CienciaNebulosa

¡Buenos días muchachones! El día de hoy en su sección favorita de Ciencia Nebulosa: Cocinando con el chef Soto, les enseñaremos a preparar un delicioso Agujero negro. Ahora que el 14 de Febrero se acerca, qué mejor manera de sorprender a tu pequeñ@ noviecit@ que con un objeto de densidad infinita que distorsione indefinidamente el tejido espacio-temporal a su alrededor. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sugerencia de presentación.

 

 

Para comenzar, vamos a necesitar los siguientes ingredientes:

 

• Un tejido espacio-temporal continuo y plano. (conocido como espacio-tiempo de Minkowski).

Es importante recordar que la Relatividad General de Einstein, que es la teoría a grandes escalas más acertada con la que se cuenta hasta la fecha, describe nuestro Universo como una entidad de 4 dimensiones, en vez de las 3 dimensiones físicas que logramos reconocer en el espacio.

 

 

El espacio-tiempo de Minkowski es la versión más simple de un Universo como el nuestro. Se asume que no existe energía ni materia en él. Al encontrarse vacío, no existe una curvatura local (gravedad, para los cuates). Esto quiere decir que es plano a escalas locales. Por lo que este modelo de espacio-tiempo es útil para realizar cálculos aproximados de regiones pequeñas y “aparentemente planas” de nuestro propio y real, querido Universo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a. Espacio-tiempo plano de Minkowski.

b. Espacio-tiempo curvado de la Relatividad General.

 

 

• Seis mil trillones de toneladas de masa. (Puede ser masa para hornear, gases ligeros o metales preciosos. Al final no va a importar demasiado.)

Para fines prácticos, vamos  a utilizar un objeto con la misma masa que el planeta Tierra. En kilogramos, hablamos de unos 6 × 10^24 kg (es decir 6,000,000,000,000,000,000,000,000). Talvez quieras comenzar desde unos días antes a reunir toda esa cantidad de materia, ya que te puede llevar algún tiempo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Un objeto con la masa de la Tierra será suficiente para esta receta.

 

• Barneybolsa. (Maleta ancestral legendaria de la imaginación).

Debido a que necesitamos saltarnos algunos principios fundamentales de la física, será bueno conseguirnos la legendaria maleta ancestral de la imaginación para facilitarnos las cosas. Para conseguir este ítem es necesario matar primero al terrible y feroz dinosaurio que la resguarda.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

No parece muy difícil, en realidad.

 

 

Ahora sí! Manos a la obra:

 

Como ya les platiqué en el artículo anterior sobre Agujeros negros (que deberían poder encontrar en la sección de astronomía, de esta misma página), la clave para generar un agujero negro se encuentra en el Radio de Schwarzschild.

 

 

Este radio es el tamaño que cualquier objeto con masa conocida tiene que alcanzar para que su densidad se vuelva tan grande que termine colapsando indefinidamente a causa de su propia gravedad.

 

 

En teoría, cualquier cosa puede convertirse en un agujero negro, si se comprime con suficiente fuerza.

 

 

Por otro lado, en la naturaleza, en la realidad, sólo existe un tipo de objeto que puede llegar a colapsar de esta forma: Las estrellas gigantes supermasivas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Una estrella como VY Canis Mayoris de la constelación de

Canis Major, terminará su existencia como un Agujero Negro.

 

 

Cuando una estrella tiene por lo menos 2 veces y media la masa de nuestro propio Sol, es lo suficientemente masiva para generar un Agujero negro. Esto sucede cuando la estrella finaliza su tiempo de fusión nuclear, liberando una cantidad descomunal de energía en forma de una supernova, dejando como remanente estelar una estrella de neutrones, y posteriormente un Agujero negro. Los detalles sobre la muerte de las estrellas los platicaremos en un futuro artículo.

 

 

¡Pero nosotros no vamos a esperar a que una de estas estrellas súper gigantes muera para poder tener nuestro lindo Agujero negro!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Al explotar como una energética Supernova, una estrella

de más de 2.5 masas solares, deja detrás un

Agujero negro hecho y derecho.

 

 

Preparando la masa. Radio de Schwarzschild.

 

Si contamos con un objeto que contenga unos sies mil trillones de toneladas de masa, y con la ayuda de la imaginación, lo comprimimos hasta alcanzar el tamaño de una canica de 1 cm de diámetro, pasará algo bastante curioso con los átomos que conforman dicho cuerpo.

 

 

Debes recordar que los átomos están formados por 3 tipos de partículas: Protones, Neutrones y Electrones.

 

 

Los Protones y los Neutrones se encuentran confinados en el núcleo, mientras que los electrones orbitan este núcleo a los alrededores (en realidad los electrones se encuentran en forma de una “nube de probabilidades” rodeando al núcleo). Sin embargo la imagen que te enseñan desde pequeño en la escuela no es para nada cercana a la realidad. El átomo no es como lo pintan.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aunque el átomo no tiene bordes definidos, el núcleo es

unas 100,000 veces más pequeño que el

átomo total. Aunque el 99.94% de su masa total se

encuentra localizada en el mismo núcleo.

 

 

Dejando de lado algunas propiedades cuánticas del átomo, que ya discutiremos en otra ocasión, es importante saber que el 99.8% del espacio que conforma un átomo, es espacio vacío. Imagínate, si pudiéramos amplificar un átomo hasta quedarnos con un núcleo de unos 10 cm de diámetro,  el electrón más cercano orbitando, estaría a una distancia de 10 km del núcleo. Todo el espacio intermedio está vacío, no hay nada.

 

 

Ahora bien, todos los objetos que conoces tienen la propiedad de “mantenerse sólidos” debido a la repulsión constante de los átomos mediante la fuerza electromagnética. Las cargas eléctricas iguales de los átomos están en constante encuentro unas con otras, ocasionando que a las más pequeñas escalas, la materia en realidad nunca llegue a tocarse.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Los átomos que forman tu trasero (suponiendo

que no traes puestos pantalones, ni nada :S) nunca

llegan a tocar en realidad los átomos que forman

la silla. La fuerza electromagnética hace que los

átomos se repelan mutuamente.

 

 

Pero cuando tenemos un objeto tan comprimido, como el nuestro, la fuerza de repulsión electromagnética es vencida. Los espacios vacíos que reinaban en el átomo se vuelven cada vez más y más pequeños. Los Protones entran en contacto directo con los Electrones, combinándose y neutralizándose. Esto da lugar a la creación de más Neutrones (entre otras partículas).

 

 

Nota: Para que te hagas una idea, el 99.8% del espacio ocupado por los átomos que constituyen tu cuerpo, es espacio vacío. Si comprimiéramos todo ese espacio vacío, en todos los átomos de todos los seres humanos del mundo, toda la humanidad cabría en el espacio que ocupa una manzana.

 

 

Lo que nos queda al comprimir nuestros 6 mil trillones de toneladas, es ahora un cuerpo compuesto en su gran mayoría por neutrones apretujándose unos con otros. La fuerza electromagnética ya no nos sirve de gran cosa, debido a que todas las partículas que nos quedan son eléctricamente nulas. A esto se le llama Estrella de Neutrones.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Este tipo de cuerpo cósmico es sin duda mi favorito, y

ya hablaremos de él con más detalle en otra ocasión.

 

 

La razón por la que nuestra pequeña Estrella de Neutrones no continua colapsando bajo su propio peso es ahora un principio de la mecánica cuántica llamado Principio de exclusión de Pauli. Que nos dice que dos partículas (fermiones) jamás podrán ocupar los mismos números cuánticos al mismo tiempo, o lo que nos vale para lo mismo: Dos partículas no pueden ocupar el mismo espacio, al mismo tiempo.  A esta extraña presentación de la materia, sostenida por el Principio de exclusión de Pauli, se le llama Materia degenerada.

 

 

Este principio mantiene al margen a nuestra Estrella de Neutrones, hasta cierto límite.

 

 

Pero nosotros no queremos una Estrella de Neutrones, por más lindas que sean. Queremos un agujero negro. Así que sigamos comprimiendo nuestro objeto hasta lograr alcanzar unos 17 mm de diámetro.

 

 

Cuando este diámetro es alcanzado, la repulsión de las partículas debida al Principio de exclusión de Pauli también es vencida.

 

 

Una vez que ocurre esto, no hay marcha atrás. El colapso gravitatorio no se detiene por nada. Lo que alguna vez fue nuestro objeto inicial queda perdido tras el horizonte de sucesos, infinitamente lejano, confinado a una locación de volumen nulo, adquiriendo una densidad infinita. A este extraño final, al centro de nuestro Agujero negro, le llamamos Singularidad.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Una estrella orbitando demasiado cerca de un Agujero

negro la pasará bastante mal seguramente.

 

 

La física aún no sabe explicar qué es lo que pasa  a partir de este momento. La singularidad queda rodeada por un tramo de espacio-tiempo tan curvado que nada está causalmente conectado con el exterior del Agujero. Se vuelve literalmente imposible recibir cualquier tipo de información desde dentro. A esta imposibilidad de conocer cualquier dato desde dentro del horizonte de sucesos se le llama Principio de Censura Cósmica. El Universo se protege a si mismo de caer en una paradoja, cubriéndose como si le diera pena. Que tierno.

 

 

Cocinando a fuego lento. Radiación de Hawking.

 

Cuando hablamos de Agujeros negros, el tamaño sí importa. Entre más pequeño sea nuestro agujero negro, más rápido desaparecerá. Como demostró el físico Stephen Hawking, los agujeros negros no son para nada negros en realidad.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Giggity Giggity.

 

 

Esto se debe a un fenómeno de naturaleza cuántica que lleva el nombre del famoso físico motorizado.

 

 

Me explico.

 

 

El vacío absoluto no existe. Aún una región que se encuentre completamente carente de átomos, a escala subatómica jamás está vacía. Esto es debido a la llamada Energía de punto cero, consecuencia del famoso Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

 

 

En el vacío, constantemente se están creando de la nada pares de partícula-antipartícula. Esta creación es espontánea y aleatoria. De manera que ciertas propiedades del espacio siempre se mantienen desconocidas. Existen muchas evidencias experimentales de que esto ocurre en realidad, siendo el ejemplo más conocido El efecto Casimir, del que luego les cuento.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Modelado por computador de las fluctuaciones del vacío cuántico. El vacío es considerado

como el estado de menor energía. Pero el Principio de incertidumbre de Heisenberg no permite que

ésta energía sea 0, pues entonces no habría una indeterminación. El Universo se las ingenia para

mantener la incertidumbre al crear y aniquilar pares de partícula-antipartícula de la nada aleatoriamente.

 

 

Ahora bien, en presencia de condiciones normales de espacio-tiempo, la existencia de estas partículas creadas de la nada es tan fugaz, que apenas  puede decirse que en realidad existieron. Por esta razón, son llamadas Partículas virtuales. Son creadas y aniquiladas entre sí, casi en el mismo instante. Manteniendo la incertidumbre y la conservación de energía del Universo.

 

 

Pero justo en el horizonte de sucesos de nuestro Agujero negro pasa algo extraño.

 

 

La probabilidad de que una partícula virtual sea creada fuera del Agujero y su gemela sea creada dentro del Agujero, no es nula. De hecho,  entre más pequeño es el Agujero negro, esta probabilidad aumenta.

 

 

Esto da como resultado que una de las partículas creadas logre escapar del Agujero negro, y la otra no. Para mantener la conservación de energía válida, el Agujero negro tiene que ceder esta energía al resto del Universo, perdiendo masa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Diagrama que intenta explicar la radiación de Hawking en un Agujero negro.  

Una partícula es creada dentro y la otra fuera, por lo que puede

llegar a escapar. Esta emisión constante de radiación

en forma de partículas energéticas, es la radiación de Hawking.

 

 

Después de cierto tiempo, nuestro Agujero negro se evaporará. Como apenas cuenta con algunos milímetros de diámetro, su tiempo de vida sería fugaz.

 

 

Por otro lado, los gigantescos Agujeros negros supermasivos hallados en los centros de las galaxias tienen millones de veces la masa de nuestro Sol, generando que midan millones de kilómetros de diámetro, y puedan existir por periodos de tiempo mayores incluso a la edad actual del Universo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Agujero negro supermasivo al centro de la galaxia NGC 1277, a 220

millones de años luz de nuestra galaxia. El punto azul claro es

el tamaño de la órbita de nuestro planeta. El círculo azul oscuro

es el tamaño de la órbita de Neptuno.

 

Si has tomado en cuenta todos los datos que hemos proporcionado aquí, tu agujero negro debería estar formado y listo para usarse. Ahora sólo queda encontrar una bonita envoltura, y mandárselo a esa persona especial, como regalo del día del amor y la amistad.

 

Que lo disfruten! <3

 

 

 

 

Para comprobar la información:

https://es.wikipedia.org/wiki/Espacio-tiempo_de_Minkowski

https://es.wikipedia.org/wiki/Radio_de_Schwarzschild

https://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_de_Hawking

https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo

https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_del_punto_cero

https://es.wikipedia.org/wiki/NGC_1277

https://es.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADcula_virtual

https://es.wikipedia.org/wiki/Hip%C3%B3tesis_de_censura_c%C3%B3smica