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miércoles, 31 de agosto de 2016

Agujeros espaciales

Agujeros negros
Los agujeros negros son cuerpos celestes en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada como para generar un campo gravitatorio tan fuerte que ni siquiera la radiación electromagnética (La luz) puede escapar de su proximidad cayendo inexorablemente en el agujero.

La gravedad de un agujero negro, o “curvatura del espacio-tiempo”, provoca una  singularidad  envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto estaba ya previsto por las ecuaciones del campo de Einstein. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo los fotones. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y la que fue su primer indicio.

Agujero negro

Se llama “horizonte de sucesos” ya que el único suceso que puede ocurrir una vez pasada la frontera es el de seguir cayendo en el agujero, puesto que no hay velocidad posible suficientemente grande como para escapar de la atracción gravitatoria, ni tan siquiera a la velocidad de la luz se puede escapar (Aproximadamente 300 000 kilómetros por segundo). 

Un campo de estas características puede corresponder a un cuerpo de alta densidad con una masa relativamente pequeña, como la del Sol o inferior, que está condensada en un volumen mucho menor, o a un cuerpo de baja densidad con una masa muy grande, como una colección de millones de estrellas en el centro de una galaxia.

Propiedades
El concepto de agujero negro lo desarrolló el astrónomo alemán Karl Schwarzschild, en 1916, sobre la base de la teoría de la relatividad de Albert Einstein. El radio del horizonte de sucesos de un agujero negro de Schwarzschild solamente depende de la masa del cuerpo: en kilómetros es 2,95 veces la masa del cuerpo en masas solares, es decir, la masa del cuerpo dividida por la masa del Sol. Si un cuerpo está eléctricamente cargado o está girando, los resultados de Schwarzschild se modifican. En la parte exterior del horizonte se forma una "ergosfera", dentro de la cual la materia se ve obligada a girar con el agujero negro. En principio, la energía solo puede ser emitida por la ergosfera.

Proceso de Penrose
Se puede entrar en la ergosfera a una velocidad determinada y salir a una velocidad mayor, gracias a que se gana "energía cinética". Esta ganancia de energía se arrancaría al propio agujero negro, puesto que un agujero negro podría perder casi el 30% de su energía debido a este proceso. Este fenómeno explicaría, por ejemplo, el desprendimiento de llamaradas de rayos gamma desde el interior de los agujeros negros y también la expulsión de partículas de alta energía por parte de los cuásares (cuerpos celestes, se trata de los astros más alejados en el universo).

Según la relatividad general, la gravitación modifica con intensidad el espacio y el tiempo en las proximidades de un agujero negro. Cuando un observador se acerca al horizonte de sucesos desde el exterior, el tiempo se retrasa con relación al de los observadores a distancia, deteniéndose por completo en el horizonte, sin embargo, se sostiene que para la materia que está acercándose al horizonte de sucesos el tiempo transcurre de manera habitual cayendo inexorablemente al agujero negro.

La gravedad de un agujero negro puede atraer el gas que se encuentra a su alrededor, que se arremolina y calienta a temperaturas de hasta 12 millones de grados Celsius, esto es, una temperatura 2000 veces mayor que la superficie del Sol.

¿Cómo se forma un agujero negro?
Los agujeros negros proceden de un proceso de colapso gravitatorio que fue ampliamente estudiado a mediados de siglo XX por diversos científicos, particularmente por Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking, entre otros. Hawking, en su libro Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros (1988), repasa algunos de los hechos mejor establecidos sobre la formación de agujeros negros.

Este proceso comienza después de la muerte de "un gigante rojo" (una estrella de 30 o más veces la masa del Sol), entendiéndose por muerte la extinción total de su energía. Tras varios miles de millones de años de vida, la fuerza gravitatoria de dicha estrella comienza a ejercer fuerza sobre sí misma, originando una masa concentrada en un pequeño volumen hasta convertirse en una enana blanca. En este punto, dicho proceso puede proseguir hasta el colapso del mencionado astro por la autoatracción gravitatoria y que termina por convertir a esta enana blanca en un agujero negro. Esta acción acaba por reunir una fuerza de atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz en este.

En palabras más simples, un agujero negro es el resultado final de la acción de la gravedad extrema llevada hasta el límite posible. Esa misma gravedad, que mantiene a la estrella estable, la empieza a comprimir, hasta tal punto que los átomos comienzan a aplastarse. Los electrones en órbita se acercan cada vez más al núcleo atómico y acaban fusionándose con los protones, formando más neutrones. El resultado final es una estrella de neutrones. En este punto, dependiendo de la masa de la estrella, el plasma de neutrones dispara una reacción en cadena irreversible y la gravedad aumenta muchísimo al disminuirse la distancia que había originalmente entre los átomos.

Tipos de agujeros negros
Existen tres tipos de agujeros negros: el de masa estelar, los microagujeros, también llamados agujeros negros primordiales, y los supermasivos.

·     Agujeros negros de masa estelar. Se forman cuando una estrella de masa 2,5 veces mayor que la del Sol se convierte en supernova e implosiona. Su núcleo se concentra en un volumen muy pequeño que cada vez se va reduciendo más. Este es el tipo de agujeros negros postulados por primera vez dentro de la teoría de la relatividad general.

·      Los agujeros negros primordiales o microagujeros negros. Se trata de objetos hipotéticos, algo más pequeños que los estelares. Si son lo suficientemente pequeños, pueden llegar a evaporarse en un período bastante corto mediante la emisión de radiación de Hawking. Este tipo de entidades físicas están postulados en algunos enfoques de la gravedad cuántica, pero no pueden ser generados por un proceso convencional de colapso gravitatorio, el cual requeriría masas superiores a la del Sol.

·      Los agujeros negros supermasivos son los que existen en el centro de las galaxias y hacen girar a estas con varios millones de masas solares. Estos se hallarían en el corazón de muchas galaxias y se formarían en el mismo proceso que daría origen a los componentes esféricos de las galaxias.

Historia de los descubrimientos de los agujeros negros
En 1994, el telescopio espacial Hubble proporcionó sólidas pruebas de que existe un agujero negro en el centro de la galaxia M87. La alta aceleración de gases en esta región indicaba que debía haber un objeto o un grupo de objetos de 2,5 a 3500 millones de masas solares.

El físico inglés Stephen Hawking sugirió que muchos agujeros negros podían haberse formado al comienzo del Universo. De ser así, muchos de estos agujeros negros podrían estar demasiado lejos de otra materia para formar discos de acreción detectables, e incluso podrían componer una fracción significativa de la masa total del Universo. En reacción al concepto de singularidad, Hawking declaró que los agujeros negros no se colapsan de esa manera, sino que forman "agujeros de gusano" que se comunican con otros universos diferentes al nuestro.

Un agujero negro de masa lo suficientemente pequeña puede capturar un miembro de un par electrón-positrón cerca del horizonte de sucesos, dejando escapar al otro. Esta partícula sustrae energía del agujero negro, provocando la evaporación de este. Cualquier agujero negro formado en los comienzos del Universo, con una masa menor de unos pocos miles de millones de toneladas, ya se habría evaporado, pero los de mayor masa pueden permanecer.

En enero de 1997, un equipo de astrofísicos estadounidenses presentó nuevos datos sobre los agujeros negros. Sus investigaciones se extendieron a nueve sistemas binarios de estrellas, emisores de rayos X. En cinco de los nueve casos, cuando el material de la estrella de menor masa golpeaba la superficie del otro objeto, este emitía una radiación brillante en su superficie: se trataba de una estrella de neutrones. En las otras cuatro binarias, en las que se creía que había agujeros negros, la radiación emitida por el segundo objeto era mínima: la energía desaparecería a través del horizonte de sucesos. Estos datos constituyeron el conjunto de pruebas más directo (aunque no definitivo) de la existencia de agujeros negros.

En junio de 2004, en una galaxia distante (a 12700 millones de años luz), se descubrió un agujero negro supermasivo en el centro de dicha galaxia. El objeto se denominó "Q0906+6930" y es 16 mil millones de veces más masivo que el Sol y tiene una masa del 3% de la vía Láctea, realmente una cifra impresionante. Técnicamente a este tipo de agujero supermasivo se lo denomina "Blazar".

¿Imposibilidad teórica de los agujeros negros?
Los agujeros negros contienen toda la masa de la estrella en un punto matemático, que es lo que se conoce como singularidad. Einstein nunca aceptó eso, sino que pensaba que la masa debería ocupar una región finita, aunque fuera pequeña, y por eso se opuso a la existencia de agujeros negros, que nadie llamaba así entonces, se conocían como "singularidades de Schwarzschild". El nombre de black hole lo propuso (10 años después de la muerte de Einstein) el físico norteamericano Wheeler.

Dado que los datos experimentales no permiten discernir cuál de las dos teorías (la de relatividad general de Einstein o la relativista de la gravitación de Logunov) es la correcta, pues ambas coinciden para la mayoría de los hechos observacionales bien comprobados, no puede darse por garantizado que los agujeros negros sean una consecuencia necesaria de la gravitación.

En 1995 un equipo de investigadores de la UCLA, dirigido por Andrea Ghez, demostró mediante simulación por ordenadores la posibilidad de la existencia de agujeros negros supermasivos en el núcleo de las galaxias. Tras estos cálculos, mediante el sistema de óptica adaptativa, se verificó que algo deformaba los rayos de luz emitidos desde el centro de nuestra galaxia (la Vía Láctea). Tal deformación se debe a un invisible agujero negro supermasivo que ha sido denominado "Sagittarius A". Entre 2007 y 2008 se iniciaron una serie de experimentos de interferometría a partir de medidas de radiotelescopios, para medir el tamaño del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, al que se le calcula una masa 4.5 millones de veces mayor que la del Sol y una distancia de 26000 años luz (unos 255000 billones de km con respecto a la Tierra). El agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia actualmente estaría poco activo, ya que ha consumido gran parte de la materia bariónica que se encuentra en la zona de su inmediato campo gravitatorio y que emite grandes cantidades de radiación.

La formación de microagujeros negros en los aceleradores de partículas ha sido informada, pero no confirmada. Por ahora, no hay candidatos observados para ser agujeros negros primordiales. El 11 de febrero de 2016, la colaboración LIGO anunció la primera observación directa de ondas gravitatorias, generadas por la fusión de dos agujeros negros de masa estelar. Esto supuso, además, la presencia de dos agujeros negros fusionándose.

¿Qué destino enfrentarías si cayeras en un agujero negro?
Esto podría pasarle a cualquiera. Tal vez estás tratando de encontrar un nuevo planeta habitable para la humanidad, o quizá solo saliste a dar un largo paseo y resbalaste. Sean cuales sean tus circunstancias, en algún momento podemos encontramos frente a la pregunta: "¿Qué sucede cuando alguien cae en un agujero negro?" Probablemente pienses que acabarías aplastado o tal vez hecho añicos, pero la realidad es mucho más extraña que todo eso.

En el instante en el que entraras en el agujero negro, la realidad se dividiría en dos. En una de ellas serías incinerado inmediatamente. Y en la otra te sumergirías en el agujero, totalmente ileso. Y es que los agujeros negros son lugares en los que las leyes de la física que conocemos pierden sentido. Vas a tener que tener un poco de paciencia para entenderlo...

Agujeros de gusano
En Física, un agujero de gusano, también conocido como puente de Einstein-Rosen (y en algunas traducciones españolas como "agujero de lombriz"), es una hipotética característica topológica de un espacio-tiempo, (un túnel que conecta dos puntos del espacio-tiempo, o dos Universos paralelos, un portal de corta duración que dura solo un breve momento y que une dos agujeros negros en diferentes lugares) descrita en las ecuaciones de la relatividad general, que esencialmente consiste en un atajo a través del espacio y del tiempo.

Un modelo de espacio-tiempo 'doblado' ilustra cómo se podría
formar un puente agujero de gusano con, al menos, dos bocas que están
conectadas a una sola garganta o tubo

Un agujero de gusano tiene por lo menos dos extremos conectados a una única garganta, a través de la cual podría desplazarse la materia. Hasta la fecha no se ha hallado ninguna evidencia de que el espacio-tiempo conocido contenga estructuras de este tipo, por lo que en la actualidad es solo una posibilidad teórica en la ciencia, aunque matemáticamente sean posibles.

El primer científico en advertir la existencia de agujeros de gusano fue el austríaco Ludwig Flamm, en 1916. Se les llama así porque se asemejan a un gusano que atraviesa una manzana por dentro para llegar al otro extremo, en vez de recorrerla por fuera. Así, los agujeros de gusano son atajos en el tejido del espacio-tiempo que permiten unir dos puntos muy distantes y llegar más rápidamente que si se atravesara el Universo a la velocidad de la luz.

Según la teoría de la relatividad general de Einstein, los agujeros de gusano pueden existir, ya que tienen una entrada y una salida en puntos distintos del espacio o del tiempo. El túnel que los conecta está en el hiperespacio, que es una dimensión producida por una distorsión del tiempo y la gravedad. Hay dos clases de agujeros de gusano:

·     Los agujeros de gusano del intrauniverso conectan una posición de un universo con otra posición del mismo universo en un tiempo diferente. Un agujero de gusano debería poder conectar posiciones distantes en el universo por plegamientos espacio-temporales, de manera que permitiría viajar entre ellas en un tiempo menor que el que llevaría hacer el viaje a través del espacio normal.

·     Los agujeros de gusano del interuniverso asocian un universo con otro diferente y se denominan “agujeros de gusano de Schwarzschild”. Esto permite especular sobre si tales agujeros de gusano podrían usarse para viajar de un universo a otro paralelo. Otra aplicación de un agujero de gusano podría ser el viaje en el tiempo. En ese caso, sería un atajo para desplazarse de un punto espacio-temporal a otro.

¿Se puede viajar en el tiempo?
Una cosa es que existan los agujeros de gusano y otra muy distinta que puedan utilizarse para viajar en el espacio y el tiempo. La novela Contacto, de Carl Sagan, proponía un viaje a través de un agujero de gusano y esto hizo que muchas personas lo creyeran posible, pero es tan solo ciencia ficción.

Los científicos creen que un agujero de gusano tiene una vida muy corta, se abre y vuelve a cerrarse con rapidez. Toda materia quedaría atrapada en él o, aunque consiguiera salir por el otro extremo, no podría volver. Evidentemente, tampoco se podría elegir adónde llegar. Según la relatividad general, sería posible viajar al futuro, pero no al pasado. Si se pudiera viajar al pasado, se podría alterar la Historia, por ejemplo, haciendo que nunca naciera alguien. Sería algo imposible.

En la actualidad, la teoría de cuerdas admite la existencia de más de tres dimensiones espaciales (hiperespacio), pero esas dimensiones extra estarían compactadas a escalas subatómicas (según la teoría de Kaluza-Klein), por lo que parece muy difícil, cuando no imposible, aprovecharlas para emprender viajes en el espacio y el tiempo. Sin embargo, el notable cosmólogo británico Stephen Hawking ha argumentado que dicho uso no es posible. 

Eric Christian, de la NASA escribió: "Un agujero de gusano no es realmente una forma de retroceder en el tiempo, es un atajo, para que algo que está muy lejos esté mucho más cerca". Aunque la adición de materia exótica en un agujero de gusano podría estabilizarlo, hasta el punto de que pasajeros humanos pudieran viajar de forma segura a través de él, todavía existe la posibilidad de que la adición de materia "normal" fuera suficiente para desestabilizar el portal.

Conclusión
En primer lugar, los agujeros negros existen y hay evidencia de ello, pero los agujeros de gusano no, no se tiene evidencia de ellos, y por ende no existen, son hipotéticos. Los científicos son capaces de detectar y hacer un seguimiento de un agujero negro, lo cual es imposible con los agujeros de gusano.

Un agujero negro se forma de modo natural tras un hecho, tan simple, como la muerte de una estrella en el universo. Por otro lado, un agujero de gusano se formaría como algo anormal en sí, tras una hipotética anomalía en la curvatura del espacio-tiempo o una brusca torcedura en la dimensión superior de la curva de dicho espacio-tiempo. Sin duda, son demasiadas hipótesis y habrá que esperar a años futuros para refutarlas (o no) científicamente, pero la sola posibilidad de que se puedan formar es, ya de por sí, fascinante.

Pepe Cocodrilo
(Adaptado de diversas fuentes)

4 comentarios:

  1. Gracias Pepe Cocodrilo, por explicarnos tan bien el término "agujeros de gusano" del que un día charlamos en clase. Un beso enorme,

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    Respuestas
    1. Querida Marta, buenas tardes.

      Si no me equivoco, creo que esta fue una pregunta de nuestra adorable Sissi.

      Creo que no es elegante dejar sin la debida respuesta a una emperatriz.

      Beso cariñoso a ambas.

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  2. ¡Hola, Pepe!

    ¡Gracias por las explicaciones tan claras y educativas!

    Estos asuntos sobre el universo son fascinantes – bien así la posibilidad de que no haya solamente este en que estamos. Así que me dejó muy curiosa la idea de que un agujero de gusano pueda servir de puente a universos distintos y, con eso, la idea de que estamos en un universo dentro de un multiverso.

    Pero mientras no consigamos desplazarnos a otros universos, ¡ya me deja encantada poder visitar tu pantano y leer sobre asuntos tan interesantes!

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    Respuestas
    1. ¡Hola Sissi!

      Bienvenida a este humilde pantano...

      Tu elegiste la palabra más adecuada para definir al universo,¡fascinante!

      Cuanto a tu duda, es posible que un agujero de gusano pueda interconectar a dos

      universos. En términos teóricos, todo es posible.

      Seguramente el futuro nos reserva sorpresas.¡A ver!

      Beso cariñoso.

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