Agujeros negros: velocidad de escape y singularidad

Reverendo John Michell

Mucho antes que Albert Einstein, Stephen Hawking y muchos otros físicos, astrónomos y astrofísicos, hubo un reverendo John Michell. La mayoría probablemente nunca haya oído hablar de él. Pero era un genio muy adelantado a su tiempo, y contemporáneos muy famosos lo visitaron, incluido el físico Henry Cavendish, el descubridor del hidrógeno; el químico Joseph Priestley, quien descubrió el oxígeno; e incluso el bueno de Benjamin Franklin.

Los logros de Michell abarcaron desde probar conceptos relacionados con el magnetismo hasta establecer la sismología como ciencia. Pero hay algo aún más fantástico que Michell pensó además de la sismología científica. El reverendo Michell concibió algo importante relacionado con las leyes de la gravedad y el movimiento de Newton. ¿Qué era? No lo dijo directamente, pero ahora lo llamamos agujero negro; el tema de esta lección siempre misteriosa.

Agujeros negros y velocidad de escape

Un agujero negro es una región del espacio-tiempo de la que ni la radiación electromagnética (como la luz) ni la materia pueden escapar. Para comprender los agujeros negros, debemos comprender el concepto de velocidad de escape , la velocidad inicial que requiere un objeto para liberarse del campo gravitacional de un cuerpo celeste. La velocidad de escape depende de dos cosas importantes: la masa del cuerpo celeste y la distancia entre su centro de masa y el objeto que escapa.

Entonces, si un planeta (nuestro cuerpo celeste) tiene una masa mayor que otro, su atracción gravitacional será más fuerte en comparación con la de un planeta menos masivo; esto significa que necesitará una velocidad más alta para escapar del planeta más masivo. Si estás más lejos de un planeta, necesitarás una velocidad menor para escapar de su atracción que si estuvieras más cerca de él.

De acuerdo con los descubrimientos de Michell relacionados con las fuerzas magnéticas, usaré un imán como ejemplo para relacionar este concepto de una manera más familiar. Imaginemos que tienes un clavo que sostienes y dos imanes sobre una mesa. Cada imán es como un planeta y su fuerza magnética como la atracción gravitacional de ese planeta. Un imán es enorme y el otro es insignificante.

El imán masivo será mucho más fuerte que el insignificante; eso significa que será mucho más difícil arrancarle un clavo porque su fuerza magnética es mucho más fuerte. Esa fuerza magnética es como la atracción gravitacional de un planeta masivo. También sentirá que a medida que sostiene el clavo y acerca la mano al imán, su tirón se hará cada vez más fuerte. A medida que aleja el clavo del imán, se debilita y no necesita mucho para quitar el clavo por completo del tirón hacia adentro del imán.

Si un cuerpo celeste se vuelve lo suficientemente masivo, su velocidad de escape será más rápida que la velocidad de la luz. Es casi seguro que ya ha escuchado que la relatividad considera que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz; esto incluye partículas sin masa, como fotones. Todo lo que trato de decir es que un objeto lo suficientemente masivo no permitirá que ninguna materia o luz escape; esto significa que nunca se puede observar directamente. Dicho de otra manera: es técnicamente invisible.

La singularidad

Pero un agujero negro no comienza su vida como un objeto invisible. De ningún modo. Mucho antes de eso, nace una estrella bebé, una protoestrella, en una nube interestelar de gas y polvo, una especie de vivero. Ese pequeño bebé luego se convierte en una estrella adulta, también conocida como estrella de la secuencia principal. Debido a que la estrella adulta que eventualmente se convierte en un agujero negro es tan masiva (piense en un elefante, en lugar de una hormiga), nunca puede perder suficiente peso antes de su vejez y muerte para convertirse en el punto final más común de la evolución estelar, que es una enana blanca.

Por lo tanto, los restos de la estrella masiva muy antigua quedan como su núcleo igualmente masivo, una especie de esqueleto. Este núcleo estelar tiene más de tres masas solares y eso es un problema. Verá, estos restos esqueléticos de estrellas que alguna vez fueron enormes son tan masivos que el núcleo no puede soportar su propio peso y colapsa hacia adentro. Las estrellas menos masivas están sustentadas por una presión degenerada de electrones, como en el caso de las enanas blancas, y una presión degenerada de neutrones, como en el caso de las estrellas de neutrones. Pero los núcleos de más de tres masas solares no pueden ser sostenidos ni siquiera por los neutrones degenerados ultra fuertes de una estrella de neutrones.

Si está confundido por la terminología aquí, permítame ponerlo de otra manera en un ejemplo simple. Un objeto relativamente ligero se puede colocar sobre una mesa con patas de madera y no se colapsará. Eso es como una enana blanca sostenida por electrones degenerados. Un objeto más pesado colocado sobre esa mesa haría que colapsara.

Por lo tanto, deben usarse fuertes patas de acero para soportar el objeto más pesado; eso es como una estrella de neutrones sostenida por neutrones degenerados. Pero llegará un punto en el que ninguna mesa, independientemente del material súper fuerte del que estén hechas sus patas, podrá soportar un peso realmente enorme y, por lo tanto, todo se derrumbará debajo de ella; eso es lo que sucede con núcleos de más de tres masas solares. No existe ninguna fuerza que pueda soportar el colapso gravitacional que ocurre en estas estrellas.

Ergo, no hay ninguna fuerza que pueda evitar que un objeto así se aplaste hasta un radio de cero. Cuando un objeto así colapsa, aumenta su gravedad y densidad. Cuando colapsa a un radio de cero, su densidad se volverá infinita. Tal punto se llama singularidad , un punto de volumen cero en el centro de un agujero negro donde la materia se tritura hasta una densidad infinita.

Para resumir todo en esta lección y definir un agujero negro desde otra perspectiva, es una región del espacio que se ve afectada gravitacionalmente por el colapso de una masa en una singularidad ubicada en el centro de la cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar. En consecuencia, esta región o volumen de espacio es negro: un agujero negro.

Resumen de la lección

Bueno, la razón por la que probablemente nunca escuchó sobre el reverendo John Michell y su concepto de un agujero negro es porque no pareció hacer mucho para desarrollar sus increíbles ideas lo suficiente como para hacerse famoso. Eso y sus contemporáneos estaban tan atrasados ​​en su mentalidad que no podían creer que lo que decía Michell pudiera ser verdad. En realidad, hasta el día de hoy, muchas personas inteligentes todavía debaten si una singularidad es posible o no.

Una singularidad es un punto de volumen cero en el centro de un agujero negro donde la materia se tritura a una densidad infinita. Un agujero negro es una región del espacio-tiempo de la que no pueden escapar ni la radiación electromagnética (luz) ni la materia. Como resultado del agujero negro, la velocidad de escape , la velocidad inicial que un objeto requiere para liberarse del campo gravitacional de un cuerpo celeste, se vuelve demasiado grande incluso para que la luz escape. Recuerde, si el núcleo de una estrella tiene más de tres masas solares, ninguna fuerza puede detener su aplastante colapso en una singularidad, lo que resulta en un agujero negro.

Los resultados del aprendizaje

Una comprensión sólida del material de esta lección podría permitirle:

• Proporcionar información sobre el reverendo John Michell
• Discutir la forma en que la velocidad de escape hace que los agujeros negros sean invisibles.
• Arroja luz sobre el proceso que crea una singularidad, lo que resulta en un agujero negro

Rodrigo Ricardo Editor y fundador