Esas son muchas preguntas, pero como están estrechamente relacionadas, OK … Con algunas correcciones de su comprensión actual (según lo solicitado), y un descargo de responsabilidad parafraseando a “Bones” McCoy (en Star Trek): “Soy un programador, ¡Maldita sea, no un físico! ” , daré mis respuestas una por una. Desde la parte superior:
¿Qué es un agujero negro?
La Relatividad General predice que cualquier masa ≥ Masa de Planck (≈ 22 μg), si se comprime lo suficiente como para caber dentro de su Radio de Schwartzschild ( r S, ver más abajo), formará un Agujero Negro . La r S, incluso para objetos bastante masivos, es bastante pequeña, por ejemplo , para la masa de la Tierra M ⊕ ≈ 6 × 10 ^ 24 kg, r S ≈ 9 mm , y se necesitan fuerzas enormes para que se produzcan compresiones tan difíciles de creer . ¡Tenemos que alcanzar las estrellas para encontrarlas!
Se puede decir que una estrella es un reactor de fusión nuclear natural en caída libre , el resultado de enormes masas de gas hidrógeno, colapsadas y comprimidas por gravedad hasta el punto en que la presión interna y la temperatura inician la fusión nuclear de hidrógeno (H) a helio (He ), liberando energía en el proceso. La “ Cadena Protón-Protón I “ es una de varias “vías de reacción” dentro de una estrella, que liberan grandes cantidades de energía:
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Las masas de gas que rodean el núcleo ejercen presión gravitacional hacia adentro, que tiende a comprimir la estrella (volumen decreciente = densidad creciente). Esta presión se equilibra, en equilibrio hidrostático , por una presión térmica externa resultante de las reacciones de fusión en las capas centrales de la estrella, que tienden a expandir la estrella, de esta manera:
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Este “tira y afloja” entre las capas estelares exterior e interior continúa en etapas: a medida que un proceso de fusión agota su material fusible disponible, las reacciones disminuyen, lo que hace que la gravedad comprima aún más el núcleo (lo que aumenta la presión y la temperatura), iniciando otro etapa de fusión, y así sucesivamente (aproximadamente) de esta manera, hasta Fe:
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Cuando los procesos de fusión han agotado incluso el material necesario para fusionarse en hierro, las cosas se vuelven críticas: hasta ahora, la presión y la temperatura creadas por la presión interna no requerían otra entrada de energía al núcleo para que los procesos de fusión continuaran. Sin embargo, para fusionar hierro (y elementos más pesados) en elementos aún más pesados, se requiere mucha más energía. ¡Las reacciones de fusión se esfuman y, finalmente, pueden detenerse!
Como resultado, la gravedad “ganará el tira y afloja”: la estrella implosiona ( colapsa gravitacionalmente “sobre sí misma”) en un colapso del núcleo , que puede tener diferentes resultados finales, dependiendo de la masa original de la estrella: libera enormes cantidades de energía gravitacional, expulsando explosivamente el material en las capas externas de la estrella, algunas de las cuales ahora se fusionaron con elementos más pesados que el hierro, en el espacio circundante, en forma de polvo y radiación, en una explosión de supernova .
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Adaptación de la imagen original de Wikimedia Commons (User Fastfission ).
Si la estrella originalmente tenía suficiente masa, el punto de corte se llama Límite de Chandrasekhar ≈ 1.4 masas solares (1 M ʘ ≈ 2.8E30 kg) puede colapsar a un punto donde su masa restante se comprime a ≤ r S para esa masa, y eso es cómo puede nacer un BH
Eso responde a su primera pregunta : un BH es un trozo de masa, tan comprimido que su gravedad crea una distorsión del espacio-tiempo tan severa que dentro de su horizonte de eventos, todas las geodésicas posibles conducen directamente al centro de BH; nada , ni siquiera la luz puede escapar de esta fortaleza !
¿Qué es exactamente el “horizonte de eventos” del agujero negro?
Un horizonte de eventos (EH) puede ser varias cosas, pero en el contexto BH es sinónimo del radio BH Schwartzschild ( r S). La fórmula para calcular r S = 2 GM / c ^ 2, donde G = la constante gravitacional . Si toda la masa M de un objeto se comprime en una esfera con un radio = r S para esa masa, es un BH, por definición, y nada desde dentro del EH puede salir de ella.
Un BH EH no es una superficie física, es simplemente la “esfera virtual” definida por la r S del BH. Dado que nada, ni siquiera la radiación EM ( es decir, la luz) puede escapar de un BH, su EH a veces se llama “la superficie sin retorno” (para la masa que cae en el BH). Como ni siquiera la luz puede “escapar”, un BH no es ópticamente visible, por lo que el apodo de “agujero negro” es un nombre doblemente incorrecto, ya que un BH no es negro ni un “agujero”.
¿Qué es la “velocidad de escape”?
La velocidad de escape , una cantidad escalar , no vectorial , es la velocidad que necesita un objeto no acelerado para “escapar” (“salir de”) el pozo de gravedad de alguna masa M , es decir, cuanto más masivo es un cuerpo , cuanto mayor es su velocidad de escape. La ecuación general, que da la velocidad de escape para cualquier cuerpo de masa M , es v e = (2 GM / r ) ^ 0.5, donde r = distancia al centro de masa del cuerpo.
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“Trazado de un corte 2D del potencial gravitacional dentro y alrededor de un cuerpo uniformemente denso, esféricamente simétrico. Los puntos de inflexión de la sección transversal se encuentran en la superficie del cuerpo”. (Imagen y pie de foto de AllenMcC , Wikimedia Commons ).
Imagine que se dispara un arma directamente desde la superficie de la Tierra: para que esa bala “escape” del agarre de gravedad de la Tierra, debe abandonar el cañón (sin mayor aceleración) con una velocidad de al menos ≈ 11.2 km / s, suponiendo que no haya atmósfera. fricción y sin rotación de la Tierra (la masa de la bala no afecta la ecuación v e).
¿Por qué un BH v e siempre es exactamente c ? ¿Por qué v e nunca puede exceder c , independientemente de la masa de BH? ¡Esto puede quedar claro cuando considera que para calcular v e para un BH, no necesita ni su masa ni el valor de G (≈ 6.7 × 10 ^ −11 N⋅m ^ 2 / kg ^ 2)!
Digamos que tiene un BH de masa M (algún valor desconocido), no tiene acceso a Internet y no ha memorizado los valores G y c . ¡No hay problema! BH v e = (2 GM / r S) ^ 0.5, y dado que el término 2 GM en esta ecuación es a la vez dividendo y divisor – recuerde la ecuación general para calcular r S, arriba – se cancelan , dejando solo ( c ^ 2) ^ 0.5 – “la raíz cuadrada de c al cuadrado” – que (por supuesto) deja v e = c , para cualquiera y todos los valores de BH M.
¿Es tangible la singularidad de un “agujero negro”?
La “singularidad” de BH, como su homónimo “Big Bang”, no es una “cosa”, por lo que la respuesta es no . En el contexto BH (y BB), la “singularidad” es el resultado de un error matemático , es decir, la división por cero : la ecuación teórica que calcula (por ejemplo) la densidad ( ρ ) del BH, a partir de su masa ( m ) por unidad volumen ( v ), es ρ = m / v . Cuando v = 0 – en la “singularidad” – tenemos un problema … Y un error común de esta situación no física es que el resultado es infinito . Sin embargo, ¡el infinito no es un número ! Para un análisis de las “singularidades” supuestamente presentes en un BH y en el BB, vea mi ensayo corto Apples & Oranges (Singularities Compared) .pdf .
¿Es tangible un “agujero negro”?
Si alguien (algo) se acerca lo suficiente a un BH para darle un toque, ese algo es un desmayo. Sin lugar a duda. Entonces diría que no : ¡un “agujero negro” es uno de estos intangibles universales!
Hay mucho más en todo esto, además de lo que he pasado por alto brevemente. Si ha preguntado porque está interesado en comprender los “agujeros negros”, siga los enlaces proporcionados (la mayoría apunta a artículos de Wikipedia ).
Tenga en cuenta también que todo lo relacionado con los “agujeros negros” es solo teoría e hipótesis (hasta ahora), y hay diferencias de opinión considerables incluso entre los teóricos pesados de BH (consulte mi hoja de cálculo de Excel, Propiedades del agujero negro .xlsx ).
Gracias por preguntar, Kay Wong!
