24: Agujeros negros y espacio-tiempo curvo

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Durante la mayor parte del siglo XX, los agujeros negros parecían materia de ciencia ficción, retratados ya sea como aspiradoras monstruosas que consumían toda la materia a su alrededor o como túneles de un universo a otro. Pero la verdad sobre los agujeros negros es casi más extraña que la ficción. A medida que continuemos nuestro viaje al universo, descubriremos que los agujeros negros son la clave para explicar muchos objetos misteriosos y notables, incluyendo estrellas colapsadas y los centros activos de galaxias gigantes.

24.1: Introducción a la Relatividad General
Einstein propuso el principio de equivalencia como fundamento de la teoría de la relatividad general. Según este principio, no hay forma de que nadie o cualquier experimento en un ambiente sellado pueda distinguir entre la caída libre y la ausencia de gravedad.
24.2: Espacio-tiempo y Gravedad
Al considerar las consecuencias del principio de equivalencia, Einstein concluyó que vivimos en un espacio-tiempo curvo. La distribución de la materia determina la curvatura del espacio-tiempo; otros objetos (e incluso la luz) que entran en una región del espacio-tiempo deben seguir su curvatura. La luz debe cambiar su trayectoria cerca de un objeto masivo no porque la luz esté doblada por la gravedad, sino porque lo es el espacio-tiempo.
24.3: Pruebas de Relatividad General
En campos gravitacionales débiles, las predicciones de la relatividad general concuerdan con las predicciones de la ley de la gravedad de Newton. Sin embargo, en la gravedad más fuerte del Sol, la relatividad general hace predicciones que difieren de la física newtoniana y pueden ser probadas. Por ejemplo, la relatividad general predice que las ondas de luz o de radio serán desviadas cuando pasen cerca del Sol, y que la posición donde está Mercurio en el perihelio cambiaría 43 segundos de arco por siglo aunque no hubiera otros planetas
24.4: Tiempo en la Relatividad General
La relatividad general predice que cuanto más fuerte es la gravedad, más lentamente debe correr el tiempo. Experimentos en la Tierra y con naves espaciales han confirmado esta predicción con notable precisión. Cuando la luz u otra radiación emerge de un remanente compacto más pequeño, como una enana blanca o una estrella de neutrones, muestra un desplazamiento al rojo gravitacional debido a la ralentización del tiempo.
24.5: Agujeros Negros
La teoría sugiere que las estrellas con núcleos estelares más masivos que tres veces la masa del Sol en el momento en que agotan su combustible nuclear colapsarán para convertirse en agujeros negros. La superficie que rodea un agujero negro, donde la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz, se llama horizonte de eventos, y el radio de la superficie se llama radio Schwarzschild. Nada, ni siquiera la luz, puede escapar por el horizonte de eventos desde el agujero negro. En su centro, se piensa que cada agujero negro tiene un si
24.6: Evidencia de Agujeros Negros
La mejor evidencia de agujeros negros de masa estelar proviene de sistemas estelares binarios en los que (1) una estrella del par no es visible, (2) la emisión de rayos X parpadeante es característica de un disco de acreción alrededor de un objeto compacto, y (3) la órbita y características de la estrella visible indican que la masa de su compañero invisible es mayor a 3 mSun. Se han encontrado varios sistemas con estas características. Agujeros negros con masas de millones a miles de millones de masas solares se encuentran en th
24.7: Astronomía de Ondas Gravitacionales
Otra parte de las ideas de Einstein sobre la gravedad se puede probar como una forma de verificar la teoría que subyace a los agujeros negros. Según la relatividad general, la geometría del espacio-tiempo depende de dónde se encuentre la materia. Cualquier reordenamiento de la materia —digamos, de una esfera a una forma de salchicha— crea una perturbación en el espacio-tiempo. Esta perturbación se llama onda gravitacional, y la relatividad predice que debe extenderse hacia afuera a la velocidad de la luz.
24.E: Agujeros Negros y Espacio-Tiempo Curvo (Ejercicios)

Miniaturas: La ilustración del artista de la derecha muestra el agujero negro alejando material de una enorme estrella azul compañera. Este material forma un disco (mostrado en rojo y naranja) que gira alrededor del agujero negro antes de caer en él o ser redirigido lejos del agujero negro en forma de potentes chorros. El material en el disco (antes de que caiga en el agujero negro) es tan caliente que brilla con rayos X, explicando por qué este objeto es una fuente de rayos X (modificación crediticia del trabajo por NASA/CXC/M.Weiss).