Bueno, son negros, y son como agujeros sin fondo. ¿Cómo los llamarías?- Yo, cuando un amigo me preguntó por qué se llaman como son
Ah, agujeros negros. El último escalofrío-inductor del cosmos,-jawing tiburones, fuera cocinar las arañas, fuera a asustar … um, algo de miedo. Pero estamos fascinados por ellos, sin duda, incluso si no entendemos mucho sobre ellos.
Pero por eso estoy aquí. Permíteme ser tu guía turístico al infinito. O al revés, supongo. Ya que es Halloween, esto parece apropiado my y mi libro Muerte del Cielo. acaba de salir, y hay muchas formas en que un agujero negro puede destruir la Tierra. Mwuhahahaha.
Así que a continuación presento diez datos sobre los agujeros negros, el tercero de mi serie de Diez Cosas que no sabes (el primero fue sobre la Vía Láctea; el segundo sobre la Tierra). Los lectores habituales conocerán algunos de estos, ya que he hablado de ellos antes, pero espero que no los conozcas todos. Y si lo haces, entonces siéntete libre de dejar un comentario acicalado sobre tu intelecto superior. Tenga en cuenta que esta lista no está ni cerca de completarse: podría haber elegido probablemente 50 cosas que son extrañas sobre los agujeros negros. Pero me gustan estos.
No es su masa, es su tamaño lo que los hace tan fuertes.
OK, primero, una imprimación muy rápida sobre agujeros negros. ¡Ten paciencia conmigo!
La forma más común de formar un agujero negro es en el núcleo de una estrella masiva. El núcleo se queda sin combustible y se derrumba. Esto desencadena una onda de choque, que explota las capas externas de la estrella, causando una supernova. Así que el corazón de la estrella colapsa mientras el resto explota hacia el exterior (esta es la versión de Cliff’s notes; para más detalles sobre el proceso, que es genial, por lo que deberías leerlo, consulta mi descripción).
A medida que el núcleo colapsa, su gravedad aumenta. En algún momento, si el núcleo es lo suficientemente masivo (aproximadamente 3 veces la masa del Sol), la gravedad se vuelve tan fuerte que justo en la superficie del núcleo colapsante, la velocidad de escape aumenta a la velocidad de la luz. Eso significa que nada puede escapar a la gravedad de este objeto, ni siquiera la luz. Así que es negro. Y ya que nada puede escapar, bueno, lea la cita en la parte superior de la página.
La región alrededor del agujero negro en sí donde la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz se denomina horizonte de sucesos. Cualquier evento que ocurra en su interior es invisible para siempre.
OK, así que ahora sabes qué es uno y cómo se forma. Podría explicar por qué tienen una gravedad tan fuerte, pero ¿sabes qué? Prefiero dejar que este tipo lo haga. He oído que es bueno.
Así que ahí lo tienes. Claro, la misa es importante, pero a veces son las pequeñas cosas las que cuentan.
No son infinitamente pequeños.
Bien, son pequeños, pero ¿qué tan pequeños son?
Estaba escribiendo sobre agujeros negros en mi trabajo anterior, y nos metimos en una divertida discusión sobre lo que queríamos decir con agujero negro: ¿nos referíamos al objeto en sí que colapsa hasta un punto matemático, o al horizonte de eventos que lo rodea? Dije el horizonte de eventos, pero mi jefe dijo que era el objeto. Decidí que tenía un punto (HAHAHAHAHA! Un «punto»! Hombre, me mato), y me aseguré de que cuando escribí sobre el horizonte de eventos versus el agujero negro en sí, me estaba aclarando.
Como dije anteriormente, al núcleo colapsado, su reloj sigue haciendo tictac, por lo que se ve colapsando hasta un punto, incluso si el horizonte de eventos tiene un tamaño finito.
¿Qué sucede con el núcleo? ¿La masa real que colapsó?
Aquí, nunca lo sabremos con seguridad. No podemos ver, y seguro que no va a enviar ninguna información. Pero nuestras matemáticas en estas situaciones son bastante buenas, y al menos podemos aplicarlas al núcleo colapsado, incluso cuando es más pequeño que el horizonte de eventos.
Continuará colapsando, y la gravedad aumenta. Más pequeño, más pequeño always y cuando era niño siempre leía que se colapsaba hasta un punto geométrico, un objeto sin dimensiones en absoluto. Eso realmente me molestó, como puedes imaginar as como debería ser. Porque está mal.
En algún momento, el colapso de núcleo será más pequeño que un átomo, más pequeño que un núcleo, más pequeño que un electrón. Eventualmente alcanzará un tamaño llamado Longitud de Planck, una unidad tan pequeña que la mecánica cuántica la gobierna con puño de hierro. Una longitud de Planck es una especie de límite de tamaño cuántico: si un objeto se hace más pequeño que esto, literalmente no podemos saber mucho sobre él con certeza. La física real es complicada, pero casi cuando el núcleo colapsado llega a este tamaño, incluso si de alguna manera pudiéramos perforar el horizonte de eventos, no podríamos medir su tamaño real. De hecho, el término «tamaño real» no significa nada en este tipo de escala. Si el Universo mismo te impide medirlo, también podrías decir que el término no tiene significado.
¿Y qué tan pequeña es una longitud de Planck? Pequeñito: unos 10^-35 metros. Eso es cien quintillonésima del tamaño de un protón.
Así que si alguien dice que un agujero negro tiene un tamaño cero, puedes ser geek y técnico y decir, no realmente, pero meh. Bastante cerca.
Son esferas. Y definitivamente no tienen forma de embudo.
La gravedad que sientes de un objeto depende de dos cosas: la masa del objeto y tu distancia de ese objeto. Esto significa que cualquier persona a una distancia dada de un objeto masivo, digamos, un millón de kilómetros, sentiría la misma fuerza de gravedad desde él. Esa distancia define una esfera alrededor de un objeto: cualquiera en la superficie de esa esfera sentiría la misma gravedad desde el objeto en el centro.
El tamaño del horizonte de sucesos de un agujero negro depende de la gravedad, por lo que en realidad el horizonte de sucesos es una esfera que rodea el agujero negro. Desde el exterior, si pudieras averiguar cómo ver el horizonte de eventos en primer lugar, se vería como una esfera negra.
Algunas personas piensan que los agujeros negros son círculos o, peor aún, en forma de embudo. Lo del embudo es una idea errónea de las personas que intentan explicar la gravedad como una flexión en el espacio, y simplifican las cosas al colapsar el espacio 3D en 2D; dicen que el espacio es como una sábana, y los objetos con espacio de curvatura masiva de la misma manera que un objeto masivo (una bola de boliche, por ejemplo) deformará una sábana. Pero el espacio no es 2D, es 3D (incluso 4D si se incluye el tiempo), por lo que esta explicación puede confundir a la gente sobre la forma real del horizonte de eventos de un agujero negro.
¡He tenido niños que me preguntan qué pasa si te acercas a un agujero negro desde abajo! A veces no entienden que los agujeros negros son esferas, y no hay nada debajo. Culpo a la historia del embudo. Lamentablemente, es la mejor analogía que he visto, así que estamos atascados con ella. Use con cuidado.
¡Los agujeros negros giran!
Es un pensamiento extraño, pero los agujeros negros pueden girar. Las estrellas giran, y cuando el núcleo se derrumba, la velocidad de rotación sube mucho (la analogía habitual es la de un patinador de hielo que trae sus brazos, aumentando su velocidad de rotación). A medida que el núcleo de la estrella se hace más pequeño, gira más rápidamente. Si no tiene suficiente masa para convertirse en un agujero negro, la materia se comprime para formar una estrella de neutrones, una bola de neutrones de unos pocos kilómetros de diámetro. Hemos detectado cientos de estos objetos, y tienden a girar muy rápidamente, a veces cientos de veces por segundo!
lo mismo es cierto para un agujero negro. A pesar de que la materia se encoge más pequeña que el horizonte de eventos y se pierde para el Universo exterior para siempre, la materia sigue girando. No está del todo claro lo que esto significa si estás tratando de calcular lo que le sucede a la materia una vez que está dentro del horizonte de eventos. ¿La fuerza centrífuga evita que colapse hasta la longitud de Planck? La matemática es diabólica, pero factible, e implica que la materia que cae golpeará a la materia dentro del horizonte de eventos tratando de caer más pero incapaz debido a la rotación, Esto causa una acumulación masiva y algunos fuegos artificiales bastante espectaculares that que nunca veremos, porque está al otro lado del infinito. Qué fastidio.
Cerca de un agujero negro, las cosas se ponen raras.
El giro del agujero negro lanza un mono en la llave inglesa del horizonte de sucesos. Los agujeros negros distorsionan el tejido del espacio en sí, y si giran, esa distorsión se distorsiona. El espacio puede envolverse alrededor de un agujero negro, como la tela de una sábana que queda atrapada en una broca giratoria.
Esto crea una región del espacio fuera del horizonte de eventos llamada ergosfera. Es un esferoide oblato, con forma de bola aplanada, y si estás fuera del horizonte de eventos pero dentro de la ergosfera, encontrarás que no puedes quedarte quieto. Literalmente. El espacio está siendo arrastrado más allá de ti, y te lleva con él. Puedes moverte fácilmente en la dirección de la rotación del agujero negro, pero si intentas flotar, no puedes. ¡De hecho, dentro de la ergosfera el espacio se mueve más rápido que la luz! La materia no puede moverse tan rápido, pero resulta que, según Einstein, el espacio mismo sí puede. Así que si quieres pasar el cursor sobre un agujero negro, tendrás que moverte más rápido que la luz en la dirección opuesta al giro. No puedes hacer eso, así que tienes que moverte con el giro, volar o caer. Esas son tus opciones.
Sugiero volar lejos. Rápida. Porque
Acercarse a un agujero negro puede matarte de formas divertidas. Y por diversión, me refiero a horripilante, horripilante, y de verdad, de verdad.
Claro, si te acercas demasiado, ¡plop! Te caes. Pero incluso si mantienes la distancia, sigues en problemas
La gravedad depende de la distancia. Cuanto más lejos estés de un objeto, más débil será su gravedad. Por lo tanto, si tiene un objeto largo cerca de uno masivo, el objeto largo sentirá una fuerza gravitacional más fuerte en el extremo cercano en comparación con una fuerza más débil en el extremo lejano. Este cambio en la gravedad a lo largo de la distancia se llama fuerza de marea (que es un nombre un poco inapropiado, en realidad no es una fuerza, es una fuerza diferencial, y sí, está relacionado con el motivo por el que tenemos mareas oceánicas en la Tierra desde la Luna).
La cosa es que los agujeros negros pueden ser pequeños-un BH con una masa de aproximadamente tres veces el Sol tiene un horizonte de eventos a pocos kilómetros de ancho-y eso significa que puedes acercarte a ellos. Y eso a su vez significa que la fuerza de marea que sientes de uno puede ser angustiosamente grande.
Digamos que caes pies primero en un BH de masa estelar. Resulta que a medida que te acercas, la diferencia de gravedad entre tu cabeza y tus pies puede ser enorme. ENORME. La fuerza puede ser tan fuerte que tus pies se alejan de tu cabeza con cientos de millones de veces la fuerza de la gravedad de la Tierra. Serías estirado en una hebra larga y delgada y luego desmenuzado.
Los astrónomos llaman a esto espaguetificación. Ewwww.
Por lo tanto, acercarse a un agujero negro es peligroso incluso si no se cae. Evidentemente, realmente hay una marea en los asuntos de los hombres.
Los agujeros negros no siempre son oscuros.
La cosa es que los agujeros negros pueden matar desde muy lejos.
La materia que cae en un agujero negro rara vez caería directamente y desaparecería. Si tiene un poco de movimiento lateral, rodeará el agujero negro. A medida que cae más materia, toda esta basura se acumula alrededor del agujero. Debido a la forma en que se comportan los objetos giratorios, esta materia creará un disco de material girando locamente alrededor del agujero, y debido a que la gravedad del agujero cambia tan rápidamente con la distancia, la materia cercana estará orbitando mucho más rápido que la materia más alejada. Esta materia se frota literalmente, generando calor a través de la fricción. Esto puede calentarse mucho, como millones de grados. Materia que brilla con un brillo intenso, lo que significa que cerca del agujero negro, esta materia puede ser muy luminosa.
Peor aún, las fuerzas magnéticas y de otro tipo pueden enfocar dos haces de energía que salen arando de los polos del disco. Los rayos comienzan justo fuera del agujero negro, pero se pueden ver a millones o incluso miles de millones de años luz de distancia.
Son brillantes.
De hecho, los agujeros negros que comen materia de esta manera pueden brillar tan intensamente que se convierten en los objetos más brillantes que emiten continuamente en el Universo. A estos los llamamos agujeros negros activos.
Y como si los agujeros negros no fueran lo suficientemente peligrosos, la materia se calienta tanto justo antes de hacer la zambullida final que puede emitir furiosamente rayos X, formas de luz de alta energía (y los haces pueden emitir luz de energía aún más alta que eso). Así que incluso si estacionas tu nave espacial fuera del horizonte de eventos de un agujero negro, si algo más cae y se tritura, eres recompensado al ser frito por el equivalente a un millón de exámenes dentales.
Puede que haya mencionado esto: los agujeros negros son peligrosos. Es mejor mantenerse alejado de ellos.
Los agujeros negros no siempre son peligrosos.
Dicho esto, déjame hacerte una pregunta: si tomara el Sol y lo reemplazara con cristales Folgers, un agujero negro de la misma masa exacta, ¿qué pasaría? ¿Caería la Tierra, sería arrojada, o simplemente orbita como siempre lo hace?
La mayoría de la gente piensa que la Tierra caería, succionada inexorablemente por la poderosa gravedad del agujero negro. Pero recuerde, la gravedad que siente de un objeto depende de la masa del objeto y de su distancia a él. Dije que el agujero negro tiene la misma masa que el Sol, ¿recuerdas? Y la distancia de la Tierra no ha cambiado. ¡Así que la gravedad que sentiríamos desde aquí, a 150 millones de kilómetros de distancia, sería exactamente la misma! Así que la Tierra orbitaría el agujero negro solar tan bien como orbita el Sol ahora.
Por supuesto, moriríamos congelados. No puedes tenerlo todo.
Los agujeros negros pueden hacerse grandes.
P: ¿Qué sucede si dos agujeros negros de masa estelar chocan?
A: Obtienes un agujero negro más grande.
Puede extrapolar desde allí. Los agujeros negros pueden comer otros objetos, incluso otros agujeros negros, para que puedan crecer. Creemos que al principio del Universo, cuando las galaxias se estaban formando, la materia que se acumulaba en el centro de la galaxia naciente puede colapsar para formar un agujero negro muy masivo. A medida que cae más materia, el agujero la consume con avidez y crece. Con el tiempo se obtiene un agujero negro supermasivo, uno con millones o incluso miles de millones de veces la masa del Sol.
Sin embargo, recuerde que a medida que la materia cae en ella puede calentarse. Puede ser tan caliente que la presión de la luz en sí puede expulsar el material que está más lejos, un poco como el viento solar, pero a una escala mucho mayor. La fuerza del viento depende de muchas cosas, incluyendo la masa del agujero negro; cuanto más fuerte es el agujero, más ventoso es el viento. Este viento evita que caiga más materia, por lo que actúa como una válvula de corte para el orificio cada vez más ancho.
No solo eso, sino que con el tiempo el gas y el polvo alrededor del agujero negro (bueno, bastante lejos, pero aún cerca del centro de la galaxia) se convierten en estrellas. El gas puede caer en un agujero negro más fácilmente que las estrellas (si las nubes de gas chocan de frente, su movimiento en relación con el agujero negro puede detenerse, lo que les permite caer; las estrellas son demasiado pequeñas y demasiado separadas para que esto suceda). Así que, con el tiempo, el agujero negro deja de consumir materia porque nada más está cayendo en él. Deja de crecer, la galaxia se estabiliza y todos son felices.
De hecho, cuando miramos al Universo de hoy, vemos que casi todas las grandes galaxias tienen un agujero negro supermasivo en su corazón. Incluso la Vía Láctea tiene un agujero negro en su núcleo con una masa de cuatro millones de veces la del Sol. Antes de empezar a correr en círculos y gritar, recuerda esto: 1) está muy lejos, 26.000 años luz (260 cuatrillones de kilómetros), 2) su masa sigue siendo muy pequeña en comparación con los 200 mil millones de masas solares de nuestra galaxia, y por lo tanto 3) realmente no puede hacernos daño. A menos que comience a alimentarse activamente. Pero podría empezar en algún momento, si algo cae en ella. Aunque no sabemos de nada que pueda caer en ella pronto. Pero podríamos perder el gas frío.
Hmmm.
de todos Modos, recuerde esto: a pesar de que los agujeros negros pueden causar muerte y destrucción a gran escala, también ayudan a las propias galaxias formulario! Así que les debemos nuestra existencia.
Los agujeros negros pueden ser de baja densidad.
De todas las rarezas de los agujeros negros, este es el más raro para mí.
Como es de esperar, el horizonte de eventos de un agujero negro se hace más grande a medida que la masa se hace más grande. Eso es porque si agregas masa, la gravedad se hace más fuerte, lo que significa que el horizonte de eventos crecerá.
Si haces los cálculos con cuidado, verás que el horizonte de eventos crece linealmente con la masa. En otras palabras, si se duplica la masa del agujero negro, el radio del horizonte de sucesos también se duplica.
Eso es raro! ¿Por qué?
El volumen de una esfera depende del cubo del radio (piense en la escuela secundaria: volumen = 4/3 x π x radius3). Doble el radio, y el volumen sube 2 x 2 x 2 = 8 veces. Haz el radio de una esfera 10 veces más grande y el volumen aumenta en un factor de 10 x 10 x 10 = 1000.
Por lo que el volumen aumenta muy rápidamente a medida que aumenta el tamaño de una esfera.
Ahora imagina que tienes dos esferas de arcilla del mismo tamaño. Unirlos. ¿La esfera resultante es el doble de grande?
¡No! Has duplicado la masa, pero el radio solo aumenta un poco. Debido a que el volumen va como radio en cubos, para duplicar el radio de su bola de arcilla final, necesitaría agrupar ocho de ellas.
Pero eso es diferente a un agujero negro. Duplica la masa, duplica el tamaño del horizonte de sucesos. Eso tiene una implicación extraña
La densidad es la cantidad de masa que se embala en un volumen dado. Mantenga el tamaño igual y agregue masa, y la densidad aumentará. Aumente el volumen, pero mantenga la masa igual, y la densidad disminuirá. ¿Entendido?
Veamos ahora la densidad media de materia dentro del horizonte de sucesos del agujero negro. Si tomo dos agujeros negros idénticos y los coloco, el tamaño del horizonte de sucesos se duplica, y la masa también se duplica. Pero el volumen ha subido ocho veces! Así que la densidad realmente disminuye, y es 1/4 con lo que empecé (el doble de la masa y ocho veces el volumen te da 1/4 de la densidad). Sigue haciendo eso, y la densidad disminuye.
Un agujero negro regular, es decir, uno con tres veces la masa del Sol, tiene un radio de horizonte de sucesos de aproximadamente 9 km. Eso significa que tiene una densidad enorme, aproximadamente dos cuatrillones de gramos por cm cúbico (2 x 1015). Pero el doble de masa, y la densidad cae por un factor de cuatro. Pon 10 veces la masa y la densidad disminuye en un factor de 100. Un mil millones de agujeros negros de masa solar (grandes, pero los vemos así de grandes en los centros de las galaxias) reduciría esa densidad en un factor de 1 x 1018. Eso le daría una densidad de aproximadamente 1/1000 de gramo por cc and ¡y esa es la densidad del aire!
Un agujero negro de mil millones de masas solares tendría un horizonte de eventos de 3 mil millones de km de radio, aproximadamente la distancia de Neptuno al Sol.
¿Ves a dónde voy aquí? Si fuera a atar el sistema solar más allá de Neptuno, encerrarlo en una esfera gigante, y llenarlo de aire, ¡sería un agujero negro!
Eso, para mí, es de lejos lo más extraño de los agujeros negros. Claro, deforman el espacio, distorsionan el tiempo, juegan con nuestro sentido de lo que es real y lo que no lo es but pero cuando tocan lo cotidiano y se meten con eso, bueno, eso es lo que me atrae.
Pensé en esto por primera vez en una conferencia de agujeros negros en Stanford hace unos años. Estaba caminando con el conocido experto en agujeros negros Roger Blandford cuando me golpeó. Hice un cálculo mental rápido para asegurarme de tener los números correctos, y le dije a Roger que un sistema solar lleno de aire sería un agujero negro. Pensó en ello por un momento y dijo: «Sí, eso suena bien.»
Y ese, me droogs, fue uno de los momentos más geniales de mi vida en el agujero. Pero pensar en ello todavía hace que me duela el cerebro.
Conclusión
Bueno, ¿qué puedo decir? Los agujeros negros son raros.
Resulta que había mucho más que se podía decir de ellos, por supuesto. ¿Y los agujeros de gusano? ¿Y cómo se forman? ¿y la radiación de Hawking? ¿Pueden evaporarse totalmente los agujeros negros?
Puedes encontrar respuestas a estas y otras preguntas en otras partes de la web (e incluso en este mismo blog); ¡No pude cubrir todo en solo diez secciones! ¡Pero notaré (sorprendente) ese capítulo 5 de mi libro Muerte de los cielos! habla en detalle sobre cómo se forman y qué pueden hacer si te acercas demasiado a ellos. Capítulos posteriores también hablan sobre el agujero negro en el núcleo de la Vía Láctea, y lo que les sucederá a los agujeros negros dentro de mucho tiempo literally literalmente, 1060, 1070, incluso un googol dentro de años.
Pero incluso entonces, eso no es lo más aterrador de los agujeros negros. Casi no pongo esto en el post, es tan exagerado, aterradoramente aterrador. Pero soy un científico, y aquí somos escépticos, así que podemos soportarlo. Así que les presento, lo peor de los agujeros negros de todo: