Einstein explicó que el espacio no es un objeto estático dentro del cual se mueven los planetas, las estrellas y las galaxias, sino que es un miembro activo del universo. Propuso el modelo matemático del espacio-tiempo 4 dimensional, que son tres dimensiones del espacio 1 dimensión del tiempo consideradas juntas.
La presencia de materia y energía deforma este espacio-tiempo. La analogía comúnmente utilizada para explicar esto es una bola de boliche en un trampolín como el que se muestra a continuación.
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Solo que, de alguna manera, debes imaginar esta deformación en tres dimensiones, creando lo que se llama un pozo gravitacional. No es la tarea más fácil imaginar esto, pero la segunda imagen hace un mejor trabajo.
[Esta imagen da una idea de cuánto espacio-tiempo es deformado por cada cuerpo, creando el pozo gravitacional, de nuevo hay que imaginar esto en tres dimensiones]
Esta deformación es lo que crea el efecto de la gravedad. En el espacio-tiempo plano, un cuerpo sigue una línea recta siempre que ninguna otra fuerza actúe sobre él. Cuando el espacio-tiempo está deformado, ya no es plano, y ahora es espacio-tiempo curvo. Cuando un cuerpo está en el espacio-tiempo curvo, tiene que seguir el espacio-tiempo curvo equivalente de una línea recta, que es una geodésica.
Entonces, cuando ves la Tierra orbitando el Sol, es porque el Sol está deformando el espacio-tiempo, y la Tierra está siguiendo una geodésica en el espacio-tiempo curvado alrededor del Sol. La luna y los satélites siguen la geodésica en el espacio-tiempo curvo alrededor de la Tierra.
Hay una famosa cita del difunto John Wheeler, uno de los principales expertos en relatividad, con respecto a esto:
“La masa le dice al espacio-tiempo cómo curvarse, y el espacio-tiempo le dice a la masa cómo moverse”.
La cantidad de deformación del espacio-tiempo depende de la cantidad de masa / energía presente y de qué tan densamente esté empaquetada.
Cuanto más masa / energía, más deformación.
Cuanto más densamente empaquetado esté, más deformación tendrá.
¿Cuál es el efecto de esta deformación? Cuanto más deformación, más difícil es para un cuerpo escapar de ese pozo, más energía tiene que poner y más rápido tiene que moverse para escapar de ese pozo.
A medida que seguimos empacando masa más densamente, la mayor velocidad que necesitamos para escapar. Esto sigue sucediendo hasta que llegamos a un punto crítico, donde la deformación se vuelve tan extrema, que necesita viajar más rápido que la luz para escapar del pozo. Pero sabemos que nada puede viajar más rápido que la luz. Entonces, ¿qué significa esto? Significa que estamos atrapados en una región del espacio-tiempo, donde nada puede salir. También conocido como un agujero negro .
¿Qué tan apretados tenemos que empacar la masa?
Para entender esto, debemos entender algo llamado el radio de Schwarzschild.
El radio de Schwarzschild es el radio de una esfera de tal manera que, si toda la masa de un objeto fuera comprimida dentro de esa esfera, la velocidad de escape desde la superficie de la esfera sería igual a la velocidad de la luz.
El radio del sol de Schwarzschild es de unos 3 km.
El radio de Schwarzschild está dado por –
R [matemáticas] _S [/ matemáticas] = 2 * G * M / c [matemáticas] ^ 2 [/ matemáticas]
dónde
R [matemáticas] _S [/ matemáticas] = radio de Schwarzschild, G = constante gravitacional = 6.673 * 10 [matemáticas] ^ {- 11} [/ matemáticas], M = masa del objeto y
c = velocidad de la luz
Por lo tanto, cualquier objeto que tenga masa tendrá un radio Schwarzschild correspondiente. El sol, Júpiter, la Tierra, la luna, usted, su computadora, su teléfono, básicamente cualquier cosa que tenga masa.
Entonces, si podemos empaquetar la masa de cualquier objeto en una esfera cuyo radio es menor que el radio de Schwarzschild correspondiente, se convertirá en un agujero negro.
¿Cómo se forma un agujero negro?
Los agujeros negros se forman cuando las estrellas masivas mueren en explosiones violentas llamadas supernovas.
Una estrella es tan masiva que su propia gravedad la empuja hacia el centro, básicamente aplastándola, y eventualmente provocando que la fusión comience y libere energía. Durante la vida de una estrella, la presión externa creada por la fusión equilibra el tirón interno de la gravedad. Finalmente, la estrella se queda sin combustible y la gravedad no se controla. El núcleo comienza a colapsar, la materia es empujada hacia adentro debido a la fuerte gravedad. A medida que la materia se aplasta, primero se enfrenta a la presión de degeneración de electrones y luego a la presión de degeneración de neutrones, lo que evita que se colapse. Si la estrella tiene suficiente masa incluso después de que las capas externas en exceso se hayan volado, entonces la gravedad supera estas presiones, y finalmente la masa se comprime en un radio más pequeño que el radio de Schwarzschild, formando así un agujero negro. Por lo tanto, para convertirse en un agujero negro, se necesitan las condiciones adecuadas y una masa suficiente. Los agujeros negros comienzan en el radio de Schwarzschild, en un límite llamado Horizonte de eventos .
¿Por qué nada puede escapar de un agujero negro?
Veamos una analogía.
Considérese en un centro comercial o en un aeropuerto desierto. Estás extremadamente aburrido y caminando, y de repente te encuentras con una escalera mecánica. Solo para matar el tiempo, intentas subir las escaleras mecánicas que van hacia abajo. Si la escalera mecánica se mueve lentamente, puede llegar fácilmente a la cima. Al ver que te diviertes, el operador de la escalera mecánica comienza a aumentar la velocidad, también aceleras para llegar a la cima. A medida que la escalera mecánica se acelera, debes seguir aumentando tu velocidad para llegar a la cima, hasta que finalmente alcances lo más rápido que puedas correr. Entonces estás condenado. A medida que sube la escalera mecánica lo más rápido que puede, lo lleva más rápido que eso y finalmente lo lleva al fondo. No hay forma de que ganes.
Puedes trazar paralelos entre esto y un agujero negro. Mientras esté fuera del horizonte uniforme, es como si la velocidad de la escalera mecánica fuera menor que su velocidad máxima. Si pones suficiente esfuerzo, lo superas y te alejas de él. Tan pronto como cruzas el horizonte de eventos, es como si la velocidad de la escalera mecánica fuera mayor que tu velocidad y no hay forma de que puedas verlo. El horizonte de eventos representa un límite, el comienzo del punto de no retorno.
La velocidad de la escalera mecánica es análoga a la curvatura del espacio-tiempo. Cuanto mayor sea la velocidad de la escalera mecánica, mayor será la curvatura. Cuanto menor es la velocidad, menor es la curvatura.
Dentro de un agujero negro, el espacio-tiempo está tan deformado que no hay “dirección hacia afuera”. Todas las direcciones apuntan hacia adentro, todos los caminos conducen hacia el centro. Mientras intentas moverte, no puedes evitar moverte más hacia adentro. Lo que significa que no hay forma de escapar, no hay manera de salir a menos que viaje más rápido que la luz (lo cual está prohibido). En el centro del agujero negro hay un punto donde se supone que se concentra toda la masa y la energía, llamada singularidad (en matemáticas, una singularidad es un punto donde algún valor se dispara al infinito, aquí sería densidad). Los científicos aún no están seguros de si toda la masa y la energía se concentran en un solo punto o si se extienden.
Los agujeros negros son fascinantes, incomprendidos y vitales para la evolución de nuestro universo. Todavía hay mucho por estudiar y comprender sobre estos objetos.
PD: si quieres visualizar cómo se ven los agujeros negros, mira Interestelar. Puedes ver cómo la curvatura del espacio-tiempo alrededor dobla la luz que viene de las estrellas detrás en un proceso llamado lente gravitacional, y cómo la materia cae en los discos de acreción.
Imágenes cortesía – Google images
