Los agujeros negros son uno de los fenómenos más extraños del universo. En cualquier caso, en esta etapa del desarrollo humano. Este es un objeto con masa y densidad infinitas, y por lo tanto atracción, más allá de la cual ni siquiera la luz puede escapar; por lo tanto, el agujero es negro. Un agujero negro supermasivo puede succionar una galaxia entera y no asfixiarse, y más allá del horizonte de sucesos, nuestra física familiar comienza a chirriar y retorcerse en un nudo. Por otro lado, los agujeros negros pueden convertirse en potenciales "agujeros" de transición de un nodo espacial a otro. La pregunta es, ¿qué tan cerca podemos llegar al agujero negro? ¿Estará plagado de consecuencias?

El agujero negro supermasivo Sagittarius A *, ubicado en el centro de nuestra galaxia, no solo succiona objetos cercanos, sino que también emite poderosas ondas de radio. Los científicos han intentado durante mucho tiempo distinguir estos rayos, pero se vieron obstaculizados por la luz difusa que rodeaba el agujero. Finalmente, pudieron atravesar el ruido de la luz utilizando 13 telescopios, que se combinaron en un solo sistema poderoso. Posteriormente, descubrieron información interesante sobre rayos previamente misteriosos.

Hace unos días, el 14 de marzo, uno de los físicos más destacados de nuestro tiempo dejó este mundo,

Toda persona que se familiariza con la astronomía, tarde o temprano, experimenta una fuerte curiosidad por los objetos más misteriosos del Universo: los agujeros negros. Estos son los verdaderos maestros de la oscuridad, capaces de "tragar" cualquier átomo cercano que pase y no dejar escapar ni siquiera la luz; su atracción es tan poderosa. Estos objetos presentan un verdadero desafío para físicos y astrónomos. Los primeros aún no pueden entender qué está sucediendo con la sustancia que ha caído en el agujero negro, y los segundos, aunque explican los fenómenos del espacio que más energía consumen por la existencia de los agujeros negros, nunca han tenido la oportunidad de observar ninguno de ellos. ellos directamente. Te contaremos sobre estos objetos celestes más interesantes, averigua lo que ya se ha descubierto y lo que queda por aprender para poder levantar el velo del secreto.

¿Qué es un agujero negro?

El nombre "agujero negro" (en inglés - agujero negro) fue propuesto en 1967 por el físico teórico estadounidense John Archibald Wheeler (ver foto a la izquierda). Sirvió para designar un cuerpo celeste, cuya atracción es tan fuerte que ni siquiera deja que la luz se vaya de sí mismo. Por eso es "negro" porque no emite luz.

Observaciones indirectas

Esta es la razón de este misterio: dado que los agujeros negros no brillan, no podemos verlos directamente y nos vemos obligados a buscarlos y estudiarlos, utilizando solo evidencia indirecta de que su existencia deja en el espacio circundante. En otras palabras, si un agujero negro engulle una estrella, no vemos el agujero negro, pero podemos observar los efectos devastadores de su poderoso campo gravitacional.

La intuición de Laplace

A pesar de que la expresión "agujero negro" para denotar la hipotética etapa final de la evolución de una estrella que colapsó sobre sí misma bajo la influencia de la gravedad apareció hace relativamente poco tiempo, surgió la idea de la posibilidad de la existencia de tales cuerpos. que hace dos siglos. El inglés John Michell y el francés Pierre-Simon de Laplace plantearon independientemente la hipótesis de la existencia de "estrellas invisibles"; mientras que se basaban en las leyes habituales de la dinámica y la ley de Newton de la gravitación universal. Hoy en día, los agujeros negros han recibido su descripción correcta basada en la teoría general de la relatividad de Einstein.

En su obra "Exposición del sistema del mundo" (1796) Laplace escribió: "Una estrella brillante de la misma densidad que la Tierra, con un diámetro de 250 veces el diámetro del Sol, debido a su atracción gravitacional, no Permitir que los rayos de luz nos alcancen. Por lo tanto, es posible que los cuerpos celestes más grandes y brillantes por esta razón sean invisibles ".

Gravedad invencible

La idea de Laplace se basó en el concepto de velocidad de escape (segunda velocidad cósmica). Un agujero negro es un objeto tan denso que su atracción es capaz de retener incluso la luz, que desarrolla la velocidad más alta de la naturaleza (casi 300.000 km / s). En la práctica, se necesita una velocidad mayor que la velocidad de la luz para escapar de un agujero negro, ¡pero esto no es posible!

Esto significa que una estrella de este tipo será invisible, ya que ni siquiera la luz podrá vencer su poderosa gravedad. Einstein explicó este hecho mediante el fenómeno de la desviación de la luz bajo la influencia de un campo gravitacional. En realidad, cerca del agujero negro, el espacio-tiempo es tan curvo que las trayectorias de los rayos de luz también se cierran sobre sí mismas. Para convertir al Sol en un agujero negro, tendremos que concentrar toda su masa en una bola con un radio de 3 km, ¡y la Tierra tendrá que convertirse en una bola con un radio de 9 mm!

Tipos de agujeros negros

Hace unos diez años, las observaciones permitieron suponer la existencia de dos tipos de agujeros negros: estelar, cuya masa es comparable a la masa del Sol o ligeramente superior a ella, y supermasivo, cuya masa oscila entre varios cientos. miles a muchos millones de masas solares. Sin embargo, hace relativamente poco tiempo, las imágenes de rayos X y los espectros de alta resolución obtenidos de satélites artificiales como Chandra y HMM-Newton sacaron a la luz un tercer tipo de agujero negro, con una masa promedio miles de veces mayor que la masa del Sol. .

Agujeros negros estelares

Los agujeros negros estelares se conocieron antes que otros. Se forman cuando una estrella de gran masa al final de su camino evolutivo se queda sin combustible nuclear y colapsa sobre sí misma debido a su propia gravedad. Una impresionante explosión de estrellas (conocida como "explosión de supernova") tiene consecuencias catastróficas: si el núcleo de una estrella tiene más de 10 veces la masa del Sol, ninguna fuerza nuclear puede resistir el colapso gravitacional que resultará en la aparición de una estrella. calabozo.

Agujeros negros supermasivos

Los agujeros negros supermasivos, que se observaron por primera vez en los núcleos de algunas galaxias activas, tienen un origen diferente. Hay varias hipótesis sobre su nacimiento: un agujero negro estelar, que devora todas las estrellas circundantes durante millones de años; un grupo fusionado de agujeros negros; una colosal nube de gas colapsando directamente en un agujero negro. Estos agujeros negros son algunos de los objetos más energéticos del espacio. Están ubicados en los centros de muchas, si no todas, las galaxias. Nuestra galaxia también tiene ese agujero negro. A veces, debido a la presencia de tal agujero negro, los núcleos de estas galaxias se vuelven muy brillantes. Las galaxias con agujeros negros en el centro, rodeadas por una gran cantidad de materia que cae y, por lo tanto, capaces de producir cantidades colosales de energía, se denominan "activas" y sus núcleos, "núcleos galácticos activos" (AGN). Por ejemplo, los cuásares (los objetos espaciales más distantes disponibles para nuestra observación) son galaxias activas, en las que solo vemos un núcleo muy brillante.

Medio y mini

Otro misterio sigue siendo los agujeros negros de masa media, que, según estudios recientes, pueden estar en el centro de algunos cúmulos globulares, como M13 y NCC 6388. Muchos astrónomos son escépticos acerca de estos objetos, pero algunas investigaciones recientes sugieren la presencia de negros agujeros de tamaño mediano incluso cerca del centro de nuestra galaxia. El físico inglés Stephen Hawking también presentó una suposición teórica sobre la existencia de un cuarto tipo de agujero negro: un "miniagujero" con una masa de sólo mil millones de toneladas (que es aproximadamente igual a la masa de una gran montaña). Estamos hablando de objetos primarios, es decir, aquellos que aparecieron en los primeros momentos de la vida del Universo, cuando la presión aún era muy alta. Sin embargo, aún no se ha encontrado ni un solo rastro de su existencia.

Cómo encontrar un agujero negro

Hace apenas unos años, se encendió una luz sobre los agujeros negros. Gracias a los instrumentos y tecnologías en constante mejora (tanto terrestres como espaciales), estos objetos son cada vez menos misteriosos; más precisamente, el espacio que los rodea se vuelve menos misterioso. De hecho, dado que el agujero negro en sí es invisible, solo podemos reconocerlo si está rodeado por una cantidad suficiente de materia (estrellas y gas caliente) girando a su alrededor a una corta distancia.

Observando sistemas binarios

Se han descubierto algunos agujeros negros estelares mientras se observaba el movimiento orbital de una estrella alrededor de un compañero binario invisible. Los sistemas binarios cercanos (es decir, formados por dos estrellas muy próximas entre sí), una de las compañeras en las que es invisible, son un objeto favorito de observaciones de los astrofísicos que buscan agujeros negros.

Una indicación de la presencia de un agujero negro (o estrella de neutrones) es la fuerte emisión de rayos X causada por un mecanismo complejo que se puede describir esquemáticamente de la siguiente manera. Gracias a su poderosa gravedad, un agujero negro puede arrancar materia de una estrella compañera; este gas se distribuye en forma de disco plano y forma una espiral hacia el interior del agujero negro. La fricción resultante de la colisión de partículas del gas que cae calienta las capas internas del disco a varios millones de grados, lo que provoca la emisión de potentes rayos X.

Observaciones de rayos X

Durante décadas, las observaciones de rayos X de objetos en nuestra galaxia y galaxias vecinas han revelado fuentes binarias compactas, de las cuales alrededor de una docena son sistemas que contienen candidatos a agujero negro. El principal problema es determinar la masa de un cuerpo celeste invisible. El valor de la masa (aunque no muy exacto) se puede encontrar estudiando el movimiento del acompañante o, mucho más difícil, midiendo la intensidad de la radiación de rayos X del material incidente. Esta intensidad está relacionada por la ecuación con la masa del cuerpo sobre la que cae esta sustancia.

Premio Nobel

Algo similar puede decirse de los agujeros negros supermasivos observados en los núcleos de muchas galaxias, cuyas masas se estiman midiendo las velocidades orbitales del gas que cae en el agujero negro. En este caso, el rápido aumento de la velocidad de las nubes de gas que orbitan en el centro de las galaxias, provocado por el potente campo gravitacional de un objeto muy grande, se revela mediante observaciones en el rango de radio, así como en rayos ópticos. Las observaciones de rayos X pueden confirmar la mayor liberación de energía causada por la caída de materia en el agujero negro. A principios de la década de 1960, Riccardo Giaconi, un italiano que trabajaba en los Estados Unidos, inició la investigación en rayos X. El Premio Nobel que se le otorgó en 2002 reconoció sus "contribuciones pioneras a la astrofísica que llevaron al descubrimiento de fuentes de rayos X en el espacio".

Swan X-1: primer candidato

Nuestra galaxia no es inmune a la presencia de objetos candidatos a agujeros negros. Afortunadamente, ninguno de estos objetos está lo suficientemente cerca de nosotros como para representar una amenaza para la existencia de la Tierra o del sistema solar. A pesar de la gran cantidad de fuentes de rayos X compactas conocidas (y estos son los candidatos más probables para encontrar agujeros negros allí), no estamos seguros de que realmente contengan agujeros negros. La única entre estas fuentes que no tiene una versión alternativa es el sistema binario cercano Cygnus X-1, es decir, la fuente de rayos X más brillante en la constelación Cygnus.

Estrellas masivas

Este sistema, con un período orbital de 5,6 días, consta de una estrella azul muy brillante de gran tamaño (su diámetro es 20 veces el solar y su masa es aproximadamente 30 veces), fácilmente distinguible incluso en tu telescopio, y un invisible segunda estrella, la masa que se estima en varias masas solares (hasta 10). Situada a 6500 años luz de distancia, la segunda estrella sería perfectamente visible si fuera una estrella ordinaria. Su invisibilidad, los poderosos rayos X emitidos por el sistema y, finalmente, las estimaciones de masa llevan a la mayoría de los astrónomos a pensar que este es el primer caso confirmado de un agujero negro estelar.

Dudas

Sin embargo, también hay escépticos. Entre ellos se encuentra uno de los mayores investigadores de agujeros negros, el físico Stephen Hawking. Incluso hizo una apuesta con su homólogo estadounidense Keel Thorne, un ferviente partidario de clasificar el objeto Cygnus X-1 como un agujero negro.

La disputa sobre la naturaleza del objeto Swan X-1 no es la única apuesta de Hawking. Habiendo dedicado varios nueve años a estudios teóricos de los agujeros negros, se convenció de la equivocación de sus ideas anteriores sobre estos misteriosos objetos. En particular, Hawking asumió que después de caer en un agujero negro, la materia desaparece para siempre, y con ella toda su el equipaje de información desaparece. Estaba tan seguro de ello que en 1997 inició una apuesta sobre este tema con su colega estadounidense John Preskill.

Admitir un error

El 21 de julio de 2004, en un discurso en el Congreso de Dublín sobre Teoría de la Relatividad, Hawking admitió que Preskill tenía razón. Los agujeros negros no conducen a la desaparición completa de la materia. Además, tienen cierto tipo de "memoria". Bien pueden contener trazas de lo que han absorbido. Por lo tanto, al "evaporarse" (es decir, emitir radiación lentamente debido al efecto cuántico), pueden devolver esta información a nuestro Universo.

Agujeros negros en la galaxia

Los astrónomos todavía tienen muchas dudas sobre la presencia de agujeros negros estelares en nuestra Galaxia (como el que pertenece al binario Cygnus X-1); pero hay muchas menos dudas sobre los agujeros negros supermasivos.

En el centro

Hay al menos un agujero negro supermasivo en nuestra galaxia. Su fuente, conocida como Sagitario A *, está ubicada precisamente en el centro del plano de la Vía Láctea. Su nombre se debe al hecho de que es la fuente de radio más poderosa de la constelación de Sagitario. Es en esta dirección donde se ubican los centros físicos y geométricos de nuestro sistema galáctico. A una distancia de unos 26.000 años luz de nosotros, un agujero negro supermasivo asociado con la fuente de ondas de radio Sagitario A * tiene una masa que se estima en unos 4 millones de masas solares, encerrada en el espacio, cuyo volumen es comparable a el volumen del sistema solar. Su relativa proximidad a nosotros (este agujero negro supermasivo es sin duda el más cercano a la Tierra) se ha convertido en la razón por la que en los últimos años el objeto ha sido objeto de un estudio particularmente profundo utilizando el observatorio espacial Chandra. Resultó, en particular, que también es una poderosa fuente de radiación de rayos X (pero no tan poderosa como las fuentes en núcleos galácticos activos). Sagitario A * es posiblemente el remanente "inactivo" de lo que hace millones o miles de millones de años era el núcleo activo de nuestra Galaxia.

¿Segundo agujero negro?

Sin embargo, algunos astrónomos creen que hay otra sorpresa en nuestra galaxia. Se trata de un segundo agujero negro de masa media que mantiene unido a un cúmulo de estrellas jóvenes y evita que caigan en un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la propia galaxia. ¿Cómo puede ser que a una distancia menor a un año luz de él pueda haber un cúmulo estelar con una edad apenas alcanzada los 10 millones de años, es decir, según los estándares astronómicos, muy joven? Según los investigadores, la respuesta es que el cúmulo nació en el lugar equivocado (el entorno alrededor del agujero negro central es demasiado hostil para la formación de estrellas), pero fue "arrastrado" allí debido a la existencia de un segundo agujero negro en su interior. , que tiene una masa de valores medios.

En orbita

Las estrellas individuales del cúmulo, atraídas por el agujero negro supermasivo, comenzaron a desplazarse hacia el centro galáctico. Sin embargo, en lugar de dispersarse en el espacio, permanecen unidos por la atracción gravitacional de un segundo agujero negro en el centro del cúmulo. La masa de este agujero negro se puede estimar en función de su capacidad para "atar" un cúmulo de estrellas completo. Un agujero negro de tamaño mediano parece orbitar el agujero negro central en unos 100 años. Esto significa que la observación continua durante muchos años nos permitirá "verlo".

Debido al aumento relativamente reciente del interés en hacer películas de divulgación científica sobre el tema de la exploración espacial, el espectador moderno ha escuchado mucho sobre fenómenos como la singularidad o el agujero negro. Sin embargo, las películas, obviamente, no revelan toda la naturaleza de estos fenómenos y, a veces, incluso distorsionan las teorías científicas construidas para una mayor efectividad. Por esta razón, la idea de mucha gente moderna sobre estos fenómenos es completamente superficial o completamente errónea. Una de las soluciones al problema es este artículo, en el que intentaremos comprender los resultados de la investigación existente y responder a la pregunta: ¿qué es un agujero negro?

En 1784, el sacerdote y naturalista inglés John Michell mencionó por primera vez en una carta a la Royal Society algún cuerpo masivo hipotético que tiene una atracción gravitacional tan fuerte que la segunda velocidad cósmica superará la velocidad de la luz. La segunda velocidad cósmica es la velocidad que necesitará un objeto relativamente pequeño para superar la atracción gravitacional de un cuerpo celeste e ir más allá de la órbita cerrada alrededor de este cuerpo. Según sus cálculos, un cuerpo con la densidad del Sol y un radio de 500 radios solares tendrá en su superficie una segunda velocidad cósmica igual a la velocidad de la luz. En este caso, incluso la luz no abandonará la superficie de dicho cuerpo y, por lo tanto, este cuerpo solo absorberá la luz entrante y permanecerá invisible para el observador, una especie de mancha negra sobre el fondo del espacio oscuro.

Sin embargo, el concepto de Michell de un cuerpo supermasivo no atrajo mucho interés hasta el trabajo de Einstein. Recordemos que este último definió la velocidad de la luz como la velocidad límite de transmisión de información. Además, Einstein amplió la teoría de la gravitación para velocidades cercanas a la velocidad de la luz (). Como resultado, ya no era relevante aplicar la teoría newtoniana a los agujeros negros.

Ecuación de Einstein

Como resultado de la aplicación de la relatividad general a los agujeros negros y la solución de las ecuaciones de Einstein, se identificaron los principales parámetros de un agujero negro, de los cuales solo hay tres: masa, carga eléctrica y momento angular. Cabe destacar la importante contribución del astrofísico indio Subramanian Chandrasekhar, quien creó la monografía fundamental: "La teoría matemática de los agujeros negros".

Por lo tanto, la solución a las ecuaciones de Einstein se presenta mediante cuatro opciones para cuatro posibles tipos de agujeros negros:

• BH sin rotación y sin cargo: la solución de Schwarzschild. Una de las primeras descripciones de un agujero negro (1916) utilizando las ecuaciones de Einstein, pero sin tener en cuenta dos de los tres parámetros corporales. La solución del físico alemán Karl Schwarzschild permite calcular el campo gravitacional externo de un cuerpo masivo esférico. La peculiaridad del concepto de BH del científico alemán es la presencia de un horizonte de eventos y el que se esconde detrás de él. Además, Schwarzschild primero calculó el radio gravitacional, que recibió su nombre, que determina el radio de la esfera en la que se ubicaría el horizonte de eventos para un cuerpo con una masa determinada.
• BH sin rotación con carga: solución Reisner-Nordström. Una solución propuesta en 1916-1918, teniendo en cuenta la posible carga eléctrica del agujero negro. Esta carga no puede ser arbitrariamente grande y está limitada debido a la repulsión eléctrica resultante. Este último debería compensarse con la atracción gravitacional.
• BH con rotación y sin carga: solución de Kerr (1963). Un agujero negro de Kerr giratorio se diferencia de uno estático por la presencia de la llamada ergosfera (lea sobre este y otros componentes del agujero negro a continuación).
• BH con rotación y carga - Solución Kerr - Newman. Esta solución se calculó en 1965 y actualmente es la más completa, ya que tiene en cuenta los tres parámetros de BH. Sin embargo, todavía se asume que en la naturaleza los agujeros negros tienen una carga insignificante.

Formación de un agujero negro

Existen varias teorías sobre cómo se forma y aparece un agujero negro, la más famosa de las cuales es la formación de una estrella con suficiente masa como resultado del colapso gravitacional. Esta compresión puede poner fin a la evolución de estrellas con una masa de más de tres masas solares. Una vez que se completan las reacciones termonucleares dentro de tales estrellas, comienzan a colapsar rápidamente en superdensas. Si la presión del gas de la estrella de neutrones no puede compensar las fuerzas gravitacionales, es decir, la masa de la estrella supera la llamada. el límite de Oppenheimer-Volkov, entonces el colapso continúa, con el resultado de que la materia se comprime en un agujero negro.

El segundo escenario, que describe el nacimiento de un agujero negro, es la compresión de gas protogaláctico, es decir, gas interestelar que se encuentra en la etapa de transformación en una galaxia o algún tipo de cúmulo. Si no hay suficiente presión interna para compensar las mismas fuerzas gravitacionales, puede surgir un agujero negro.

Otros dos escenarios siguen siendo hipotéticos:

• La aparición de BH como resultado - el llamado. agujeros negros primordiales.
• Ocurrencia como resultado de reacciones nucleares a altas energías. Un ejemplo de tales reacciones son los experimentos con colisionadores.

Estructura y física de los agujeros negros

La estructura de Schwarzschild de un agujero negro incluye solo dos elementos, que se mencionaron anteriormente: la singularidad y el horizonte de eventos del agujero negro. Hablando brevemente sobre la singularidad, se puede notar que es imposible trazar una línea recta a través de ella, y también que dentro de ella la mayoría de las teorías físicas existentes no funcionan. Por lo tanto, la física de la singularidad sigue siendo un misterio para los científicos de hoy. un agujero negro es una especie de frontera, al cruzar el cual, un objeto físico pierde la capacidad de regresar más allá de sus límites y definitivamente "caerá" en la singularidad del agujero negro.

La estructura de un agujero negro se vuelve algo más complicada en el caso de la solución de Kerr, es decir, en presencia de rotación del BH. La solución de Kerr asume que el agujero tiene una ergosfera. La ergosfera es una determinada región fuera del horizonte de sucesos, dentro de la cual todos los cuerpos se mueven en la dirección de rotación del agujero negro. Esta área aún no es emocionante y es posible abandonarla, a diferencia del horizonte de eventos. La ergosfera es probablemente una especie de análogo del disco de acreción, que es materia en rotación alrededor de cuerpos masivos. Si un agujero negro de Schwarzschild estático se representa como una esfera negra, entonces el Kerry BH, debido a la presencia de la ergosfera, tiene la forma de un elipsoide achatado, en la forma en que a menudo veíamos BH en dibujos, en películas antiguas o Juegos de vídeo.

• ¿Cuánto pesa un agujero negro? - El mayor material teórico sobre el origen de un agujero negro está disponible para el escenario de su aparición como consecuencia del colapso de una estrella. En este caso, la masa máxima de una estrella de neutrones y la masa mínima de un agujero negro están determinadas por el límite de Oppenheimer-Volkov, según el cual el límite inferior de la masa BH es de 2,5 a 3 masas solares. El agujero negro más pesado jamás descubierto (en la galaxia NGC 4889) tiene una masa de 21 mil millones de masas solares. Sin embargo, no se deben olvidar los BH, que surgen hipotéticamente como resultado de reacciones nucleares a altas energías, como las de los colisionadores. La masa de tales agujeros negros cuánticos, en otras palabras, "agujeros negros de Planck", tiene un orden de magnitud, a saber, 2 · 10 −5 g.
• El tamaño del agujero negro. El radio BH mínimo se puede calcular a partir de la masa mínima (2,5 - 3 masas solares). Si el radio gravitacional del Sol, es decir, el área donde se ubicaría el horizonte de sucesos, es de aproximadamente 2,95 km, entonces el radio BH mínimo de 3 masas solares será de aproximadamente nueve kilómetros. Un tamaño tan relativamente pequeño no cabe en la cabeza cuando se trata de objetos masivos que atraen todo lo que hay a su alrededor. Sin embargo, para los agujeros negros cuánticos, el radio es - 10 −35 m.
• La densidad media de un agujero negro depende de dos parámetros: masa y radio. La densidad de un agujero negro con una masa del orden de tres masas solares es de aproximadamente 6 · 10 26 kg / m³, mientras que la densidad del agua es de 1000 kg / m³. Sin embargo, los científicos no han encontrado agujeros negros tan pequeños. La mayoría de los BH detectados tienen una masa de más de 105 masas solares. Existe un patrón interesante según el cual cuanto más masivo es un agujero negro, menor es su densidad. En este caso, un cambio de masa de 11 órdenes de magnitud conduce a un cambio de densidad de 22 órdenes de magnitud. Así, un agujero negro con una masa de 1 · 10 9 masas solares tiene una densidad de 18,5 kg / m³, que es una unidad menos que la densidad del oro. Y los BH con una masa de más de 10 10 masas solares pueden tener una densidad promedio menor que la densidad del aire. Con base en estos cálculos, es lógico suponer que la formación de un agujero negro no ocurre debido a la compresión de la materia, sino como resultado de la acumulación de una gran cantidad de materia en un cierto volumen. En el caso de los BH cuánticos, su densidad puede ser de aproximadamente 1094 kg / m³.
• La temperatura de un agujero negro también es inversamente proporcional a su masa. Esta temperatura está directamente relacionada con. El espectro de esta radiación coincide con el espectro de un cuerpo absolutamente negro, es decir, un cuerpo que absorbe toda la radiación incidente. El espectro de radiación de un cuerpo absolutamente negro depende solo de su temperatura, entonces la temperatura de BH se puede determinar a partir del espectro de radiación de Hawking. Como se mencionó anteriormente, cuanto más pequeño es el agujero negro, más poderosa es esta radiación. En este caso, la radiación de Hawking sigue siendo hipotética, ya que aún no ha sido observada por los astrónomos. De esto se deduce que si existe radiación de Hawking, entonces la temperatura de los BH observados es tan baja que no permite registrar la radiación indicada. Según los cálculos, incluso la temperatura de un agujero con una masa del orden de la masa del Sol es despreciable (1 · 10 -7 K o -272 ° C). La temperatura de los agujeros negros cuánticos puede alcanzar alrededor de 10 12 K, y con su rápida evaporación (alrededor de 1,5 minutos), estos BH pueden emitir energía del orden de diez millones de bombas atómicas. Pero, afortunadamente, la creación de tales objetos hipotéticos requerirá una energía 10 14 veces mayor que la lograda hoy en el Gran Colisionador de Hadrones. Además, los astrónomos nunca han observado tales fenómenos.

¿En qué consiste un agujero negro?

Otra pregunta preocupa, tanto a los científicos como a los que simplemente son aficionados a la astrofísica: ¿en qué consiste un agujero negro? No hay una respuesta inequívoca a esta pregunta, ya que no es posible mirar más allá del horizonte de eventos que rodea a cualquier agujero negro. Además, como se mencionó anteriormente, los modelos teóricos de un agujero negro proporcionan solo 3 de sus componentes: la ergosfera, el horizonte de eventos y la singularidad. Es lógico suponer que en la ergosfera solo existen aquellos objetos que fueron atraídos por el agujero negro y que ahora giran a su alrededor: varios tipos de cuerpos cósmicos y gas cósmico. El horizonte de sucesos es solo una delgada frontera implícita, después de caer más allá del cual, los mismos cuerpos cósmicos son atraídos irremediablemente hacia el último componente principal de BH: la singularidad. La naturaleza de la singularidad no se ha estudiado en la actualidad y es demasiado pronto para hablar de su composición.

Según algunas suposiciones, el agujero negro puede estar compuesto de neutrones. Si seguimos el escenario de un agujero negro como resultado de la contracción de una estrella a una estrella de neutrones con su posterior contracción, entonces, probablemente, la parte principal del agujero negro está formada por neutrones, de los cuales está formada la propia estrella de neutrones. En palabras simples: cuando una estrella colapsa, sus átomos se contraen de tal manera que los electrones se combinan con los protones, formando así neutrones. En realidad, tiene lugar una reacción similar en la naturaleza, mientras que la emisión de neutrinos se produce con la formación de un neutrón. Sin embargo, estos son solo supuestos.

¿Qué pasa si caes en un agujero negro?

Caer en un agujero negro astrofísico estira el cuerpo. Piense en un hipotético astronauta suicida que entra en un agujero negro con nada más que un traje espacial, con los pies por delante. Cruzando el horizonte de eventos, el astronauta no notará ningún cambio, a pesar de que ya no tiene la oportunidad de salir. En algún momento, el astronauta llegará a un punto (ligeramente detrás del horizonte de eventos) en el que comenzará a producirse la deformación de su cuerpo. Dado que el campo gravitacional de un agujero negro no es homogéneo y está representado por un gradiente de fuerza que aumenta hacia el centro, las piernas del astronauta estarán sujetas a un efecto gravitacional notablemente mayor que, por ejemplo, la cabeza. Entonces, debido a la gravedad, o más bien, a las fuerzas de las mareas, las piernas "caerán" más rápido. Por lo tanto, el cuerpo comienza a estirarse gradualmente en longitud. Para describir este fenómeno, los astrofísicos han ideado un término bastante creativo: espaguetificación. Es probable que un mayor estiramiento del cuerpo lo descomponga en átomos que, tarde o temprano, alcanzarán una singularidad. Lo que una persona sentirá en esta situación es una incógnita. Vale la pena señalar que el efecto de estiramiento de un cuerpo es inversamente proporcional a la masa del agujero negro. Es decir, si un BH con una masa de tres soles estira / rompe instantáneamente el cuerpo, entonces el agujero negro supermasivo tendrá fuerzas de marea más bajas y, hay sugerencias de que algunos materiales físicos podrían "soportar" tal deformación sin perder su estructura.

Como saben, el tiempo fluye más lentamente cerca de objetos masivos, lo que significa que el tiempo para un astronauta suicida fluirá mucho más lento que para los terrícolas. En este caso, tal vez sobrevivirá no solo a sus amigos, sino también a la Tierra misma. Se requerirán cálculos para determinar cuánto tiempo se ralentizará el astronauta; sin embargo, de lo anterior, se puede suponer que el astronauta caerá en el agujero negro muy lentamente y, quizás, simplemente no vivirá para ver el momento en que su cuerpo comienza a deformarse.

Es de destacar que para un observador externo, todos los cuerpos que han volado hasta el horizonte de eventos permanecerán en el borde de este horizonte hasta que su imagen desaparezca. La razón de esto es el corrimiento al rojo gravitacional. Simplificando un poco, podemos decir que la luz que cae sobre el cuerpo de un cosmonauta suicida "congelado" en el horizonte de sucesos cambiará su frecuencia debido a su ralentización del tiempo. A medida que el tiempo pasa más lentamente, la frecuencia de la luz disminuirá y la longitud de onda aumentará. Como resultado de este fenómeno, en la salida, es decir, para un observador externo, la luz se desplazará gradualmente hacia la baja frecuencia: rojo. Se producirá un cambio de luz a lo largo del espectro, a medida que el astronauta suicida se aleja cada vez más del observador, aunque de manera casi imperceptible, y su tiempo pasa cada vez más lentamente. Por lo tanto, la luz reflejada por su cuerpo pronto irá más allá del espectro visible (la imagen desaparecerá) y, en el futuro, el cuerpo del astronauta puede ser captado solo en la región infrarroja, y luego en la frecuencia de radio, y como resultado , la radiación será completamente esquiva.

A pesar de lo anterior, se supone que en agujeros negros supermasivos muy grandes, las fuerzas de marea no cambian tanto con la distancia y actúan casi uniformemente sobre el cuerpo que cae. En este caso, la nave espacial que cae conservaría su estructura. Surge una pregunta razonable: ¿a dónde conduce el agujero negro? Esta pregunta puede ser respondida por el trabajo de algunos científicos, que vincula dos fenómenos como los agujeros de gusano y los agujeros negros.

Ya en 1935, Albert Einstein y Nathan Rosen, teniendo en cuenta, plantearon una hipótesis sobre la existencia de los llamados agujeros de gusano, conectando dos puntos del espacio-tiempo por un camino en lugares de curvatura significativa de este último: el Einstein-Rosen. puente o un agujero de gusano. Para una curvatura del espacio tan poderosa, se requerirán cuerpos con una masa gigantesca, cuyo papel los agujeros negros se enfrentarían perfectamente.

El puente Einstein-Rosen se considera un agujero de gusano infranqueable porque es pequeño e inestable.

Un agujero de gusano atravesable es posible dentro del marco de la teoría de los agujeros blancos y negros. Donde el agujero blanco es la salida de información atrapada en un agujero negro. El agujero blanco se describe en el marco de la relatividad general, pero hoy sigue siendo hipotético y no ha sido descubierto. Otro modelo de agujero de gusano, propuesto por los científicos estadounidenses Kip Thorne y su estudiante de posgrado, Mike Morris, se puede caminar. Sin embargo, como en el caso del agujero de gusano de Morris-Thorne, en el caso de los agujeros blancos y negros, la posibilidad de viajar requiere la existencia de la llamada materia exótica, que tiene energía negativa y también sigue siendo hipotética.

Agujeros negros en el universo

La existencia de agujeros negros se confirmó hace relativamente poco tiempo (septiembre de 2015); sin embargo, hasta ese momento, ya existía un material teórico considerable sobre la naturaleza de los BH, así como muchos objetos candidatos para el papel de un agujero negro. En primer lugar, se debe tener en cuenta el tamaño de los BH, ya que de ellos depende la propia naturaleza del fenómeno:

• Agujero negro de masa estelar... Tales objetos se forman como resultado del colapso de una estrella. Como se mencionó anteriormente, la masa mínima de un cuerpo capaz de formar un agujero negro de este tipo es de 2,5 a 3 masas solares.
• Agujeros negros de masa media... Un tipo intermedio condicional de agujeros negros que han aumentado debido a la absorción de objetos cercanos, como una acumulación de gas, una estrella cercana (en sistemas de dos estrellas) y otros cuerpos cósmicos.
• Agujero negro supermasivo... Objetos compactos con 10 5 -10 10 masas solares. Las propiedades distintivas de tales BH son la densidad paradójicamente baja, así como las fuerzas de marea débiles, que se mencionaron anteriormente. Es un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea (Sagitario A *, Sgr A *), así como la mayoría de las otras galaxias.

Candidatos a la Casa Negra

El agujero negro más cercano, o más bien un candidato para el papel de BH, es un objeto (Unicornio V616), que se encuentra a una distancia de 3000 años luz del Sol (en nuestra galaxia). Consta de dos componentes: una estrella con una masa de la mitad de la masa solar, así como un pequeño cuerpo invisible, cuya masa es de 3 a 5 masas solares. Si este objeto resulta ser un pequeño agujero negro de masa estelar, entonces por derecha será el BH más cercano.

Después de este objeto, el segundo agujero negro más cercano es el objeto Cyg X-1, que fue el primer candidato para el papel de BH. La distancia hasta él es de aproximadamente 6070 años luz. Está bien estudiado: tiene una masa de 14,8 masas solares y un radio de horizonte de sucesos de unos 26 km.

Según algunas fuentes, otro candidato más cercano para el papel de un BH puede ser un cuerpo en el sistema estelar V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), que, según estimaciones de 1999, se encontraba a una distancia de 1600 años luz. Sin embargo, estudios posteriores aumentaron esta distancia al menos 15 veces.

¿Cuántos agujeros negros hay en nuestra galaxia?

No hay una respuesta exacta a esta pregunta, ya que es bastante difícil observarlos, y durante todo el tiempo del estudio del cielo, los científicos han logrado encontrar alrededor de una docena de agujeros negros dentro de la Vía Láctea. Sin dedicarnos a los cálculos, observamos que hay alrededor de 100 a 400 mil millones de estrellas en nuestra galaxia, y aproximadamente cada milésima estrella tiene suficiente masa para formar un agujero negro. Es probable que se hayan formado millones de agujeros negros durante la existencia de la Vía Láctea. Dado que es más fácil registrar agujeros negros enormes, es lógico suponer que la mayoría de los BH en nuestra galaxia probablemente no sean supermasivos. Es de destacar que los estudios de la NASA de 2005 sugieren la presencia de un enjambre de agujeros negros (10-20 mil) orbitando el centro de la galaxia. Además, en 2016, los astrofísicos japoneses descubrieron un satélite masivo cerca del objeto *: un agujero negro, el núcleo de la Vía Láctea. Debido al pequeño radio (0,15 años luz) de este cuerpo, así como a su enorme masa (100.000 masas solares), los científicos sugieren que este objeto también es un agujero negro supermasivo.

El núcleo de nuestra galaxia, el agujero negro de la Vía Láctea (Sagitario A *, Sgr A * o Sagitario A *) es supermasivo y tiene una masa de 4,31 10 6 masas solares y un radio de 0,00071 años luz (6,25 años luz . o 6,75 mil millones de km). La temperatura de Sagitario A * junto con el cúmulo que lo rodea es de aproximadamente 1 · 10 7 K.

El agujero negro más grande

El agujero negro más grande del Universo que los científicos han descubierto es un agujero negro supermasivo, FSRQ blazar, en el centro de la galaxia S5 0014 + 81, a una distancia de 1,2 10 10 años luz de la Tierra. Según los resultados preliminares de la observación, utilizando el observatorio espacial Swift, la masa del BH era de 40 mil millones (40 · 10 9) masas solares, y el radio de Schwarzschild de dicho agujero era de 118,35 mil millones de kilómetros (0,013 años luz). También se estima que se originó hace 12,1 mil millones de años (1,6 mil millones de años después del Big Bang). Si este agujero negro gigante no absorbe la materia circundante, sobrevivirá hasta la era de los agujeros negros, una de las épocas del desarrollo del Universo, durante la cual los agujeros negros dominarán en él. Si el núcleo de la galaxia S5 0014 + 81 sigue creciendo, se convertirá en uno de los últimos agujeros negros que existirán en el Universo.

Los otros dos agujeros negros conocidos, aunque no tienen nombre propio, son de suma importancia para el estudio de los agujeros negros, ya que confirmaron experimentalmente su existencia, y también dieron importantes resultados para el estudio de la gravedad. Estamos hablando del evento GW150914, que se llama colisión de dos agujeros negros en uno. Este evento permitió registrarse.

Detectando agujeros negros

Antes de considerar métodos para detectar agujeros negros, uno debería responder a la pregunta: ¿por qué un agujero negro es negro? - la respuesta no requiere un conocimiento profundo de astrofísica y cosmología. El caso es que un agujero negro absorbe toda la radiación que incide sobre él y no emite nada, si no tenemos en cuenta lo hipotético. Si consideramos este fenómeno con más detalle, podemos suponer que los procesos que conducen a la liberación de energía en forma de radiación electromagnética no tienen lugar dentro de los agujeros negros. Entonces, si el BH irradia, entonces está en el espectro de Hawking (que coincide con el espectro de un cuerpo absolutamente negro calentado). Sin embargo, como se mencionó anteriormente, esta radiación no se detectó, lo que sugiere una temperatura completamente baja de los agujeros negros.

Otra teoría generalmente aceptada dice que la radiación electromagnética no es capaz de abandonar el horizonte de sucesos. Lo más probable es que los fotones (partículas de luz) no sean atraídos por objetos masivos, ya que, según la teoría, ellos mismos no tienen masa. Sin embargo, el agujero negro todavía "atrae" los fotones de luz al distorsionar el espacio-tiempo. Si imaginamos un agujero negro en el espacio como una especie de depresión en la superficie lisa del espacio-tiempo, entonces hay una cierta distancia desde el centro del agujero negro, acercándose a la cual la luz ya no podrá alejarse. Es decir, a grandes rasgos, la luz comienza a “caer” en el “pozo”, que ni siquiera tiene “fondo”.

Además de esto, si tenemos en cuenta el efecto del corrimiento al rojo gravitacional, entonces es posible que la luz en un agujero negro pierda su frecuencia, desplazándose a lo largo del espectro hasta la región de radiación de baja frecuencia y longitud de onda larga, hasta que pierda energía. en absoluto.

Entonces, un agujero negro es negro y, por lo tanto, es difícil de detectar en el espacio.

Métodos de detección

Considere los métodos que usan los astrónomos para detectar un agujero negro:

Además de los métodos mencionados anteriormente, los científicos a menudo asocian objetos como agujeros negros y. Los quásares son una especie de grupos de cuerpos cósmicos y gas, que son uno de los objetos astronómicos más brillantes del Universo. Dado que tienen una alta intensidad de luminiscencia en tamaños relativamente pequeños, hay razones para creer que el centro de estos objetos es un agujero negro supermasivo, que atrae la materia circundante. Debido a una atracción gravitacional tan poderosa, la materia atraída está tan caliente que irradia intensamente. Encontrar tales objetos generalmente se compara con encontrar un agujero negro. A veces, los quásares pueden irradiar en dos direcciones chorros de plasma calentado: chorros relativistas. Las razones de la aparición de tales chorros (chorros) no están del todo claras, sin embargo, probablemente son causadas por la interacción de los campos magnéticos del BH y el disco de acreción, y no son emitidos por el agujero negro directo.

Jet en la galaxia M87 golpeando desde el centro del BH

Resumiendo lo anterior, uno puede imaginarse de cerca: se trata de un objeto esférico negro, alrededor del cual gira materia fuertemente calentada, formando un disco de acreción luminoso.

Fusión y colisión de agujeros negros

Uno de los fenómenos más interesantes de la astrofísica es la colisión de agujeros negros, que también permite detectar cuerpos astronómicos tan masivos. Estos procesos son de interés no solo para los astrofísicos, ya que fenómenos poco estudiados por los físicos se convierten en su consecuencia. El ejemplo más sorprendente es el evento mencionado anteriormente llamado GW150914, cuando dos agujeros negros se acercaron tanto que se fusionaron en uno como resultado de la atracción gravitacional mutua. Una consecuencia importante de esta colisión fue la aparición de ondas gravitacionales.

De acuerdo con la definición de ondas gravitacionales, estos son cambios en el campo gravitacional que se propagan en forma de onda a partir de objetos en movimiento masivos. Cuando dos de estos objetos se acercan, comienzan a girar alrededor de un centro de gravedad común. A medida que se acercan, aumenta su rotación alrededor de su propio eje. Tales fluctuaciones variables del campo gravitacional en algún punto pueden formar una poderosa onda gravitacional, que puede propagarse en el espacio durante millones de años luz. Entonces, a una distancia de 1.300 millones de años luz, dos agujeros negros chocaron, formando una poderosa onda gravitacional, que llegó a la Tierra el 14 de septiembre de 2015 y fue registrada por los detectores LIGO y VIRGO.

¿Cómo mueren los agujeros negros?

Obviamente, para que un agujero negro deje de existir, necesitará perder toda su masa. Sin embargo, según su definición, nada puede salir de los límites de un agujero negro si ha cruzado su horizonte de eventos. Se sabe que el físico teórico soviético Vladimir Gribov fue el primero en mencionar la posibilidad de que un agujero negro emitiera partículas en su discusión con otro científico soviético Yakov Zeldovich. Argumentó que desde el punto de vista de la mecánica cuántica, un agujero negro es capaz de emitir partículas a través del efecto túnel. Más tarde, con la ayuda de la mecánica cuántica, el físico teórico inglés Stephen Hawking construyó su propia teoría algo diferente. Puedes leer más sobre este fenómeno. En resumen, en el vacío existen las llamadas partículas virtuales que nacen constantemente en pares y se aniquilan entre sí, sin interactuar con el mundo exterior. Pero si tales pares aparecen en el horizonte de sucesos de un agujero negro, entonces la fuerte gravedad es hipotéticamente capaz de separarlos, con una partícula cayendo dentro del BH y la otra alejándose del agujero negro. Y dado que se puede observar la partícula que escapa del agujero y, por tanto, tiene energías positivas, la partícula que cae en el agujero debe tener energías negativas. Por lo tanto, el agujero negro perderá su energía y habrá un efecto llamado evaporación del agujero negro.

Según los modelos disponibles de un agujero negro, como se mencionó anteriormente, a medida que su masa disminuye, su radiación se vuelve más intensa. Luego, en la etapa final de la existencia de un BH, cuando puede disminuir al tamaño de un agujero negro cuántico, liberará una gran cantidad de energía en forma de radiación, que puede ser equivalente a miles o incluso millones de bombas atómicas. Este evento recuerda algo a la explosión de un agujero negro, como la misma bomba. Según los cálculos, como resultado del Big Bang, podrían haber surgido agujeros negros primordiales, y aquellos de ellos, cuya masa es de unos 10 12 kg, deberían haberse evaporado y explotado en nuestro tiempo. Sea como fuere, los astrónomos nunca han notado tales explosiones.

A pesar del mecanismo propuesto por Hawking para destruir los agujeros negros, las propiedades de la radiación de Hawking provocan una paradoja en el marco de la mecánica cuántica. Si un agujero negro absorbe un cuerpo y luego pierde la masa resultante de la absorción de este cuerpo, entonces, independientemente de la naturaleza del cuerpo, el agujero negro no diferirá de lo que era antes de la absorción del cuerpo. En este caso, la información sobre el cuerpo se pierde para siempre. Desde el punto de vista de los cálculos teóricos, la transformación del estado puro inicial en el estado mixto obtenido ("térmico") no corresponde a la teoría actual de la mecánica cuántica. Esta paradoja a veces se denomina desaparición de información en un agujero negro. No se ha encontrado una solución definitiva a esta paradoja. Opciones conocidas para resolver la paradoja:

• Inconsistencia de la teoría de Hawking. Esto conlleva la imposibilidad de destrucción del agujero negro y su constante crecimiento.
• La presencia de agujeros blancos. En este caso, la información absorbida no desaparece, sino que simplemente se arroja a otro Universo.
• Inconsistencia de la teoría generalmente aceptada de la mecánica cuántica.

Problemas no resueltos de la física de los agujeros negros

Aparentemente, lo que se describió anteriormente, aunque los agujeros negros se han estudiado durante un tiempo relativamente largo, todavía tienen muchas características, cuyos mecanismos aún son desconocidos para los científicos.

• En 1970, un científico inglés formuló el llamado. "El principio de la censura cósmica" - "La naturaleza aborrece una singularidad desnuda". Esto significa que la singularidad se forma solo en lugares ocultos a la vista, como el centro de un agujero negro. Sin embargo, este principio aún no ha sido probado. También hay cálculos teóricos según los cuales puede ocurrir una singularidad "desnuda".
• Tampoco se ha probado el "teorema sin pelo", según el cual los agujeros negros tienen solo tres parámetros.
• No se ha desarrollado una teoría completa de la magnetosfera del agujero negro.
• No se han estudiado la naturaleza y la física de la singularidad gravitacional.
• No se sabe con certeza qué sucede en la etapa final de la existencia de un agujero negro y qué queda después de su desintegración cuántica.

Datos interesantes sobre los agujeros negros

Resumiendo lo anterior, hay varias características interesantes e inusuales de la naturaleza de los agujeros negros:

• Los BH tienen solo tres parámetros: masa, carga eléctrica y momento angular. Como resultado de un número tan pequeño de características de este cuerpo, el teorema que afirma esto se denomina "teorema sin pelo". Esto también dio lugar a la frase "un agujero negro no tiene pelo", lo que significa que dos agujeros negros son absolutamente idénticos, sus tres parámetros mencionados son los mismos.
• La densidad de BH puede ser menor que la densidad del aire y la temperatura es cercana al cero absoluto. A partir de esto, se puede suponer que la formación de un agujero negro no ocurre debido a la compresión de la materia, sino como resultado de la acumulación de una gran cantidad de materia en un cierto volumen.
• El tiempo para los cuerpos absorbidos por BH es mucho más lento que para un observador externo. Además, los cuerpos absorbidos se estiran significativamente dentro del agujero negro, que los científicos llamaron espaguetificación.
• Puede haber alrededor de un millón de agujeros negros en nuestra galaxia.
• Probablemente haya un agujero negro supermasivo en el centro de cada galaxia.
• En el futuro, según el modelo teórico, el universo alcanzará la llamada era de los agujeros negros, cuando los agujeros negros se convertirán en los cuerpos dominantes del universo.



CALABOZO
una región del espacio resultante del colapso gravitacional completo de la materia, en la que la atracción gravitacional es tan grande que ni la materia, ni la luz, ni otros portadores de información pueden salir de ella. Por tanto, el interior del agujero negro no está relacionado causalmente con el resto del universo; los procesos físicos que tienen lugar dentro del agujero negro no pueden influir en los procesos fuera de él. El agujero negro está rodeado por una superficie con la propiedad de una membrana unidireccional: la materia y la radiación caen libremente a través de él hacia el agujero negro, pero nada puede escapar de allí. Esta superficie se llama "horizonte de sucesos". Dado que todavía hay solo indicios indirectos de la existencia de agujeros negros a distancias de miles de años luz de la Tierra, nuestra presentación adicional se basa principalmente en resultados teóricos. Los agujeros negros predichos por la relatividad general (la teoría de la gravedad propuesta por Einstein en 1915) y otras teorías más modernas de la gravitación fueron fundamentadas matemáticamente por R. Oppenheimer y H. Snyder en 1939. Pero las propiedades del espacio y el tiempo en la vecindad de estos Los objetos resultaron ser tan inusuales, que los astrónomos y físicos no los han tomado en serio durante 25 años. Sin embargo, los descubrimientos astronómicos a mediados de la década de 1960 hicieron que los agujeros negros parecieran una posible realidad física. Su descubrimiento y estudio pueden cambiar fundamentalmente nuestra comprensión del espacio y el tiempo.
Formación de agujeros negros. Si bien las reacciones termonucleares tienen lugar en el interior de la estrella, mantienen alta temperatura y presión, evitando que la estrella se contraiga bajo la influencia de su propia gravedad. Sin embargo, con el tiempo, el combustible nuclear se agota y la estrella comienza a encogerse. Los cálculos muestran que si la masa de una estrella no excede las tres masas solares, entonces ganará la "batalla con la gravedad": su colapso gravitacional será detenido por la presión de la materia "degenerada", y la estrella se convertirá para siempre en una enana blanca o estrella de neutrones. Pero si la masa de una estrella es más de tres masas solares, entonces nada puede detener su catastrófico colapso y rápidamente pasará por debajo del horizonte de eventos, convirtiéndose en un agujero negro. Para un agujero negro esférico de masa M, el horizonte de sucesos forma una esfera con una circunferencia en el ecuador 2p veces mayor que el "radio gravitacional" del agujero negro RG = 2GM / c2, donde c es la velocidad de la luz y G es la constante de gravedad. Un agujero negro con una masa de 3 solares tiene un radio de gravedad de 8,8 km.

Si un astrónomo observa una estrella en el momento de su transformación en un agujero negro, entonces al principio verá cómo la estrella se contrae cada vez más rápido, pero a medida que su superficie se acerca al radio gravitacional, la compresión comenzará a disminuir hasta que se detiene por completo. En este caso, la luz que proviene de la estrella se desvanecerá y se volverá roja hasta que se apague por completo. Esto se debe a que en la lucha con la gigantesca fuerza de la gravedad, la luz pierde energía y cada vez tarda más en llegar al observador. Cuando la superficie de la estrella alcanza el radio gravitacional, la luz que sale de ella tardará un tiempo infinito en llegar al observador (y en este caso los fotones perderán por completo su energía). En consecuencia, el astrónomo nunca esperará este momento, y mucho menos verá lo que le está sucediendo a la estrella bajo el horizonte de eventos. Pero, en teoría, este proceso se puede investigar. El cálculo del colapso esférico idealizado muestra que en poco tiempo la estrella se comprime hasta un punto en el que se alcanzan valores infinitamente grandes de densidad y gravedad. Este punto se llama "singularidad". Además, el análisis matemático general muestra que si ha surgido un horizonte de eventos, incluso un colapso no esférico conduce a una singularidad. Sin embargo, todo esto es cierto solo si la relatividad general es aplicable a escalas espaciales muy pequeñas, de las que aún no estamos seguros. En el microcosmos operan las leyes cuánticas y aún no se ha creado la teoría cuántica de la gravedad. Está claro que los efectos cuánticos no pueden evitar que una estrella colapse en un agujero negro, pero podrían evitar la aparición de una singularidad. La teoría moderna de la evolución estelar y nuestro conocimiento de la población estelar de la Galaxia indican que entre sus 100 mil millones de estrellas debería haber alrededor de 100 millones de agujeros negros formados durante el colapso de las estrellas más masivas. Además, se pueden encontrar agujeros negros muy grandes en los núcleos de galaxias grandes, incluida la nuestra. Como ya se señaló, en nuestra era, solo una masa más de tres veces la masa solar puede convertirse en un agujero negro. Sin embargo, inmediatamente después del Big Bang, del cual aprox. Hace 15 mil millones de años, comenzó la expansión del Universo, pudieron nacer agujeros negros de cualquier masa. El más pequeño de ellos, debido a efectos cuánticos, tuvo que evaporarse, perdiendo su masa en forma de radiación y flujos de partículas. Pero los "agujeros negros primordiales" con una masa de más de 1015 g podrían haber sobrevivido hasta el día de hoy. Todos los cálculos del colapso de estrellas se realizan bajo el supuesto de una ligera desviación de la simetría esférica y muestran que el horizonte de eventos siempre se forma. Sin embargo, con una fuerte desviación de la simetría esférica, el colapso de una estrella puede conducir a la formación de una región con una gravedad infinitamente fuerte, pero no rodeada por un horizonte de eventos; se llama la "singularidad desnuda". Este ya no es un agujero negro en el sentido que comentamos anteriormente. Las leyes físicas cercanas a una simple singularidad pueden tener una forma muy inesperada. Actualmente, una singularidad desnuda se considera un objeto poco probable, mientras que la mayoría de los astrofísicos creen en la existencia de agujeros negros.
Propiedades de los agujeros negros. Para un observador externo, la estructura de un agujero negro parece extremadamente simple. Durante el colapso de una estrella en un agujero negro en una pequeña fracción de segundo (según el reloj de un observador distante), todas sus características externas asociadas con la falta de homogeneidad de la estrella original se emiten en forma de ondas gravitacionales y electromagnéticas. . El agujero negro estacionario resultante "olvida" toda la información sobre la estrella original, excepto tres cantidades: masa total, momento angular (asociado con la rotación) y carga eléctrica. Al estudiar un agujero negro, ya no es posible saber si la estrella original consistía en materia o antimateria, si tenía la forma de un cigarro o un panqueque, etc. En condiciones astrofísicas reales, un agujero negro cargado atraerá partículas del signo opuesto del medio interestelar y su carga se convertirá rápidamente en cero. El objeto estacionario restante será un "agujero negro de Schwarzschild" no giratorio, que se caracteriza solo por la masa, o un "agujero negro de Kerr" giratorio, que se caracteriza por la masa y el momento angular. La singularidad de los tipos anteriores de agujeros negros estacionarios fue probada en el marco de la relatividad general por W. Israel, B. Carter, S. Hawking y D. Robinson. Según la relatividad general, el espacio y el tiempo están curvados por el campo gravitacional de los cuerpos masivos, y la mayor curvatura se produce cerca de los agujeros negros. Cuando los físicos hablan de intervalos de tiempo y espacio, se refieren a números leídos de algún tipo de reloj físico y reglas. Por ejemplo, una molécula con una determinada frecuencia de vibración puede desempeñar el papel de un reloj, cuyo número entre dos eventos puede denominarse "intervalo de tiempo". Es notable que la gravedad actúe en todos los sistemas físicos de la misma manera: todos los relojes muestran que el tiempo se está desacelerando y todas las reglas muestran que el espacio se extiende cerca de un agujero negro. Esto significa que el agujero negro dobla la geometría del espacio y el tiempo a su alrededor. Lejos del agujero negro, esta curvatura es pequeña, pero cerca de él es tan grande que los rayos de luz pueden moverse alrededor de él en un círculo. Lejos del agujero negro, su campo gravitacional está exactamente descrito por la teoría de Newton para un cuerpo de la misma masa, pero cerca del agujero negro, la gravedad se vuelve mucho más fuerte de lo que predice la teoría de Newton. Cualquier cuerpo que caiga sobre un agujero negro, mucho antes de cruzar el horizonte de sucesos, será destrozado por poderosas fuerzas gravitacionales de marea que surgen de la diferencia de atracción a diferentes distancias del centro. Un agujero negro siempre está listo para absorber materia o radiación, aumentando así su masa. Su interacción con el mundo exterior está determinada por un simple principio de Hawking: el área del horizonte de eventos de un agujero negro nunca disminuye, si no se tiene en cuenta la creación cuántica de partículas. J. Bekenstein en 1973 sugirió que los agujeros negros obedecen las mismas leyes físicas que los cuerpos físicos que emiten y absorben radiación (el modelo del "cuerpo absolutamente negro"). Bajo la influencia de esta idea, Hawking demostró en 1974 que los agujeros negros pueden emitir materia y radiación, pero esto solo se notará si la masa del agujero negro en sí es relativamente pequeña. Tales agujeros negros podrían nacer inmediatamente después del Big Bang, a partir del cual comenzó la expansión del Universo. Las masas de estos agujeros negros primordiales no deben tener más de 1015 g (como un pequeño asteroide) y un tamaño de 10-15 m (como un protón o un neutrón). El poderoso campo gravitacional cerca del agujero negro crea pares de partículas y antipartículas; una de las partículas de cada par es absorbida por el agujero y la segunda se emite al exterior. Un agujero negro con una masa de 1015 g debería comportarse como un cuerpo con una temperatura de 1011 K. La idea de "evaporación" de los agujeros negros contradice completamente la idea clásica de que son cuerpos incapaces de irradiar.
Busque agujeros negros. Los cálculos dentro del marco de la teoría general de la relatividad de Einstein indican solo la posibilidad de la existencia de agujeros negros, pero de ninguna manera prueban su presencia en el mundo real; el descubrimiento de un agujero negro real sería un paso importante en el desarrollo de la física. Encontrar agujeros negros aislados en el espacio es desesperadamente difícil: no seremos capaces de detectar un pequeño objeto oscuro contra un telón de fondo de oscuridad cósmica. Pero existe la esperanza de detectar un agujero negro por su interacción con los cuerpos astronómicos circundantes, por su característica influencia sobre ellos. Los agujeros negros supermasivos se pueden ubicar en los centros de las galaxias, devorando continuamente estrellas allí. Habiéndose concentrado alrededor del agujero negro, las estrellas deberían formar picos de brillo central en los núcleos galácticos; sus búsquedas están ahora en marcha. Otro método de búsqueda es medir la velocidad de las estrellas y el gas alrededor de un objeto central en la galaxia. Si se conoce su distancia del objeto central, entonces se puede calcular su masa y densidad promedio. Si excede significativamente la densidad posible para los cúmulos de estrellas, se cree que se trata de un agujero negro. De esta manera, en 1996, J. Moran y sus colegas determinaron que en el centro de la galaxia NGC 4258 probablemente haya un agujero negro con una masa de 40 millones de solares. El más prometedor es la búsqueda de un agujero negro en sistemas binarios, donde, junto con una estrella normal, puede girar alrededor de un centro de masa común. A partir del desplazamiento Doppler periódico de las líneas en el espectro de la estrella, se puede entender que está emparejado con un determinado cuerpo e incluso estimar la masa de este último. Si esta masa excede 3 veces la masa del Sol, y no es posible notar la radiación del propio cuerpo, entonces es muy posible que se trate de un agujero negro. En un sistema binario compacto, un agujero negro puede atrapar gas de la superficie de una estrella normal. Al orbitar el agujero negro, este gas forma un disco y, al acercarse en espiral al agujero negro, se calienta fuertemente y se convierte en una fuente de poderosa radiación de rayos X. Las fluctuaciones rápidas de esta radiación deberían indicar que el gas se está moviendo rápidamente en una órbita de pequeño radio alrededor del diminuto objeto masivo. Desde la década de 1970, se han descubierto varias fuentes de rayos X en sistemas binarios con claras indicaciones de la presencia de agujeros negros. El más prometedor es el binario de rayos X V 404 Cygnus, cuya masa del componente invisible se estima en no menos de 6 masas solares. Otros candidatos notables de agujero negro se encuentran en los sistemas de rayos X binarios Cygnus X-1, LMCX-3, V 616 Unicorn, QZ Chanterelles y las novas de rayos X Ophiuchus 1977, Fly 1981 y Scorpio 1994. Con la excepción de LMCX-3, ubicado en la Gran Nube de Magallanes, todos están ubicados en nuestra Galaxia a distancias de aproximadamente 8000 sv. años de la Tierra.
ver también
COSMOLOGÍA;
GRAVEDAD;
COLAPSO DE GRAVEDAD;
RELATIVIDAD;
ASTRONOMÍA EXTRA ATMOSFÉRICA.
LITERATURA
Cherepashchuk A.M. Masas de agujeros negros en sistemas binarios. Avances en Ciencias Físicas, vol. 166, p. 809, 1996

Enciclopedia de Collier. - Sociedad Abierta. 2000 .

Sinónimos:

Vea qué es "BLACK HOLE" en otros diccionarios:

AGUJERO NEGRO, una zona localizada del espacio exterior de la que ni la materia ni la radiación pueden escapar, es decir, la primera velocidad cósmica supera la velocidad de la luz. El límite de esta área se llama horizonte de eventos ... ... Diccionario enciclopédico científico y técnico

Cosmich. un objeto resultante de la compresión del cuerpo de gravedad. fuerzas a tamaños más pequeños que su radio gravitacional rg = 2g / c2 (donde M es la masa del cuerpo, G es una constante gravitacional, con el valor numérico de la velocidad de la luz). La predicción de la existencia en ... ... Enciclopedia física

Sustantivo, número de sinónimos: 2 estrellas (503) desconocido (11) Diccionario de sinónimos ASIS. V.N. Trishin. 2013 ... Diccionario de sinónimos

Agujeros negros misteriosos y esquivos. Las leyes de la física confirman la posibilidad de su existencia en el universo, pero aún quedan muchas preguntas. Numerosas observaciones muestran que existen agujeros en el universo y hay más de un millón de estos objetos.

¿Qué son los agujeros negros?

En 1915, al resolver las ecuaciones de Einstein, se predijo un fenómeno como los "agujeros negros". Sin embargo, la comunidad científica se interesó por ellos solo en 1967. Luego se les llamó "estrellas colapsadas", "estrellas congeladas".

Ahora bien, un agujero negro se llama región de tiempo y espacio, que tiene tal gravedad que ni siquiera un rayo de luz puede salir de él.

¿Cómo se forman los agujeros negros?

Existen varias teorías sobre la aparición de los agujeros negros, que se dividen en hipotéticas y realistas. La teoría realista más simple y más extendida es la teoría del colapso gravitacional de estrellas grandes.

Cuando una estrella suficientemente masiva antes de la "muerte" crece de tamaño y se vuelve inestable, consumiendo el último combustible. Al mismo tiempo, la masa de la estrella permanece sin cambios, pero su tamaño disminuye a medida que ocurre la llamada compactación. En otras palabras, durante la compactación, el núcleo pesado "cae" sobre sí mismo. Paralelamente, la compactación conduce a un fuerte aumento de la temperatura dentro de la estrella y se arrancan las capas externas del cuerpo celeste, a partir de las cuales se forman nuevas estrellas. Al mismo tiempo, en el centro de la estrella, el núcleo cae en su propio "centro". Como resultado de la acción de las fuerzas de la gravedad, el centro se colapsa en un punto, es decir, las fuerzas de la gravedad son tan fuertes que absorben el núcleo compactado. Así nace un agujero negro, que comienza a distorsionar el espacio y el tiempo, de modo que ni siquiera la luz puede escapar de él.

Hay un agujero negro supermasivo en el centro de todas las galaxias. Según la teoría de la relatividad de Einstein:

"Cualquier masa distorsiona el espacio y el tiempo".

Ahora imagine cuánto distorsiona un agujero negro el tiempo y el espacio, porque su masa es enorme y al mismo tiempo está comprimida en un volumen ultrapequeño. Esta habilidad crea la siguiente rareza:

“Los agujeros negros tienen la capacidad de detener prácticamente el tiempo y comprimir el espacio. Debido a esta extrema distorsión, los agujeros se vuelven invisibles para nosotros ".

Si los agujeros negros no son visibles, ¿cómo sabemos que existen?

Sí, aunque el agujero negro es invisible, pero debería notarse debido a la materia que cae en él. Y también el gas estelar, que es atraído por el agujero negro, al acercarse al horizonte de sucesos, la temperatura del gas comienza a subir a valores super altos, lo que da lugar a un resplandor. Por eso los agujeros negros brillan. Gracias a esto, aunque débil resplandor, los astrónomos y astrofísicos explican la presencia en el centro de la galaxia de un objeto con un volumen pequeño, pero una masa enorme. Por el momento, como resultado de las observaciones, se han descubierto alrededor de 1000 objetos que tienen un comportamiento similar a los agujeros negros.

Agujeros negros y galaxias

¿Cómo pueden afectar los agujeros negros a las galaxias? Esta pregunta afecta a los científicos de todo el mundo. Existe una hipótesis según la cual son los agujeros negros en el centro de la galaxia los que afectan su forma y evolución. Y que cuando dos galaxias chocan, los agujeros negros se fusionan y durante este proceso se expulsa una cantidad tan enorme de energía y materia que se forman nuevas estrellas.

Tipos de agujeros negros

• Según la teoría existente, hay tres tipos de agujeros negros: estelares, supermasivos y en miniatura. Y cada uno de ellos se formó de una manera especial.
• - Agujeros negros de masas estelares, crece a un tamaño enorme y se colapsa.
  - Los agujeros negros supermasivos, que pueden tener una masa equivalente a millones de soles, probablemente existan en los centros de casi todas las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea. Los científicos todavía tienen diferentes hipótesis para la formación de agujeros negros supermasivos. Hasta ahora, solo se sabe una cosa: los agujeros negros supermasivos son un subproducto de la formación de galaxias. Agujeros negros supermasivos: se diferencian de los agujeros negros ordinarios en que tienen un tamaño muy grande, pero paradójicamente, una densidad baja.
• - Nadie ha podido detectar todavía un agujero negro en miniatura que tenga una masa menor que la del Sol. Es posible que se hayan formado agujeros en miniatura poco después del "Big Bang", que es la existencia exacta inicial de nuestro universo (hace unos 13.700 millones de años).
• - Más recientemente, se ha introducido un nuevo concepto como "agujeros negros blancos". Este sigue siendo un agujero negro hipotético, que es lo opuesto a un agujero negro. Stephen Hawking estudió activamente la posibilidad de la existencia de agujeros blancos.
• - Agujeros negros cuánticos: existen hasta ahora solo en teoría. Los agujeros negros cuánticos pueden formarse cuando las partículas ultrapequeñas chocan en una reacción nuclear.
• - Los agujeros negros primordiales también son una teoría. Se formaron inmediatamente después de la emergencia.

Por el momento, hay una gran cantidad de preguntas abiertas que las generaciones futuras aún tienen que responder. Por ejemplo, ¿puede haber realmente los llamados "agujeros de gusano" con los que viajar a través del espacio y el tiempo? Qué sucede exactamente dentro de un agujero negro y qué leyes obedecen estos fenómenos. ¿Y qué pasa con la desaparición de información en un agujero negro?