa estelar dividida por su circunferencia. Esta circunferencia para el sol, la calculó en 18,5 km y la llamó circunferencia crítica, hoy día se le llama horizonte o superficie esférica del agujero negro. Por tanto, para que un fotón o corpúsculo de luz pudiera salir de tal circunferencia crítica, necesitaría una velocidad de escape superior a la velocidad de la luz, y a John Michell esto le parecía inviable, el Sol con esa circunferencia crítica tendría que convertirse sin remisión en una esfera oscura e inobservable, pues dedujo que la luz nunca superaría la velocidad estándar conocida en su época. La luz nunca saldría de la estrella.

Como postulado teórico era muy correcto, pero John Michell al igual que mucha gente de hoy día, incurrió en el error de interpretar que los fotones de luz al salir de la estrella oscura (o centro del agujero negro), a cierta altura y antes de salir de la circunferencia crítica, eran frenados y devueltos a la superficie de la estrella por efecto de la intensa gravedad. Inconscientemente pensó que la velocidad de la onda de luz era relativa. A finales del s. XVIII no se sabía nada aún sobre el valor constante y absoluto de la velocidad de la luz. En 1905 Albert Einstein demostró, en su primera teoría de la Relatividad Especial, que la luz, al igual que todas las ondas electromagnéticas siempre viajan a la velocidad constante e invariable de 299.792 km/s. La onda de luz, por efecto gravitatorio, se puede desviar y curvar pero nunca frenar, reducir o alterar su velocidad. La velocidad de la luz es una contante universal que participa y define muchas ecuaciones. 

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En este sistema binario el agujero negro absorbe materia y gas de la estrella compañera (o capturada). Esta materia en su caída hacia el agujero negro emite rayos X.

 

Así se dan a conocer

Los agujeros negros son objetos que visualmente se han quedado aislados del Universo y se dan a conocer, entre otras manifestaciones, por la acentuada emisión de rayos X. La materia, tanto partícula, gas u objeto, al quedar atrapada por el potente remolino gravitatorio (zona de influencia del agujero negro), ésta se precipita a altas velocidades hacia su horizonte. La materia, en su caída, crea un frente de choque en el que se calienta hasta temperaturas de millones de grados. La materia en estas condiciones desprende rayos X. Estos rayos X son el «canto de cisne» de la materia antes de ser engullida y destruida en el interior del agujero negro. Nuestra atmósfera resulta opaca a este tipo de radiación, por tanto, para que estos observatorios puedan abrir sus ojos a los rayos X, se tienen que situar fuera de la Tierra. El 23 de julio de 1999, fue lanzado al espacio el Chandra X-Ray, un satélite para el estudio de cualquier objeto cósmico que emita rayos X, como las radiogalaxias que en su seno pueden albergar grandes agujeros negros, las densas estrellas de neutrones o las explosiones de supernova. Como también los sistemas binarios de agujero negro asociado a una estrella compañera. Este satélite lleva el nombre del astrofísico norteamericano y Premio Nobel, de origen indio Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995), un experto en evolución estelar y uno de los primero, que a mediados de la década de los 70, describió matemáticamente el concepto de agujero negro.

Josep Emili Arias Miñana       
Agrupació Astronómica Safor, Gandia

 
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