CienciaNebulosa

En Ciencia Nebulosa nos gusta vivir al extremo. Así que en el artículo de hoy iremos hasta los límites del Universo, donde el tiempo y el espacio dejan de tener sentido. Hoy trataremos el tema obligado que todo blog que se haga llamar científico debe tratar alguna vez (o muchas).  Seguramente habrás oído hablar de los agujeros negros. Probablemente los hayas visto en alguna película, aterrorizando a los pobres protagonistas. Los agujeros negros dan miedo. Se trata sin duda alguna del fenómeno más violento que pueda ocurrir en nuestro Universo, tal vez en parte porque también es el más incomprendido.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Así se vería un agujero negro supermasivo. Como en la película Interestellar.

 

 

Así que abróchense cinturones, y aceleren motores a una velocidad mayor que la luz, porque de este viaje no hay regreso. Daremos un pequeño paseo por el entendimiento básico de estos monstruos cósmicos, aclararemos algunos comunes malentendidos y lanzaremos algunos datos curiosos.

 

 

Pero antes, un poquito de contexto.

 

 

En el tiempo en que Albert Einstein desarrollaba las ecuaciones que describirían el Universo en que vivimos se dio cuenta de la estrecha relación que la materia y la energía tenían con el tiempo y el espacio.  Logró demostrar que la masa, una propiedad que antes se pensaba que sólo dependía de la cantidad de materia en un cuerpo, también aumentaba con el incremento de la energía. No sólo eso. Era la misma masa la propiedad responsable de lo que llamamos gravedad.

 

 

Algunos siglos antes, Isaac Newton ya había descrito con bastante precisión la relación entre la masa, la distancia y los efectos gravitatorios. Pero nunca se dignó a explicarnos el mecanismo con que la gravedad es creada. Es aquí cuando entra el buen Einstein con su Teoría general de la Relatividad a rescatar la fiesta.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bitches.

 

 

Albert propone que el Universo no es un espacio tridimensional que avanza a través del tiempo (como nuestro sentido común nos lo dice). Sino que el Universo es un espacio de cuatro dimensiones, cuya cuarta dimensión percibimos de manera diferente a las primeras tres dimensiones (no me pregunten por qué razón, nadie lo sabe). Esta cuarta dimensión es, para nosotros, el tiempo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

El cubo es la versión 3D del cuadrado. El teserract es la versión 4D de un cubo.

De la misma forma que es imposible mostrar un cubo en un plano, es imposible mostrar

un teserract en nuestras 3 dimensiones espaciales. La figura muestra

la proyección tridimensional del teserract (el análogo a la sombra de un cubo).

 

 

Esta manera de estudiar el Universo tendría profundas implicaciones, ya que no podría hablarse más del espacio y el tiempo como cosas diferentes. Sólo diferentes caras de la misma moneda. Al conjunto del tiempo y el espacio en la Relatividad se le llamó (redoble de tambores) Tiempo-espacio (lo sabemos, los físicos deberían contratar a alguien para que le ponga los nombres a los descubrimientos).

 

 

Ahora bien, Einstein demostró que la masa de los cuerpos es la responsable que se produzca una perturbación o deformación en el Espacio-Tiempo. Dicha deformación se estaría manifestando a través de la cuarta dimensión. Para nosotros, que sólo podemos experimentar 3 de las dimensiones físicas, esa perturbación es percibida como la gravedad.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Esta representación no es del todo adecuada, ya que en la imagen

se observa una perturbación en un espacio de dos dimensiones, a lo largo

de una tercera dimensión. El fenómeno real se da en una dimensión más alta.

 

 

Es importante recordar que debido a que hablamos de un todo (espacio-tiempo), al existir una distorsión del espacio también habrá una dilatación temporal,  en pocas palabras, el tiempo avanzará de manera más lenta donde exista más gravedad.

 

 

Un reloj dentro de un campo gravitatorio avanzará siempre más despacio en relación con un reloj que esté fuera de un campo gravitatorio.

 

 

Todo este contexto es importante para entender lo que sucede cerca de un agujero negro.

 

 

¿Qué es un agujero negro?

 

Las ecuaciones de Einstein no marcan un límite para el cual el espacio-tiempo debe dejar de distorsionarse, por lo que un cuerpo con suficiente masa y suficientemente compacto podría provocar una gravedad tan inmensa que vencería toda fuerza de la naturaleza y acabaría por colapsar infinitamente por su propia gravedad.

 

 

Un agujero negro es precisamente eso.

 

 

Un objeto que colapsó hasta el infinito, distorsionando el espacio a su alrededor de manera tan extrema que ni la luz podría salir de sus dominios.

 

 

La primera solución exacta a las ecuaciones de Einstein daba como resultado un agujero negro estático. Ni el mismo Einstein creía posible que algo así pudiera existir realmente en la naturaleza.  Pero si algo nos ha enseñado el Universo a lo largo de estos años es que: Cuando algo no está prohibido, es obligatorio.

 

Los agujeros negros sí que existen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La distorsión nunca topa con un límite y llega hasta el infinito, en teoría.

 

 

¿Por qué es negro un agujero negro?

 

Si tu fueras viajando por el espacio y de repente te encontraras con un agujero negro, lo que estarías viendo (o no viendo) sería una esfera completamente negra (esto no aplica a la realidad puesto que los agujeros negros nunca se encuentran solos, si no con gran cantidad de materia rodeándolos, lo que hace que brillen sus alrededores debido a la gran temperatura) rodeada de un potentísimo lente gravitacional (del que hablaba en el artículo del mismo nombre, en la sección de astronomía).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Representación de un agujero negro estático. El tipo de agujero negro

más simple de todos. Difícilmente existente en la naturaleza (ya que se piensa que

la gran mayoría de agujeros negros son rotativos

y generan un campo magnético).

 

 

Esa “esfera negra” que estarías viendo es la región del espacio en donde la luz pierde tanta energía por la gravedad que deja de ser visible, convirtiéndose en luz infrarroja u ondas de radio (que a fin de cuentas también es “luz” pero que no podemos ver con nuestros ojos desnudos). Esta región se llama “horizonte de partículas”.

 

 

Talvez hayas escuchado que un agujero negro es negro porque su gravedad tan alta no dejaría escapar la luz, pero recuerda que la luz no tiene masa y no es frenada por la gravedad. Así que esto no es del todo correcto (por otro lado, sí pierde energía por la gravedad, es decir, su longitud de onda se hace más grande).

 

 

La verdadera razón por la que la luz (ni nada) sale de un agujero negro es porque a partir de cierta distancia, llamada “horizonte de sucesos”, el espacio se encuentra tan distorsionado que las tres dimensiones que conocemos del espacio dejan de existir de manera “independiente”. Una vez que se cruza este límite, ya no existe la opción de salir porque la única dirección disponible es “hacia dentro”. En pocas palabras, las direcciones “arriba/abajo”, “izquierda/derecha” y “enfrente/atrás” se convierten en “hacia dentro”.

 

 

Los agujeros negros no “succionan cosas”

 

De hecho un agujero negro no es peligroso, mientras te mantengas a una distancia segura. Un agujero negro se comporta como si fuera un objeto en el sentido que podemos medir su masa.

 

 

Por ejemplo.

 

 

Si el Sol fuera reemplazado en este mismo momento por un agujero negro de su misma masa, la Tierra y todos los demás planetas ni lo notaríamos y las órbitas seguirían exactamente igual. La diferencia sería que en lugar del Sol, que mide unos 1,400,000 km de diámetro, nos quedaría un agujero negro de unos 3 km de radio; y nos congelaríamos hasta morir, claro.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nuestro planeta podría orbitar sin problema un agujero

negro con la misma masa que el sol.

 

 

Por cierto.

 

 

El número que les acabo de dar es el radio de Schwarzschild, y se refiere al radio que debería tener nuestro Sol, conservando su misma masa, para colapsar en un agujero negro. Este número se puede calcular para cualquier cuerpo del que conozcamos su masa. Un agujero negro con la masa de la Tierra mediría un centímetro de diámetro, aprox. Un agujero negro con la masa de un ser humano, mediría mucho menos que el núcleo de un átomo de hidrógeno.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Si pudiéramos comprimir todo el planeta Tierra hasta el tamaño de

una canica, se generaría un agujero negro. No tengo que

decirles que sería una mala idea ¿Verdad?.

 

 

Un agujero negro es el límite del tiempo

 

Suponiendo por un momento que el corrimiento al rojo ocasionado por la gravedad no existe (es decir, la pérdida de energía de la luz al acercarse al horizonte de partículas), lo que ocurre cerca del horizonte de sucesos es bastante curioso.

 

 

Recordando el fenómeno de la dilatación temporal a causa de la gravedad, podemos saber que entre más nos acerquemos al agujero negro, más lento correrá nuestro tiempo en comparación con el resto del Universo. Hasta que cuando nos topamos con el horizonte de sucesos, nuestro tiempo va al máximo de lentitud, es decir, ¡se detiene por completo! (en comparación con el resto del Universo).

 

 

Esto tiene consecuencias demasiado extrañas.

 

 

Si nosotros cayéramos en un agujero negro (el Universo no lo quiera), suponiendo que no nos afecta la Espaguetización (de la que al rato les cuento), veríamos nuestro tiempo corriendo a la velocidad normal. Caeríamos, pasaríamos el horizonte de partículas y el horizonte de sucesos, y seguiríamos cayendo indefinidamente.

 

 

Pero para un observador externo, nosotros jamás cruzaríamos el horizonte de sucesos, puesto que nuestro tiempo se ha congelado completamente para él. Aún si el observador externo esperara una cantidad infinita de tiempo, nunca nos vería atravesar el horizonte de sucesos.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ambos observadores están en lo correcto, aunque están en desacuerdo entre si.

 

 

Lo que para nosotros ocurre en poco tiempo (caer y cruzar el horizonte de sucesos), para alguien fuera del agujero jamás ocurre. Todos los eventos que lleguen a “ocurrir” dentro de este límite, no pueden ser considerados como parte de nuestro Universo, así de locochón está esto.

 

 

Además, al llegar al horizonte de sucesos (suponiendo que la intensa radiación proveniente del exterior no nos ha rostizado aún) podríamos voltear la vista hacia fuera del agujero negro, y ver pasar todo el tiempo de vida del Universo en un parpadeo. TODO el tiempo del Universo.

 

 

Lo que pasa después de cruzar el horizonte de sucesos nadie lo sabe en realidad. Algunos piensan que el tiempo empezaría a correr hacia atrás después de este punto. O que en realidad la caída no sería infinita. O que saldrías en otro Universo, o en algún punto lejano del nuestro. A partir de ese punto, la física que conocemos es una broma.

 

 

Espaguetización

 

Sí, es un efecto real.

 

 

Sí, así se llama.

 

 

Este efecto es consecuencia de la forma en que la gravedad afecta a los cuerpos. Más específicamente a los efectos de marea.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ouch.

 

 

Si te encuentras parado sobre la superficie de la Tierra en estos momentos, significa que tus pies están sintiendo una mayor atracción gravitatoria hacia el centro del planeta que tu cabeza, por la simple razón de que están más cerca de dicho centro.  Recuerda que la gravedad se vuelve más débil con el cuadrado de la distancia, cómo nos mostró Newton. Esa diferencia de cantidad de atracción gravitatoria entre los dos puntos genera una fuerza ficticia que trata de alargar tu cuerpo, como una liga.

 

 

¿Qué tan grande es esta diferencia?

 

 

Es una cosa de nada. Es tan diminuta que ni siquiera la podemos medir. Pero esto es así porque la “deformación” del espacio-tiempo que la Tierra genera es bastante diminuta.

 

 

Pero en un agujero negro, nada es tan simple.

 

 

Si te acercas demasiado, llegará un momento en que la fuerza de marea será inmensa, es decir, si estuvieras cayendo con los pies por delante, en algún punto de tu desdichado trayecto tus pies sentirán una gravedad de cientos, miles, hasta millones de veces más intensa que tu cabeza.

 

 

Como consecuencia empezarías a alargarte como un espagueti (de ahí el nombre del fenómeno), hasta llegar al ancho de un simple átomo. Seguramente no es divertido terminar tu vida como un platillo de gourmet italiano.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

No importa de qué galaxia vengas. Eso debe de doler.

 

 

Existen muchas otras características interesantes acerca de estos fenómenos cósmicos que valdrá la pena platicar en futuros artículos. ¿Cómo se forma un agujero negro? ¿Qué pasa si se creara uno en la Tierra? ¿Los agujeros negros duran para siempre? ¿El Universo podría haber surgido de un agujero negro en otro Universo?

 

 

Estas y otras preguntas las trataremos en otro capítulo, de Ciencia Nebulosa.

 

 

 

 

 

 

 

Más información:

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

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

http://www.astro.ugto.mx/cursos/astrofisicaII/AstrofisicaII_Parte_II/capitulo_11/cap_11_docs/Subcap_4/horizonte_particulas.htm

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

https://es.wikipedia.org/wiki/Dilataci%C3%B3n_del_tiempo

https://es.wikipedia.org/wiki/Espaguetizaci%C3%B3n