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¿Qué es un agujero negro? Características, tipos y partes

¿Qué es un agujero negro? Características, tipos y partes —

Los agujeros negros son uno de los objetos más enigmáticos del universo, los más estudiados son los agujeros negros estelares y los supermasivos. Para que se forme uno de tipo estelar una estrella debe morir súbitamente primero. Por otro lado, todavía no sabemos con certeza sobre el origen de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en las mayorías de las galaxias. En la singularidad, el centro de un agujero negro, es donde el tiempo y el espacio se detienen.

¿Qué es un agujero negro?

Un agujero negro también llamado hoyo negro, es una región finita en el espacio-tiempo en donde su campo gravitacional es tan grande que no deja escapar nada, incluso la luz.

En sí los agujeros negros no se pueden observar, pero sí es posible detectar la materia a su alrededor. Esto se le conoce como el disco de acreción. El cual se forma por la materia que es atraída hacia el centro del agujero negro.

De manera muy resumida, un agujero negro estelar es el producto final de una estrella que fue tan grande que su fuerza de gravedad hizo que toda su materia se colapsara y se concentrara sobre su centro.
Representación artística de un agujero negro.
Imagen 1. Representación artística de un agujero negro. ¿Cómo veríamos un agujero negro desde arriba? Sandra Abigail Pérez González- Wikimedia.

Características generales de los agujeros negros

A continuación, se mencionan algunas características de los agujeros negros tanto estelares como supermasivos:

  • Un agujero negro estelar se forma a partir de la muerte de una estrella. En cuanto a los supermasivos, todavía no está muy claro su origen, pero se piensa que estuvieron muy ligados al nacimiento de su galaxia.
    Debido a su intensa gravedad nada puede escapar, ni siquiera la luz. Sin embargo, si se está a una distancia prudente, no pasaría nada.
  • Son muy masivos, los de masa estelar son varias decenas más grandes que nuestro sol. Y los agujeros negros supermasivos son miles de millones más masivos que nuestro sol.
  • No poseen superficies rígidas o sólidas. Por ejemplo, el horizonte de sucesos no es un objeto sólido que uno pueda decir aquí empieza y allá termina, es una frontera invisible, pero que al pasarla ya no hay vuelta atrás.
  • Los agujeros negros aumentan su tamaño por la materia que atrapan, como el gas y polvo proveniente de estrellas vecinas, e incluso fusionándose con otros agujeros negros.
  • Debido a los efectos cuánticos emiten radiación, es conocida como la Radiación Hawking.
  • A pesar de ser tan imponentes, los agujeros negros son simples, solo podemos conocer su masa, momento angular y carga.
  • Tienen una singularidad en su centro, que es donde toda la materia va a parar. Es un punto tan denso y pequeño donde el espacio y tiempo terminan.
  • Se cree que cada galaxia tiene un hoyo negro en su centro. Sin embargo aún faltan muchos más estudios.
  • Dos agujeros negros al fusionarse generan perturbaciones en el espacio tiempo, llamadas ondas gravitacionales. Incluso puede ser entre un agujero negro y una estrella de neutrones.
  • Los agujeros negros supermasivos pueden generar grandes chorros de materia ultra caliente, como rayo X, rayos gamma, y ondas de radio, que viajan a velocidades cercanas de la luz, extendiéndose desde los polos del agujero a varios cientos de miles de años-luz.
  • Es evidente que los agujeros negros no se pueden observar, pero gracia a que absorben material de objetos cercano como polvo estelar, estrellas y galaxias, se hacen visibles porque se forma a su alrededor un disco de acreción.

¿Cómo se forman los agujeros negros y qué tipos hay?

Para entender un poco sobre como se forma un agujero negro, podemos imaginarnos que comprimimos con tanta fuerza un objeto para que este aumente su densidad, sin embargo, debido a las fuerzas electromagnéticas y nucleares el material comenzará a resistirse. Para que podamos comprimirlo a un volumen tan pequeño e inmensamente denso hasta formar un agujero negro se requiere de una enorme fuerza o implosión, como el de una supernova. Una supernova se produce cuando una estrella masiva muere liberando grandes cantidades de energía en forma de explosión y colapsando sobre sí misma para formar el hoyo negro.

En la actualidad los tipos de agujeros negros más estudiados son los agujeros negros de masa estelar y los agujeros negros supermasivos.

Agujero negro de masa estelar

Los agujeros negros estelares son los restos fríos de estrellas masivas (10 a 15 veces más grandes que nuestro sol) que llegaron a su última fase de vida. Estos agujeros negros están repartidos por toda nuestra galaxia y el cosmos.

Muchas estrellas en sus etapas finales acaban convirtiéndose en estrellas enanas blancas o de neutrones. Sin embargo, estas estrellas pueden ser tan inestables que pueden producir una explosión llamada supernovas. En esta fase la estrella no tiene la suficiente fuerza para soportar la gravedad, por lo que la estrella empieza a contraerse sobre sí misma, hasta formar un agujero negro.

Este es un sistema binario entre un agujero negro estelar junto a una estrella masiva de la cual se alimenta.
Imagen 2. Representación artística de un agujero negro de masa estelar que atrapó a su estrella vecina. Ambos forman parte de un sistema binario, donde la primera estrella se convirtió en un agujero negro luego de haber pasado por una gran explosión llamada supernova. La segunda está siendo absorbida y su material está formando un disco de acreción, y emitiendo chorros o jets de ondas de radio o rayos X.

Agujero negro supermasivo

Los agujeros negros supermasivos son verdaderos monstruos que se encuentran en el centro de muchas galaxias incluyendo la nuestra, la Vía Láctea. Tienen una masa de millones o miles de millones de masas solares y con una extensión parecida al tamaño de un sistema solar.

Los agujeros negros supermasivos tienen un papel fundamental en la evolución de las galaxias. Se ha podido observar que gran parte de las galaxias, aunque no todas, tienen un agujero negro supermasivo en su centro. El origen de los agujeros negros supermasivos es hoy en día un campo de investigación con mucho potencial. Todavía queda mucho por descubrir.

Primera imagen tomada por el telescopio EHT del agujero negro supermasivo M87, ubicado a 55 millones de años luz de la Tierra.
Imagen 3. Primera imagen tomada por el telescopio EHT del agujero negro supermasivo M87, ubicado a 55 millones de años luz de la Tierra.

Estructura y partes de un agujero negro

Un agujero negro está formado por las siguientes estructuras:

Singularidad: es el punto central de un agujero negro de densidad infinita donde va a parar la materia, aquí las leyes de la física dejan de tener sentido, y el tiempo y el espacio se detienen.

Horizonte de sucesos: Es el punto de no retorno, rodea la singularidad del agujero negro y es del tamaño del radio de Schwarzschild. Aquí la velocidad de escape es igual a la de la luz, por tal motivo la materia (las partículas y la radiación) que traspase la frontera del horizonte de sucesos no podrá escapar, ni siquiera la luz. Es un viaje de un solo sentido.

Disco de acreción: se forma alrededor del agujero negro debido a la materia que va atrapando de los objetos cercanos, como una estrella. Este disco está formado por material supercalentado de gas y polvo, además gira a altas velocidades generando radiación como rayos X y ondas de radio. De este de disco de materia es del cual el agujero negro se alimentará.

Ergósfera: Es el área alrededor de un agujero negro en rotación y está alejada del horizonte de sucesos. Aquí el propio espacio y tiempo es arrastrado formando un remolino en torno al agujero negro. Un objeto podría entrar y salir de la ergósfera (si soporta las fuerzas de marea).

Chorros relativistas o jets: son grandes extensiones de materia muy caliente que viajan a velocidades cercanas de la luz, principalmente de rayos X y ondas de radio, y que se generan en los polos del agujero negro, cuando este se alimenta del material de un objeto cercano.

Partes de un agujero negro supermasivo.
Imagen 4. Estructura general de un agujero negro. Foto: ESO.

Cronología de hechos históricos acerca de los agujeros negros

El concepto de agujero negro tiene alrededor de 200 años, de hecho, las bases fundamentales están inmersas en las leyes de la gravedad del físico Isaac Newton, las cuales fueron publicadas en 1687.
  • 1783: John Michell propuso por primera vez la existencia de un objeto tan denso y calculó que una estrella tendría que ser 500 veces mayor que el Sol, pero con su mismo radio para que tuviera la velocidad de escape igual a la de la luz, haciendo que ni esta pudiera escapar de la estrella.
  • 1796: Pierre-Simon de Laplace expuso en las dos primeras ediciones de su libro Exposition du Systeme du Monde las mismas ideas de John Michell, sin embargo, al ganar terreno la idea de que la luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue eliminada en ediciones posteriores.
  • 1915: Albert Einstein publicó su teoría de la relatividad general donde se predijo la existencia teórica de los agujeros negros al tener una nueva visión en como la gravedad interactúa con la luz.
  • 1916: Karl Schwarzschild encontró la primera solución a las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein para un agujero negro no rotativo, propuso la existencia de una singularidad, donde el espacio y tiempo se detenían y calculó lo que se conoce ahora como el radio Schwarzschild, que es el radio del horizonte de sucesos; una vez pasado ese radio, no hay vuelta atrás.
  • 1931: Subrahmanyan Chandrasekhar dijo que las estrellas masivas pueden hacer implosión. Con esto dio a conocer sobre el límite de masa de una enana blanca a partir del cual la presión de degeneración de electrones no sería suficiente para frenar la gravedad y por lo tanto el colapso de la estrella. Este límite se conoce como límite de Chandrasekhar y equivale a 1,44 masas solares. Si la estrella supera este límite colapsará en una estrella de neutrones y quizás hasta en un agujero negro.
  • 1939: Robert Oppenheimer y Hartland Snyder explicaron el proceso de formación de un agujero negro. Así, una estrella con una gran masa y que termina su proceso termonuclear, podría sufrir un colapso gravitatorio y dar origen a un hoyo negro.
  • 1963: Roy Kerr encontró una solución para un agujero negro en rotación, un escenario más real, ya que casi todo en el universo rota. Demostró la geometría casi esférica en los agujeros negros, basado en su carga eléctrica total, su momento angular y su masa.
  • 1965: Roger Penrose comprobó mediante nuevas ecuaciones y teorías que los agujeros negros no solo son posibles, sino que son inevitables; una estrella cuando colapsa estrepitosamente producirá un agujero negro.
  • 1969: John Wheeler acuñó el nombre de agujeros negros o black hole. Antes de eso John Michell las llamó estrellas oscuras, luego en los años 30 del siglo XX se llamaron estrellas frías o estrellas en colapso gravitatorio.
  • 1971: Stephen Hawking, George Ellis y Roger Penrose comprobaron mediantes nuevos métodos matemáticos que los agujeros negros eran soluciones a las ecuaciones propuestas por Einstein y desarrollaron los teoremas de la singularidad.
  • 1974: Stephen Hawking sugirió que los agujeros negros debían emitir radiación productos de las fluctuaciones cuánticas que se dan cerca del horizonte de sucesos. Esta radiación se conoce como «Radiación Hawking». Los agujeros negros emitirían radiación por millones de años y perdiendo masa hasta evaporarse.
  • 1990 – 1995: Richard Genzel y Andrea Ghez de forma independiente empezaron a trazar las órbitas de las estrellas y a medir sus velocidades en el centro de nuestra galaxia, la vía Láctea. Con esto, obtuvieron la evidencia más convincente hasta el momento de la existencia de un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, Sagitario A*.
  • 2016: los equipos de LIGO, Virgo y GEO600 anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales, producidas por la fusión de dos agujeros negros de masa estelares a unos 410 megapársecs de la Tierra. Las observaciones demostraron la existencia de un sistema binario de agujeros negros de masa estelar y la primera observación de una fusión de dos agujeros negros de un sistema binario.
  • 2019: el consorcio internacional Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) presentó la primera imagen real de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87 a 55 millones de años luz de la Tierra.  
  • 2021: EL EHT muestra el agujero negro supermasivo M87* con luz polarizada donde se muestra la estructura de sus campos magnéticos situados en los bordes del agujero negro.

Agujeros negros en las galaxias

Hay grandes misterios en torno a los agujeros negros supermasivos, como por ejemplo: ¿Por qué hay galaxias que parecen no tener uno en su centro galáctico y otras si? ¿Cómo está ligada la actividad en la evolución de una galaxia?

Los científicos han encontrado fuertes evidencias que en el centro de las mayorías de las galaxias yace un agujero negro supermasivo y que puede o no estar absorbiendo material estelar. Y aunque, universalmente se cree que en todas debe haber uno como es el caso de la nuestra, La Vía Láctea, donde está Sagitario A* de cuatro millones de veces la masa del Sol, también hay evidencia de galaxias que parecen no tener uno en su centro, por ejemplo, la galaxia elíptica supergigante A2261-BCG ubicada en el cúmulo de Abell 2261.

El cúmulo de galaxias Abell 2261, donde aparece en el centro la galaxia más masiva y brillante de ese cúmulo, A2261-BCG; según la evidencia hasta el momento, todo indica que no existe agujero negro en su centro.
Imagen 5. El cúmulo de galaxias Abell 2261, donde aparece en el centro la galaxia más masiva y brillante de ese cúmulo, A2261-BCG; según la evidencia hasta el momento, todo indica que no existe agujero negro en su centro. Foto: Telescopio Espacial Hubble. NASA, ESA, M. Postman (STScI), T. Lauer (NOAO), y el equipo de CLASH
El agujero negro supermasivo de nuestra galaxia Sagitario A
Imagen 6. El agujero negro supermasivo de nuestra galaxia Sagitario A. Foto: Telescopio Chandra. NASA/CXC/Stanford/I. Zhuravleva et al.

De hecho, todavía no se sabe a ciencia cierta, por qué la galaxia A2261-BCG que es tan grande no tiene un agujero negro. Ni con telescopio espacial Hubble ni con el observatorio de rayos x Chandra se ha podido detectar. Se espera que con el nuevo Telescopio James Webb se pueda estudiar aún más dicha galaxia y obtener evidencia más robustas. Te dejamos algunos artículos donde hablan más a fondo sobre el tema:

El material que expulsa un agujero negro sirve como combustible para la formación de nuevas estrellas

Antes se creía que el agujero negro del centro de una galaxia no era algo clave en la formación de la misma y de sus componentes como las estrellas. Sin embargo, al estudiar los cuásares, los centros galácticos, y la relación que hay entre la masa de un agujero negro supermasivo y la galaxia donde yace, se ha encontrado que la actividad de los mismos juegan un papel fundamental en la evolución de las galaxias.

Galaxia Hercules A con unos chorros de materia supercaliente de ondas de radio
Imagen 7. La galaxia Hercules A en luz visible obtenida por el Hubble superpuesta con una imagen de radio tomada por el Very Large Array (VLA), donde se aprecia los chorros de materia ultra caliente. Foto: NASA, ESA, S. Baum and C. O’Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Actualmente se estudia el mecanismo del crecimiento de una galaxia, y como el agujero negro influye en la misma. Ya que este último, podría controlar la proliferación de estrellas en la galaxia, funcionando como un «termostato cósmico». De manera general, una galaxia crece porque nacen cada vez más estrellas. Las estrellas se forman en las regiones frías de la galaxia, así mientras más gas frío más protoestrellas se forman. Entonces, si un agujero negro supermasivo se «alimenta» y al hacerlo eyecta grandes chorros calientes en sentidos opuestos, los mismos calentarán el gas presente en las partes más alejadas de la galaxia, formando dos enormes burbujas de gas calentado e inhibiendo la formación de nuevas estrellas.

Sin embargo, estudios más recientes hechos con ALMA revelaron la existencia de filamentos de gas molecular frío condensándose alrededor de los bordes externos de las burbujas de radio. Parece que estos chorros de materia caliente, también favorecen la producción de gas frío. Este gas volverá a la galaxia para formar más estrellas y también para alimentar al agujero negro supermasivos para repetir el ciclo. Estos filamentos se extienden por hasta 82 000 años luz a ambos lados del núcleo galáctico activo. En total contienen suficiente material para fabricar unos 10 000 millones de soles.

Video explicativo sobre los agujeros negros

Video 1. Explicación sobre los agujeros negros llevada a cabo por la periodista de BBC Mundo Ana Pais

Bibliografía

Garner, R. (2020). ¿Qué son los agujeros negros? Recuperado de: https://ciencia.nasa.gov/que-son-los-agujeros-negros

ALMA. (2017). Recuperado de: https://www.almaobservatory.org/es/comunicados-de-prensa/chorros-de-agujero-negro-son-combustible-para-formacion-estelar/

Astronomynow. (2021). The case of the missing supermassive black hole. Recuperado de: https://astronomynow.com/2021/01/25/the-case-of-the-missing-supermassive-black-hole/

NASA. (2015). NASA’s Chandra Detects Record-Breaking Outburst from Milky Way’s Black Hole. Recuperado de: https://www.nasa.gov/press/2015/january/nasa-s-chandra-detects-record-breaking-outburst-from-milky-way-s-black-hole

Baker, J. (2011). 50 cosas que hay que saber sobre el universo. Editorial Ariel