Si un agujero negro tiene una densidad infinita, ¿cómo puede sostener órbitas de estrellas en lugar de tirar de ellas si su masa o gravedad interna sigue aumentando?

La densidad infinita no equivale a la masa infinita. La fuerza de la gravedad se correlaciona con la masa, pero la influencia gravitacional disminuye con la distancia. Un agujero negro tendrá la misma influencia gravitacional que un objeto de masa similar pero menor densidad, como una estrella masiva.

La densidad se convierte en un factor relevante en términos de gravedad cuando te acercas al agujero negro. Por ejemplo, Betelgeuse tiene 7,7 masas solares y tiene un radio de 821,3 millones de km. Aunque su densidad es relativamente baja, su gravedad sería tan fuerte como cualquier otro objeto de masa solar de 7,7. Sin embargo, lo más cerca que se puede llegar a la estrella antes de terminar adentro es en la superficie, que está a 821,3 millones de kilómetros del centro. Por el contrario, un agujero negro de 7,7 M☉ tendría un radio de Schwarzschild de 22,74 km. Como tal, en principio podrías llegar a una distancia de 22,74 km desde su centro antes de terminar adentro. Como puedes acercarte mucho más, la fuerza de la gravedad será mucho más severa.

Las estrellas podrían orbitar agujeros negros durante millones de años, al igual que los planetas alrededor de las estrellas y las lunas alrededor de los planetas, pero se acercan demasiado al agujero negro y la estrella puede verse afectada.

Además, un agujero negro no crecerá indefinidamente. Existe un límite teórico para la masa de agujeros negros adquiridos a través del mecanismo de acreción convencional de 50 mil millones de M☉. Los agujeros negros supermasivos pueden crecer más que eso a través de fusiones galácticas, pero a través del mecanismo de acumulación no habrá más gas y estrellas en la proximidad del agujero negro después de haber adquirido 50 mil millones de M☉. Como tal, el agujero negro se “ morirá de hambre ”, irradiando lentamente su masa (a través de la radiación de Hawking) durante billones de años.

Otro estudio sugiere que el crecimiento de los agujeros negros suele frenar a 10 mil millones de M☉. Una posible explicación para esto es que el agujero negro puede llegar a un punto en el que se irradia tanta energía a medida que el agujero negro consume el gas muy cerca que interfiere con su suministro de gas. En cualquier caso, la masa del agujero negro no crece indefinidamente y finalmente se irradiará.

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La masa y la densidad afectan la gravedad de diferentes maneras. La densidad de un objeto puede afectar la gravedad de la superficie del objeto, pero no afecta la influencia gravitacional general del objeto en distancias más grandes porque los cambios de densidad no cambian la masa de un objeto. Solo un aumento en la masa puede aumentar la influencia gravitacional general de un objeto.

Por ejemplo, cuando nuestro Sol muere y se convierte en una enana blanca, se reducirá a un tamaño aproximadamente igual a la Tierra. Se volverá mucho más denso, sin embargo, mantendrá casi la misma cantidad de influencia gravitacional que nuestro Sol actual porque la masa del Sol no se reducirá significativamente (a pesar de que se perderá algo de masa a medida que los gases de la capa exterior se expulsen). Los planetas sobrevivientes en nuestro sistema solar ajustarán las órbitas ligeramente, pero esencialmente continuarán orbitando el Sol a distancias similares a las que orbitan hoy.

Sin embargo, el cambio en la densidad del Sol afectará la gravedad de la superficie. Cuanto más denso sea el objeto, mayor será la atracción gravitacional que se siente en la superficie del objeto y mayor será la velocidad de escape para escapar de esa fuerza.

La gravedad de la superficie de un agujero negro es tan grande que incluso una velocidad de escape igual a la velocidad de la luz no es suficiente para escapar del tirón. La masa del agujero negro, sin embargo, es básicamente un valor finito, lo que significa que tiene una influencia gravitacional finita que reduce las distancias al igual que todos los demás objetos celestes.

Toma el sol. ¿Por qué no atrae a los planetas hacia sí mismo?

Porque los planetas siguen una órbita. Todos sabemos cómo funciona una órbita. Para cualquier cuerpo en movimiento circular, hay dos fuerzas involucradas: la fuerza centrípeta y la fuerza centrífuga. El sol ejerce una gran fuerza centrípeta. Sin embargo, el rápido movimiento de un planeta también ejerce una fuerza centrífuga. La fuerza centrípeta empuja al planeta hacia sí mismo. La fuerza centrífuga trata de tirar del planeta en un camino tangencial a cada punto que viaja. Ambos juntos dan como resultado una órbita circular / elíptica. Lo mismo sucede en el caso de los agujeros negros. Sea la masa 1 u o infinito, no hay excusas.

La clave aquí es la masa finita . Un agujero negro de cualquier masa determinada actúa como cualquier otro objeto con la misma cantidad de masa (al menos a distancia). Por lo tanto, las estrellas no tienen problemas para orbitar un agujero negro. Realmente no les importa lo que orbitan, siempre que sea lo suficientemente masivo.

Si reemplazamos nuestro Sol con un agujero negro de exactamente la misma masa, todos los planetas seguirían orbitando felizmente.

No tienen masa infinita. Su masa sigue siendo igual a la masa original antes de que se convirtiera en un agujero negro. Si el sol fuera reemplazado por un agujero negro del mismo tamaño, la fuerza gravitacional sería la misma (hasta que alcanzara el horizonte de sucesos)