9.8: Agujero Negro

sobre el borde con un grito de radiación

Un agujero negro es un dominio cuya masa está tan fuertemente compactada que nada puede escapar de él, ni siquiera la luz. Todo lo que cae en queda atrapado sin esperanza de escapar (Figura 9-10).

Disparar un misil desde la superficie de la Luna para que escape de la atracción de ese satélite exige una velocidad de\(2.38\) kilómetros por segundo o mayor. La velocidad crítica para escapar de la Tierra -en ausencia de arrastre de la atmósfera- es de\(11.2\) kilómetros por segundo. Cuando el objeto no gira y es tan compacto que ni siquiera la luz puede escapar, el “radio efectivo” o el llamado “radio del horizonte” es\[\begin{aligned} \text { (effective radius) } &=\frac{\left(\begin{array}{c} \text { circumference of region } \\ \text { out of which } \\ \text { light cannot escape } \end{array}\right)}{2 \pi} \\ &=2 \times(1.47 \text { kilometers }) \times\left(\begin{array}{c} \text { mass of black hole } \\ \text { expressed in } \\ \text { number of Sun masses } \end{array}\right) \end{aligned}\] Cuando una estrella o nube de materia colapsa a un agujero negro desaparece de la vista tan totalmente como lo hizo el gato de Cheshire en Alicia en el País de las Maravillas. El gato, sin embargo, dejó atrás su sonrisa; y el agujero negro -a través del efecto de la curvatura espacio-temporal que llamamos gravedad- ejerce tanto “tirón” como siempre sobre las estrellas normales en órbita a su alrededor. Son como participantes en un baile formal con luces apagadas. Solo se ve el vestido blanco de la niña mientras gira en los brazos de su compañera de traje negro. A partir de la

FIGURA 9-10. Cualesquiera que sean los objetos que caigan en un tronco negro, poseen al final como se ve desde el exterior, solo masa, momento angular y carga eléctrica. No queda ninguna otra característica de ningún objeto en caída para traicionar su pasado, ni un bair. Esto lleva al dicho: “Un negro bole bas no bair”.

velocidad de la niña y el tamaño del círculo en el que se arremolina, sabemos algo de la masa de la compañera invisible. Por tal razonamiento fue posible concluir para 1972 que el compañero ópticamente invisible de una estrella conocida desde hace mucho tiempo tiene una masa del orden de las masas\(9.5\) solares.

Este notable objeto llamó la atención primero porque en diciembre de 1971 el observatorio de rayos X en órbita de Uhuru detectó pulsaciones de rayos X con escalas de tiempo de una décima a decenas de segundos de un objeto ubicado en la región de Cygnus cerca de la estrella conocida. ¿Por qué emite radiografías? Y ¿por qué la intensidad de los rayos X varía rápidamente de un instante a otro? El viento de gas del compañero visible varía de instante a instante como el humo de una chimenea de fábrica. Este gas, que cae sobre un objeto compacto, se aprieta. Para imaginar el cómo y el por qué de este apretón, mira desde un avión de bajo vuelo las corrientes de automóviles que convergen desde muchas direcciones en un estadio de fútbol para un partido de sábado por la tarde. Las partículas y el gas se juntan tan seguramente como los autos en el tráfico. La compresión del tráfico eleva el temperamento del conductor, y la compresión del gas eleva su temperatura a medida que el aire se calienta cuando se bombea en una bomba de bicicleta. No obstante, debido a que el gas cae de un objeto de millones de kilómetros de tamaño a uno de pocos kilómetros de ancho, la compresión es tan estupenda que la temperatura sube muy por encima de cualquier temperatura normal de estrella, y los rayos X se desprenden.

La escala de tiempo de las fluctuaciones en la intensidad de los rayos X depende del tamaño del objeto que está captando el humo de la estrella, un tamaño menor por un factor fantástico que el de cualquier estrella normal. ¿Podría ser el objeto una enana blanca (Recuadro 9-2)? No, porque tal estrella sería 294 CAPÍTULO 9 GRAVEDAD: ESPACIOTIEMPO CURVO EN ACCIÓN

AGUJEROS NEGROS PARA LOS QUE HABÍA

EVIDENCIAS SUSTANCIALES DE SEPTIEMBRE DE 1989

(Las incertidumbres en las masas son del orden del 20 al 50 por ciento.)

Designación astronómica

de agujero negro

Masa

Cygnus X-1

LMC X-1

AO 620-00

LMC X-3

SS 433

Agujero negro en el centro de nuestra galaxia

\(9.5\)\(2.6\)\(3.2\)\(7.0\)\(4.3\)\(3.5 \times 10^{6}\)

¿Agujero negro en el centro de nuestra galaxia? arremolinándose en el agujero negro?

Producción de energía del quasar de la materia

Conversión de alta eficiencia de energía gravitacional en radiación

visible. ¿Una estrella de neutrones? No, porque incluso la materia comprimida con tanta fuerza que se transforma en neutrones no puede sostenerse contra la gravedad si tiene una masa muy superior a dos masas solares. No se ha encontrado escape al concluir que Cygnus\(\mathrm{X}-1\) es un agujero negro. Este gran descubrimiento transformó los agujeros negros de objetos de papel y papel en una parte viva y cada vez mayor de la astrofísica moderna (Tabla 9-1).

Mucha atención se dirigió en la década de 1980 a un presunto agujero negro con una masa de alrededor de tres millones y medio de veces la masa solar y un radio de horizonte de unos diez millones de kilómetros. Flota en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. A su alrededor zumban estrellas visibles del tipo cotidiano, la mayoría de ellas destinadas a caer eventualmente en ese agujero negro y aumentar su masa y tamaño. Que las estrellas cercanas al centro de nuestra galaxia den vueltas tan rápido como lo hacen es uno de los mejores indicadores que tenemos para la presencia, y una de las mejores medidas que tenemos para la masa, del agujero negro central, que a su vez es invisible.

A diferencia de los agujeros negros solitarios muertos, la fuente de energía más poderosa que conocemos, concebimos o vemos en todo el universo es un agujero negro de muchos millones de masas solares, tragando enormes cantidades de materia que se arremolinan a su alrededor. Maarten Schmidt, que trabajaba en el Observatorio del Monte Palomar en 1956, fue el primero en descubrir evidencia de estos objetos cuasistelares, o cuásares, fuentes de luz estrelladas ubicadas no a miles de millones de kilómetros sino a miles de millones de años luz de distancia. A pesar de ser mucho más pequeño que cualquier galaxia, el cuásar típico logra apagar más de cien veces más energía que nuestra propia Vía Láctea, con sus cien mil millones de estrellas. Cuásares, insuperables en brillantez y lejanía, llamamos faros de los cielos

La observación y la teoría se han unido para explicar a grandes rasgos cómo opera un cuásar. Un agujero negro de unos cientos de millones de masas solares, construido en sí mismo por acreción, acrecienta más masa de sus alrededores. El gas entrante, y las estrellas convertidas en gas, no caen directamente, más de lo que el agua se precipita directamente por el desagüe de la bañera cuando se tira del tapón. De qué manera se arremolina el gas es cuestión de azar o historia pasada o ambas, pero sí se arremolina. Este gas, a medida que va dando vueltas y vueltas, lentamente se abre paso hacia adentro hacia regiones de gravedad cada vez más fuerte. Así comprimido, y por esta compresión calentada, el gas se descompone en electrones -es decir, iones negativos- e iones positivos, unidos por campos magnéticos de fuerza en un gigantesco disco de acreción. La materia poco a poco se abre paso hasta el límite interior de este disco de acreción y luego, de gran redadas, cae en el agujero negro, en su camino cruzando el horizonte, la superficie de no retorno. Durante ese último golpe, se cede el aferramiento a la partícula. Por lo tanto, se pierde la posibilidad de extraer como energía el 100 por ciento completo de la masa de cada pedacito infalible de materia. Sin embargo, los campos magnéticos se aferran a los iones de manera efectiva durante el tiempo suficiente para extraer, como energía, varios por ciento de la

“El mismo Newton era más consciente de las debilidades inherentes a su edificio intelectual que las generaciones que le siguieron. Este hecho siempre ha despertado mi admiración”.

“Sólo el genio de Riemann, solitario e incomprendido, ya se había abierto camino a mediados del siglo pasado a una nueva concepción del espacio, en la que el espacio estaba privado de su rigidez, y en la que se reconocía como posible su poder para participar en eventos físicos”.

“Todos estos esfuerzos se basan en la creencia de que la existencia debe tener una estructura completamente armónica. Hoy tenemos menos terreno que nunca para permitirnos alejarnos de esta maravillosa creencia”.

masa. En contraste, ni la fisión nuclear ni la fusión nuclear son capaces de obtener una eficiencia de conversión de más de una fracción de un porcentaje. De todos los métodos para convertir la materia a granel en energía, nadie ha visto evidencia de un proceso más efectivo que la acreción en un agujero negro, y nadie ha podido siquiera llegar a un esquema más factible para uno.

De todas las características de la física del agujero negro en acción, ninguna es más espectacular que un cuásar. Y ningún faro de los cielos da evidencia más dramática de la escala del universo.