Agujeros negros: un poco de historia (I)

1993/02/01 Arregi Bengoa, Jesus Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astrofisika

En los últimos años los agujeros negros se han convertido en objetos de gran prestigio. Estos astros, que tienen una intensidad suficiente para que la zona de gravedad no salga de su influencia ni siquiera la propia luz, permiten que nada más salga de su interior. Por tanto, los agujeros negros son áreas del espacio totalmente aisladas del resto del Universo. Seguirán ingeriendo la materia que pudiera haber en su entorno, pero al no poder sacar nada de su interior, en ningún caso se puede obtener información de la misma o conocer lo que allí sucede. Estas sorprendentes peculiaridades se han convertido en algo atractivo y han traspasado el ámbito de la ciencia, apareciendo con frecuencia también en los ámbitos cinematográfico y literario.

Figura .

Si el nombre de “agujero negro” se propuso hace veinte años y la moderna teoría de agujeros negros no tiene muchos años más, la idea de astros masivos que no dejarían escapar la luz es mucho más anterior. J. 1783 Mitchel, profesor de Cambridge, publicó un trabajo calculando el radio necesario para que la velocidad de escape de una estrella de la misma densidad que el Sol fuese la de la luz. Como es sabido, la velocidad de escape es la velocidad necesaria para que un cuerpo salga de la gravedad de otro. Imaginemos que queremos enviar un espacio a otro planeta.

Si al lanzar la velocidad del espacio es inferior a la velocidad de escape de la Tierra (11,2 km/s), el espacio irá ascendiendo o perderá energía (velocidad) y en un momento dado su velocidad será cero. Después se desvía el movimiento y vuelve a caer a la Tierra. Si la velocidad supera los 11,2 km/s, la energía del espacio será suficiente para avanzar en el espacio interplanetario y escapar de la influencia de la Tierra.

Como decíamos anteriormente, si la velocidad de escape de un astro fuera superior a la de la luz (300.000 km/s), la propia luz tampoco podría salir de su campo de gravedad. La velocidad de escape solar es de 618 km/s. J. Según los cálculos de Mitchel, una estrella de densidad del Sol debería tener un radio quinientas veces mayor que el del Sol para que la luz esté también limitada a su campo de gravedad.

El científico británico no fue el único que se percató y se ocupó de este problema. P. S. Laplace, en un trabajo publicado en 1799, demostró que la velocidad de escape de una estrella de radio R = 1,48.10-27 M (con la masa de la estrella M en kg) era la velocidad de la luz. A estos objetos que describimos Laplace los denominó “cuerpos oscuros”.

Parece lógico pensar que estas ideas se basaban en la teoría corpus de la luz. En el siglo siguiente, sin embargo, se impuso la teoría de ondas y desde ese punto de vista era más difícil comprender cómo la gravedad podía afectar a la luz. Quizá por eso Laplace no incluyó las conjeturas sobre cuerpos oscuros en posteriores publicaciones.

Las referencias a cuerpos oscuros o agujeros negros no eran XX. Reexponerlo hasta principios del siglo XX. El desarrollo de una teoría completa y completa no podía hacerse hasta que Einstein publicó en 1915 la teoría de la relatividad general y los astrofísicos comenzaron a comprender los últimos pasos de la evolución de las estrellas. Puede pensarse que teniendo en cuenta la duplicidad onda/fracción en la que se basa la mecánica cuántica, considerando que la luz está formada por fotones, los trabajos de Mitchel y Laplace podrían volver a ser útiles.

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Sin embargo, estos trabajos han sido realizados desde el punto de vista de la mecánica clásica y no tienen en cuenta algunas particularidades de la luz. No podemos comparar la luz generada por una estrella con el espacio. Esta última pierde velocidad al aumentar la altura, pero la velocidad de la luz es constante y no disminuye a pesar de alejarse de la estrella. Uno de los resultados de la teoría de Einstein es cómo la gravedad afecta a la luz.

Según la teoría general de la relatividad, el recorrido de la luz es el camino y la distancia más corta entre dos puntos. Cuando el espacio está vacío, esta vía es directa, pero cuando hay un cuerpo su campo de gravedad deforma el espacio circundante, inclinando también la trayectoria de la luz. En la primera figura se muestra un ejemplo de este efecto: el rayo de luz que va atravesando el espacio se torna cuando pasa por un cuerpo masivo.

C. 1916 Schwarzschild utilizó la teoría de Einstein para analizar la situación del espacio alrededor de un punto de gran masa, para definir teóricamente el agujero negro sin rotación. El científico alemán calculó también el radio del agujero negro obteniendo el mismo valor que Laplace. La superficie esférica definida por el radio se denomina límite de eventos y todo lo que está en su interior constituye un agujero negro.

Por lo tanto, no es posible salir de él. En cuanto al recorrido de la luz, las diferentes situaciones descritas en la figura 2 nos ayudarán a comprender el problema. Si consideramos el caso de una primera estrella simple, (a), el campo de gravedad no será muy fuerte y la luz escapará siguiendo el recorrido correcto. Si consideramos que la estrella se contrae, (b), la misma masa se acumula en un volumen menor y los rayos salen hacia fuera, pero desviándose por la trayectoria recta. En definitiva (c), los rayos se agacharan completamente, retornando a la superficie que han sido reproducidas (en el caso del agujero negro).

Sin embargo, los agujeros negros no podían decir si existían o no en el Universo tal y como fueron definidos matemáticamente por Mitchel, Laplace o Schwarzschill. A continuación, los trabajos de astrofísica fueron los que encauzaron el problema, pero las aportaciones de los astrofísicos se discutirán en el siguiente número.

EFEMÉRIDES SOL: El 18 de febrero entra en Piscis en 15h 35m (UT). LUNA CUARTO CRECIENTE LUNA LLENA CUARTO MENGUANTE CUARTO CRECIENTE díahora (UT) 623 h 55 min 1314 h 57 min 2113h 5min —--- PLANETAS MERCURIO: se encuentra en elongación máxima el día 21 de febrero. Por lo tanto, podremos verlo al anochecer en los que están alrededor de ese día. VENUS: después de pasar el mes anterior por su elongación máxima podremos verlo muy bien al anochecer. El 24 de febrero su brillo es máximo, aunque ese día estará cerca de la Luna por no verla muy bien. MARTITZ: después de pasar la oposición el mes anterior, todavía podremos verlo alto en cuanto oscurezca. JÚPITER: el próximo mes estará en oposición, por lo que ya lo tendremos en buenas condiciones a medianoche y cada día más temprano. SATURNO: está en conjunción el 9 de febrero, es decir, no podremos verlo todo el mes.