La definición más simple de un agujero negro es un objeto que es tan denso que ni siquiera la luz puede escapar de su superficie. ¿Pero cómo sucede eso?
El concepto de un agujero negro puede entenderse pensando en qué tan rápido debe moverse algo para escapar de la gravedad de otro objeto; esto se denomina velocidad de escape. Formalmente, la velocidad de escape es la velocidad que debe alcanzar un objeto para “liberarse” de la atracción gravitacional de otro cuerpo.
Hay dos cosas que afectan la velocidad de escape: la masa del objeto y la distancia al centro de ese objeto. Por ejemplo, un cohete debe acelerar a 11.2 km / s para escapar de la gravedad de la Tierra. Si, en cambio, ese cohete estaba en un planeta con la misma masa que la Tierra pero la mitad del diámetro, la velocidad de escape sería de 15.8 km / s. Aunque la masa es la misma, la velocidad de escape es mayor, porque el objeto es más pequeño (y más denso).
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¿Qué pasa si hicimos el tamaño del objeto aún más pequeño? Si aplastamos la masa de la Tierra en una esfera con un radio de 9 mm, la velocidad de escape sería la velocidad de la luz. Solo un poquito más pequeño, y la velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz. Pero la velocidad de la luz es el límite de velocidad cósmica, por lo que sería imposible escapar de esa pequeña esfera si te acercaras lo suficiente.
El radio al que una masa tiene una velocidad de escape igual a la velocidad de la luz se llama radio de Schwarzschild. Cualquier objeto que sea más pequeño que su radio de Schwarzschild es un agujero negro; en otras palabras, cualquier cosa con una velocidad de escape mayor que la velocidad de la luz es un agujero negro. Para algo, la masa de nuestro sol necesitaría exprimirse en un volumen con un radio de aproximadamente 3 km.
Estructura de un agujero negro
Hay dos partes básicas en un agujero negro: la singularidad y el horizonte de eventos.
El horizonte de eventos es el “punto de no retorno” alrededor del agujero negro. No es una superficie física, sino una esfera que rodea el agujero negro que marca dónde la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz. Su radio es el radio de Schwarzschild mencionado anteriormente.
Una cosa sobre el horizonte de eventos: una vez que la materia está dentro de ella, esa materia caerá al centro. Con una gravedad tan fuerte, la materia se retuerce hasta un punto: un volumen pequeño, muy pequeño con una densidad increíblemente grande. Ese punto se llama singularidad. Es muy pequeño, por lo que tiene esencialmente una densidad infinita. Es probable que las leyes de la física se rompan en la singularidad. Los científicos participan activamente en la investigación para comprender mejor lo que sucede en estas singularidades, así como también cómo desarrollar una teoría completa que describa mejor lo que sucede en el centro de un agujero negro.
Ver lo invisible
Si la luz no puede escapar de un agujero negro, ¿cómo podemos ver los agujeros negros?
Los astrónomos no ven exactamente los agujeros negros directamente. En cambio, los astrónomos observan la presencia de un agujero negro por su efecto en su entorno. Un agujero negro, en sí mismo en medio de nuestra galaxia, sería muy difícil de detectar.
Imagina que llegas a casa una noche para encontrar un desastre en la cocina. Sabes que estaba limpio cuando te fuiste, pero ahora hay platos sucios en el fregadero y migas esparcidas por el mostrador. Según la evidencia, sabes que alguien usó la cocina mientras estabas fuera; de hecho, incluso puedes decir que hicieron un sándwich y papas fritas debido a los tipos de migas que ves en el mostrador. Incluso podría identificar quién en su hogar estaba en la cocina en función de qué tipo de papas fritas tenían o qué pusieron en su emparedado. Nunca viste a esa persona en la cocina, pero su efecto en la cocina era evidente.
Estudiar los agujeros negros depende en gran medida de la detección indirecta. Los astrónomos no pueden observar los agujeros negros directamente, pero ven comportamientos en otros objetos que solo pueden explicarse por la presencia de un objeto muy grande y denso cerca. Los efectos pueden incluir materiales que se introducen en el agujero negro, discos de acreción que se forman alrededor del agujero negro o estrellas que orbitan un objeto masivo pero invisible.
Tipos de agujeros negros
Tradicionalmente, los astrónomos han hablado de dos clases básicas de agujero negro: aquellos con masas de 5 a 20 veces más que el sol, que se llaman agujeros negros de masa estelar, y aquellos con masas de millones a miles de millones de veces más que el sol, que son llamados agujeros negros supermasivos. ¿Qué pasa con la brecha entre la masa estelar y los agujeros negros supermasivos? Durante mucho tiempo, los astrónomos habían propuesto una tercera clase, llamada agujeros negros de masa intermedia, pero fue solo en la última década que comenzaron a encontrar posibles pruebas de esta clase de agujero negro.
Los agujeros negros de masa estelar se forman cuando una estrella masiva se queda sin combustible y se derrumba. Se encuentran dispersos por toda la galaxia, en los mismos lugares donde encontramos estrellas, desde que comenzaron sus vidas como estrellas. Algunos agujeros negros de masa estelar comenzaron su vida como parte de un sistema estelar binario, y la forma en que el agujero negro afecta a su compañero y a su entorno puede ser una pista para los astrónomos sobre su presencia.
Los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de casi todas las galaxias grandes. Exactamente cómo se forman los agujeros negros supermasivos es un área activa de investigación para los astrónomos. Estudios recientes han demostrado que el tamaño del agujero negro está correlacionado con el tamaño de la galaxia, por lo que debe haber alguna conexión entre la formación del agujero negro y la galaxia.
Con solo unos pocos agujeros negros intermedios candidatos, los astrónomos apenas comienzan a estudiarlos en detalle. Estos estudios se complican por el hecho de que muchos de los objetos que inicialmente parecían candidatos a agujeros negros intermedios fuertes se pueden explicar de otras maneras. Por ejemplo, hay una clase de objeto llamada fuentes de rayos X ultraluminosas (ULX). Estos objetos emiten más luz de rayos X que los procesos estelares conocidos. Un modelo postuló que los ULX albergan un agujero negro intermedio; sin embargo, el estudio adicional de estos objetos ha favorecido modelos alternativos para la mayoría de ellos. Estén atentos mientras los astrónomos trabajan para desentrañar los misterios de estos objetos esquivos.
Fuente: Black Holes – Introducción
