martes, 12 de mayo de 2009

Callejón sin salida

Entre los muchos tipos de cuerpos celestes que se conocen en el universo, los hoyos negros son los que mas capturan la imaginación del público, probablemente por ser los mas extraños e incomparables con cualquier otra cosa a nuestra experiencia cotidiana.

Pero para entender lo que es un hoyo negro, comencemos hablando sobre la gravedad y su efecto sobre los cuerpos.


Disparos desde un lugar en la superficie de la Tierra. Mientras mayor sea la velocidad del proyectil, mayor será la distancia que puede viajar, en el caso de obtener velocidad de escape, el proyectil se alejará de la Tierra sin regresar, escapará a su gravedad.

Es muy conocido que todos los cuerpos tienen gravedad, y que mientras mas masivo sea, su gravedad será mayor también. Por ejemplo, la gravedad de una montaña será muy superior que la de un chicharo (en la superficie de la Tierra, la gravedad del planeta es tan superior a la de cualquier objeto que nada mas se considera a la hora de calcularla).


Sencilla forma de calcular la velocidad de escape con matemáticas de secundaria. G es la constante gravitacional de Newton, M la masa del planeta o cuerpo de donde se quiere escapar y r la distancia entre el centro del cuerpo y el objeto.

Pero entonces pensemos en lo que se necesita para escapar de un cuerpo, es decir, vencer su gravedad. Básicamente lo necesario es tener la energía suficiente, y esta energía ha de ser en forma de velocidad. La velocidad mínima necesaria para escapar de la gravedad de un cuerpo dado se llama "velocidad de escape" y depende de la masa del objeto de donde se quiere escapar y de la distancia entre el centro de dicho cuerpo y el punto donde se encuentra uno (en el caso de un objeto que escapa de la superficie de un planeta, esta distancia es equivalente al radio del planeta).

Entonces tenemos que para escapar desde la superficie de la Tierra, se necesitan 11.2 km/s mientras que para escapar de la Luna (con apenas 0.0123 veces la masa de la Tierra y 0.273 veces el radio de la Tierra) se requiere de apenas 2.373 km/s, y para el planeta gigante Júpiter (con 318 veces la masa de la Tierra y 11.2 veces su radio) se necesitan 59.572 km/s.


Conducta de los rayos de luz en la superficie de varios cuerpos de masa cada vez mayor. En el hoyo negro, no pueden escapar.

Bien, entonces tenemos que los cuerpos con mayor masa y menor radio (y por lo tanto gravedad) requieren de una velocidad mayor para poder escapar de su gravedad.

Ahora, por un momento, consideramos por otra parte la muerte de las estrellas. Las estrellas mueren cuando se agota su combustible nuclear (hidrógeno). El proceso de muerte estelar consiste en la pérdida de una gran parte de la masa, ya sea por una explosión de supernova o por la formación de una nebulosa planetaria. Y queda reducida a un cuerpo muy denso.

En el caso de una estrella de masa reducida, categoría en la cual se encuentran la mayoría de las estrellas, la masa resultante después de la muerte de la estrella se comprime hasta que los átomo están tan cerca de sus vecinos que el colapso se detiene. De esta manera se detiene el colapso al transformarse el cadáver de la estrella en un cuerpo llamado "enana blanca". Para entender la densidad de tal cuerpo, pensemos en que una enana blanca aproximadamente del tamaño de la Tierra tendría una masa comparable a la del Sol.


Vida y muerte de las estrellas, solo las mas masiva tiene el potencial de ser hoyos negros.

En el caso de una estrella mas masiva, el choque de un átomo con sus vecinos podría no ser suficiente para detener el colapso. En estos casos, la masa es tal que los átomos se "quiebran" resultado en una sopa de partículas subatómicas. Cuando esto pasa, los electrones y protones, antes contenidos en los átomos se combinarán para producir neutrones. Estos cuerpos son los llamados "estrellas de neutrones". Una estrella de neutrones con la masa del Sol, tendrá el tamaño no de la Tierra, sino de una ciudad. Como se puede ver, la densidad de la estrella de neutrones es mucho mayor que de la enana blanca. Y en consecuencia su gravedad es mayor (la mayor densidad implica mayor masa y menor radio).

Pero existen estrellas tan grandes que al morir, aun queda tanta masa que el colapso no se detiene, ni el choque de un átomo con otro, ni de un neutron con sus vecinos. Se llega a un límite de masa, en el cuál nada en el universo puede detener el colapso, en este caso, la densidad, la gravedad y la velocidad de escape aumentan continuamente.


Representación artística de un encuentro entre un estrella normal y un hoyo negro. Al acercarse demaciado la estrella sería atraida irremediablemente al hoyo negro. Al caer hacia el hoyo negro, la estrella sería despedazada por las intensas mareas gravitatorias.

Eventualmente, en estos cuerpos super-densos, la velocidad de escape se iguala a la velocidad de la luz, 300,000 km/s. Cuando esto pasa, se requiere una velocidad igual a la de la luz como velocidad de escape para poder vencer la gravedad. Pero puesto a que el colapso continúa la gravedad y la velocidad de escape siguen aumentando. En este momento el cuerpo se transforma en un hoyo negro.


Fotografía del centro de la galaxia NGC4261. Este disco de materia brilla debido al intenzo calor producido de la fricción de partículas de polvo al caer hacia el centro. Al calcular el tamaño del cuerpo central y la masa que debe tener para atraer tanto gas y polvo de esta manera, se concluye que dicho cuerpo es un hoyo negro.

Por definición el hoyo negro es un cuerpo o región de la cuál la velocidad de escape es superior a la velocidad de la luz. Y puesto a que esta la luz es lo más rápido en el universo, nada puede salir de un hoyo negro.

Entonces tenemos que la muerte de una estrella muy masiva puede generar un hoyo negro. Y ya que tiene una gravedad tan fuerte, al acumular mas materia el hoyo negro puede seguir creciendo, terminando, si tiene suerte como un hoyo negro supermasivo.

Otra pregunta muy frecuente es sobre que tan posible es que un hoyo negro se trague a la Tierra. La probabilidad es increíblemente baja. No hay suficientes estrellas con la masa adecuada como para que los hoyos negros sean tan comunes como para representar una amenaza. Sin embargo en el núcleo de las galaxias se suelen encontrar algunos hoyos negros supermasivos muy interesantes.


Imágen del centro de nuestra galaxia. La estrella en el centro muestra la posición del hoyo negro central de la Vía Lactea, los puntos de colores son estrellas que lo están orbitando.

Como siempre, espero sus dudas y comentarios.

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