Fyodor Dergachev
¿Un agujero negro con la masa del Universo?
Al comparar la física de los agujeros negros y los procesos del Big Bang, me surgió una pregunta. Quiero verlo en detalle en una de las partes siguientes de mi nuevo artículo. "Tierra y Universo" , que comenzó a publicar en LiveJournal:
Parte 1
De la comparación anterior se desprende que en los primeros segundos después del Big Bang, la materia que constituye la parte observable del Universo se encontraba en condiciones similares a las descritas por la teoría de los agujeros negros.
Pero no descarto que no haya tenido algo en cuenta al formular la pregunta. Estoy esperando respuestas...
Agujeros negros
“Si los efectos de la teoría especial de la relatividad se vuelven más evidentes a altas velocidades de movimiento de los cuerpos, entonces la teoría general de la relatividad entra en juego cuando los cuerpos tienen masas muy grandes y causan una fuerte curvatura del espacio y el tiempo.
...Un descubrimiento realizado durante la Primera Guerra Mundial por el astrónomo alemán Karl Schwarzschild, cuando, mientras estaba en el frente ruso en 1916, mientras calculaba las trayectorias de los proyectiles de artillería, conoció los logros de Einstein en el campo de la gravedad. Es sorprendente que apenas unos meses después de que Einstein diera los toques finales al lienzo de la relatividad general, Schwarzschild fuera capaz de utilizar esta teoría para obtener una imagen completa y precisa de cómo se curvan el espacio y el tiempo en las proximidades de una estrella perfectamente esférica. Schwarzschild envió sus resultados desde el frente ruso a Einstein, quien, siguiendo sus instrucciones, los presentó a la Academia Prusiana.
Además de la confirmación y el cálculo matemáticamente preciso de la curvatura, que mostramos esquemáticamente en la Fig. 3.5, el trabajo de Schwarzschild (ahora conocido como la "solución de Schwarzschild") reveló una sorprendente consecuencia de la relatividad general. Se ha demostrado que si la masa de la estrella se concentra dentro de una región esférica suficientemente pequeña (cuando la relación entre la masa de la estrella y su radio no excede un cierto valor crítico), entonces la curvatura resultante del espacio-tiempo será tan significativa que Ningún objeto (incluida la luz) que se acerque lo suficiente a la estrella podrá escapar de esta trampa gravitacional. Dado que ni siquiera la luz puede escapar de estas “estrellas comprimidas”, originalmente se las llamó estrellas oscuras o congeladas. (Este nombre pertenece a los científicos soviéticos Ya. B. Zeldovich e I. D. Novikov. - Ed.) Años más tarde, John Wheeler propuso un nombre más pegadizo, quien los llamó agujeros negros: negros porque no pueden emitir luz y agujeros porque cualquier objeto que se acerque a ellos a una distancia demasiado corta nunca regresa. Este nombre está firmemente establecido y establecido. La solución de Schwarzschild se ilustra en la figura. Aunque se sabe que los agujeros negros son "voraces", los cuerpos que pasan junto a ellos a una distancia segura se desvían del mismo modo que lo haría una estrella ordinaria y continúan su camino. Pero los cuerpos de cualquier naturaleza que se acerquen demasiado, más cerca que la distancia llamada horizonte de sucesos de un agujero negro, están condenados: caerán constantemente hacia el centro del agujero negro, expuestos a deformaciones gravitacionales cada vez más intensas y, en última instancia, destructivas..
El agujero negro dobla la estructura del espacio-tiempo circundante tan fuerte que cualquier objeto que cruce su "horizonte de sucesos" -indicado por un círculo negro- no puede escapar de su trampa gravitacional. Nadie sabe exactamente qué sucede en las profundidades de los agujeros negros.
Si, por ejemplo, nadas hacia el centro de un agujero negro con los pies por delante, sentirás una creciente sensación de malestar a medida que cruzas el horizonte de sucesos. La atracción gravitacional del agujero negro aumentará de manera tan significativa que atraerá sus piernas con mucha más fuerza que su cabeza (después de todo, sus piernas estarán algo más cerca del centro del agujero negro que su cabeza), hasta el punto de que puede destrozar rápidamente su cuerpo.
Si tienes cuidado al viajar alrededor de un agujero negro y cuidas de no cruzar su horizonte de sucesos, puedes utilizar el agujero negro para realizar un truco notable. Imagine, por ejemplo, que descubre un agujero negro con una masa 1000 veces la masa del Sol y desciende en rápel, tal como George descendió hacia el Sol, hasta una altura de 3 cm sobre el horizonte de sucesos. Como ya hemos señalado, los campos gravitacionales hacen que el tiempo se deforme, lo que significa que su viaje en el tiempo se ralentizará. De hecho, debido a que los agujeros negros tienen campos gravitacionales tan fuertes, su tiempo se ralentizará mucho. Tu reloj funcionará aproximadamente diez mil veces más lento que el reloj de tu amigo en la Tierra. Si flotas sobre el horizonte de sucesos de un agujero negro en esta posición durante un año y luego vuelves a subir por un cable a una nave espacial cercana que te espera para un viaje corto pero placentero a casa, cuando regreses encontrarás que han pasado más de diez mil años. pasado desde tu partida. Puedes utilizar un agujero negro como una especie de máquina del tiempo que te permitirá viajar al futuro lejano de la Tierra.
Para tener una idea de la enormidad de la escala de estos fenómenos, obsérvese que una estrella con una masa igual a la masa del Sol se convertirá en un agujero negro si su radio no es el valor observado (unos 700.000 km), sino sólo unos 700.000 km. 3 kilómetros. Imaginemos que todo nuestro Sol se reduce al tamaño de Manhattan. Una cucharadita de la sustancia de un Sol tan comprimido pesaría tanto como el Monte Everest. Para convertir nuestra Tierra en un agujero negro, debemos comprimirla en una bola con un radio inferior a un centímetro. Durante mucho tiempo, los físicos se mostraron escépticos sobre la posibilidad de estados tan extremos de la materia, y muchos de ellos creían que los agujeros negros eran sólo producto de la imaginación salvaje de teóricos sobrecargados de trabajo.
Sin embargo, durante la última década se han acumulado bastantes datos de observación que confirman la existencia de agujeros negros. Por supuesto, como son negros, no se pueden observar directamente examinando el cielo con un telescopio. En cambio, los astrónomos intentan detectar los agujeros negros mediante el comportamiento anómalo de estrellas emisoras de luz ordinarias ubicadas cerca de los horizontes de sucesos del agujero negro. Por ejemplo, cuando las partículas de polvo y gas de las capas exteriores de estrellas ordinarias adyacentes a un agujero negro se precipitan hacia el horizonte de sucesos del agujero negro, aceleran casi a la velocidad de la luz. A tales velocidades, la fricción en el remolino de gas y polvo de la sustancia inhalada provoca la liberación de una gran cantidad de calor, lo que hace que la mezcla de gas y polvo brille, emitiendo luz visible ordinaria y rayos X. Debido a que esta radiación se genera fuera del horizonte de sucesos, puede evitar caer en el agujero negro. Esta radiación se propaga en el espacio y puede observarse y estudiarse directamente. La relatividad general predice en detalle las características de dichos rayos X; La observación de estas características predichas proporciona evidencia sólida, aunque indirecta, de la existencia de agujeros negros. Por ejemplo, cada vez hay más pruebas de que en el centro de nuestra galaxia se encuentra un agujero negro muy masivo, dos millones y medio de veces la masa de nuestro Sol. Pero incluso estos voraces agujeros negros palidecen en comparación con los que los astrónomos creen que están ubicados en los centros de los increíblemente brillantes quásares esparcidos por todo el cosmos. Se trata de agujeros negros cuyas masas son miles de millones de veces mayores que la masa del Sol.
Schwarzschild murió apenas unos meses después de haber encontrado su solución. Murió a causa de una enfermedad de la piel que contrajo en el frente ruso. Tenía 42 años. Su trágico breve encuentro con la teoría de la gravedad de Einstein reveló una de las facetas más sorprendentes y misteriosas de la vida en el Universo”. (" ", página 31),
“La realidad teórica llamada “agujero negro”, para la cual se sugiere una comparación con el infierno, sigue siendo esencialmente teórica, aunque los astrónomos se han formado una imagen, a primera vista, bastante armoniosa de la física de los agujeros negros, las razones de su formación y El impacto en el continuo espacio-tiempo.
En esencia, los astrónomos llaman agujero negro no a un objeto físico, sino a una región del espacio-tiempo en la que la atracción gravitacional es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede penetrar hacia afuera, más allá del "horizonte de sucesos".
La teoría dominante es que los agujeros negros surgen en lugar de estrellas masivas quemadas: cuando una estrella colapsa, la densidad de la materia se vuelve tan alta que la atracción gravitacional en esa zona comienza a atraer la materia circundante".. (« » ).
“Como es sabido, hasta ahora las observaciones sólo han registrado dos tipos de agujeros negros: la masa estelar(formado como resultado del colapso gravitacional de estrellas masivas) y supermasivo(que, según una hipótesis, son resultado de una fusión de los primeros). Ninguna hipótesisla formación de agujeros negros supermasivos no está más o menos fundamentada, incl.una hipótesis de fusión, cuya prueba requiere al menos una hipótesis conocida de forma fiableAgujero negro de masa intermedia."(agosto de 2008)
Los agujeros negros son el resultado del colapso gravitacional de estrellas masivas. Se describen con suficiente detalle en la literatura científica y popular.
El mecanismo de la "trampa" es la curvatura del espacio-tiempo bajo la influencia de fuerzas de gravedad monstruosas. "YLa curvatura del espacio-tiempo será tan significativa que ningún objeto (incluida la luz) que se acerque lo suficiente a la estrella podrá escapar de esta trampa gravitacional”.
El Big Bang desde la perspectiva de la teoría de los “agujeros negros”
“Según todas las teorías existentes sobre el Big Bang, al principio el Universo era un punto en el espacio de un volumen infinitamente pequeño, que tenía una densidad y una temperatura infinitamente grandes”.("Los Grandes Problemas del Big Bang. La Singularidad Problemática").
“A pesar de su gran éxito, los horizontes de la teoría del Big Bang están lejos de estar despejados...
No está claro por qué, a la misma distancia, las galaxias espirales siempre tienen “desplazamientos al rojo” mayores que las galaxias elípticas.(Para más detalles, consulte el libro de V.P. Chechev, Ya.M. Kramarovsky “Radioactividad y evolución del universo”. M., “Nauka”, 1978).
Finalmente, recientemente quedó claro que velocidades de las galaxias en relación con el fondo CMB muy pequeña.estan medidos no miles y decenas de miles de kilómetros por segundo, como se desprende de la teoría del Universo en expansión, sinosólo cientos de kilómetros por segundo . Resulta que las galaxias están prácticamente en reposo en relación con el fondo cósmico de microondas del Universo, que por varias razones puede considerarse el marco de referencia absoluto de la galaxia.(Para más detalles, consulte el libro “Desarrollo de métodos de investigación astronómica” (A.A. Efimov. “Astronomía y principio de relatividad”). M., “Ciencia”, 1979, p. 545).
Aún no está claro cómo superar estas dificultades”.(Siegel F.Yu. “La sustancia del universo”. - M.; “Química”, 1982, sección “Pedigree de elementos químicos”, capítulo “Síntesis de elementos”, págs. 166-167).
Después del Big Bang
“El Big Bang es una rápida caída de la inicialmente enorme densidad, temperatura y presión de la materia concentrada en un volumen muy pequeño del Universo. En el momento inicial, el Universo tenía una densidad y temperatura gigantescas. En el primer segundo de su existencia, el mundo tenía una densidad de ~ 10 5 g/cm 3 y una temperatura de 10 10 K. La temperatura actual de la estrella más cercana a nosotros, el Sol, es mil veces menor.
Durante un corto período de tiempo después del Big Bang (sólo 10 a 36 segundos), el pequeño Universo estuvo lleno de partículas fundamentales. Estas partículas, a diferencia de los nucleidos, los protones y los neutrones, son indivisibles. Los protones y los neutrones, la base de la materia nuclear, en realidad están formados por ellos. Estos son fermiones fundamentales que interactúan entre sí a través de una única interacción fundamental en ese momento del desarrollo del Universo. ¿Cómo se produjo esta interacción? A través de partículas. Se les llama bosones. Hay cuatro de ellos: un fotón (cuanto gamma), un gluón y dos bosones: W y Z. Y las partículas fundamentales mismas, es decir. Los fermiones son seis tipos de quarks y seis tipos de leptones.
Es este grupo de partículas de 12 fermiones que interactúan entre sí a través de 4 bosones el que, de hecho, es el embrión del Universo...
Mientras tanto, volvamos al Universo en expansión de los primeros momentos de su existencia.
La física moderna cree que las partículas, fermiones y bosones, que aparecieron inmediatamente después del Big Bang, son indivisibles. “Cree” significa que aún no hay información sobre su estructura interna. Los fermiones y bosones perdieron masa entre 10 y 10 segundos después del desarrollo del Universo y constituyeron la llamada "sopa hirviendo" del Universo diminuto. Interactuaron entre sí según la ley única de la Gran Unificación.
A los 10 -36 segundos la era de la Gran Unificación colapsó. La naturaleza de la interacción de las partículas comenzó a cambiar. La fusión de partículas y la formación de otras más pesadas era imposible mientras el Universo tuviera una temperatura alta.
El enfriamiento del Universo duró 1 microsegundo» .
(M.I. Panasyuk “Los caminantes del universo o el eco del Big Bang”).
Pregunta
Considerar el Big Bang desde la perspectiva de la teoría de los agujeros negros produce resultados sorprendentes. Entonces, " los astrónomos llaman agujero negro Región del espacio-tiempo en la que la atracción gravitacional es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar.».
Pero la región en la que se concentra la materia en los primeros momentos después del Big Bang debería ser exactamente esa. Los agujeros negros más grandes (“supermasivos”) (en el centro de las galaxias y en los quásares) alcanzan masas millones de veces mayores que la del Sol. Pero la masa del Universo observable, según estimaciones modernas, excede la masa del Sol en más de 10^20 veces: ¡eso es 100 quintillones (1 quintillón = 1 billón de billones)! No soy una persona emocional, pero, sin embargo, no sé cuántos signos de exclamación poner aquí.
¿Y toda esta enorme masa no creó una fuerza gravitacional tan monstruosa que la curvatura del espacio-tiempo no provocó el efecto "agujero negro"? Para la materia que se expandió durante el Big Bang, el tiempo debería haberse ralentizado tanto que aún no habría escapado del "horizonte de sucesos".. Esto eliminaría por completo una mayor “dispersión” de materia, que posteriormente constituirá la parte observable del Universo. Hay una contradicción lógica. O la ciencia malinterpreta los procesos del Big Bang o la teoría de los agujeros negros es incorrecta!
F. Dergachev "¿Un agujero negro con la masa del Universo?" Parte 2
El material fue preparado por los editores de InoSMI específicamente para la sección RIA Science >>
Michael Finkel
Retrocedamos el reloj. Antes del hombre, antes de la Tierra, antes de que el Sol se encendiera, antes de que nacieran las galaxias, antes de que brillara la luz, hubo un “big bang”. Esto sucedió hace 13.800 millones de años.
Las supernovas sembraron el espacio con elementos pesados en el Universo tempranoLos científicos utilizaron el telescopio espacial de rayos X Suzaku de Japón examinaron la distribución del hierro en el cúmulo de galaxias Perseo, ubicado a 250 millones de años luz de distancia.¿Pero qué pasó antes de eso? Muchos físicos dicen que “antes de esto” no existe. Argumentan que el tiempo empezó a contar en el momento del “big bang”, creyendo que todo lo que existía anteriormente no está incluido en el ámbito de la ciencia. Nunca entenderemos cómo era la realidad antes del Big Bang, de qué se formó y por qué llegó a crear nuestro Universo. Estas ideas están más allá de la comprensión humana.
Pero algunos científicos no convencionales no están de acuerdo. Estos físicos teorizan que, momentos antes del “big bang”, toda la masa y energía del universo naciente se comprimieron en un grano increíblemente denso, pero finito. Llamémoslo la semilla de un nuevo universo.
Creen que la semilla era inimaginablemente pequeña, quizás billones de veces más pequeña que cualquier partícula que pudiera ser observada por los humanos. Y, sin embargo, esta partícula dio origen a todas las demás partículas, sin mencionar las galaxias, el sistema solar, los planetas y las personas.
Si realmente quieres llamar a algo partícula de Dios, entonces esta semilla es perfecta para ese nombre.
Entonces, ¿cómo surgió esta semilla? Una idea fue propuesta hace varios años por Nikodem Poplawski, que trabaja en la Universidad de New Haven. Es que la semilla de nuestro Universo se forjó en el horno primordial en que se convirtió para ella el agujero negro.
Multiversos multiplicados
Antes de continuar, es importante comprender que durante los últimos veinte años muchos físicos teóricos se han convencido de que nuestro universo no es el único. Es posible que seamos parte de un multiverso, que represente una gran cantidad de universos individuales, cada uno de los cuales es una bola brillante en el verdadero cielo nocturno.
Existe mucha controversia sobre cómo está conectado un universo con otro y si existe tal conexión. Pero todas estas disputas son puramente especulativas y la verdad es indemostrable. Pero una idea atractiva es que la semilla del universo es como la semilla de una planta. Se trata de un trozo de materia esencial, bien comprimido y escondido dentro de una capa protectora.
Esto explica exactamente lo que sucede dentro de un agujero negro. Los agujeros negros son cadáveres de estrellas gigantes. Cuando una estrella así se queda sin combustible, su núcleo colapsa. La fuerza de la gravedad atrae todo con una fuerza increíble y cada vez mayor. Las temperaturas alcanzan los 100 mil millones de grados. Los átomos están colapsando. Los electrones se hacen pedazos. Y luego esta masa se reduce aún más.
En este punto, la estrella se convierte en un agujero negro. Esto significa que su fuerza de atracción es tan enorme que ni siquiera un rayo de luz puede escapar de él. El límite entre el interior y el exterior de un agujero negro se llama horizonte de sucesos. En el centro de casi todas las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, los científicos están descubriendo agujeros negros colosales, algunos millones de veces más masivos que nuestro Sol.
Preguntas sin fondo
Si utilizas la teoría de Einstein para determinar qué sucede en el fondo de un agujero negro, puedes calcular un punto que es infinitamente denso e infinitamente pequeño. Este concepto hipotético se llama singularidad. Pero en la naturaleza los infinitos no suelen existir. El problema radica en las teorías de Einstein, que proporcionan excelentes cálculos para gran parte del espacio exterior, pero se desmoronan ante fuerzas increíbles, como las que se encuentran dentro de un agujero negro o las presentes en el nacimiento del universo.
Físicos como el Dr. Poplavsky dicen que la materia dentro de un agujero negro llega a un punto en el que ya no se puede exprimir. Esta "semilla" es increíblemente pequeña y pesa tanto como mil millones de estrellas. Pero a diferencia de la singularidad, es bastante real.
Según Poplavsky, el proceso de compresión se detiene porque los agujeros negros giran. Giran muy rápidamente, posiblemente alcanzando la velocidad de la luz. Y esta torsión le da a la semilla comprimida una rotación axial increíble. La semilla no sólo es pequeña y pesada; también está retorcido y comprimido, como el resorte de ese diablo en la tabaquera.
Los científicos midieron por primera vez el campo magnético de un agujero negro en el centro de la galaxiaEl agujero negro supermasivo Sgr A* se encuentra en el centro de nuestra galaxia. Anteriormente, los astrónomos descubrieron el radiopúlsar PSR J1745-2900 en el centro de nuestra galaxia. Utilizaron la radiación que emana de él para medir la fuerza del campo magnético en el agujero negro.En otras palabras, es muy posible que un agujero negro sea un túnel, una “puerta de sentido único” entre dos universos, dice Poplavsky. Esto significa que si caes en un agujero negro en el centro de la Vía Láctea, es muy posible que termines en otro universo (bueno, si no tú, entonces tu cuerpo se triturará en pequeñas partículas). Este otro universo no está dentro del nuestro; el agujero es simplemente un vínculo de conexión, como una raíz común de la que crecen dos álamos.
¿Qué pasa con todos nosotros, en nuestro propio universo? Puede que seamos producto de otro universo más antiguo. Llamémoslo nuestro verdadero universo. Esa semilla que el universo madre forjó dentro del agujero negro puede haber dado un gran rebote hace 13.800 millones de años, y aunque nuestro Universo se ha estado expandiendo rápidamente desde entonces, es posible que todavía estemos más allá del horizonte de sucesos del agujero negro.
El mundo no te debe nada: estaba aquí antes que tú.
- Mark Twain
Un lector pregunta:
¿Por qué el Universo no colapsó en un agujero negro inmediatamente después del Big Bang?
Para ser honesto, yo mismo pensé mucho en esto. Y es por eso.
El universo está lleno de todo estos días. Nuestra galaxia es un frío caos de estrellas, planetas, gas, polvo y mucha materia oscura, que contiene entre 200 y 400 mil millones de estrellas y pesa un billón de veces más que todo nuestro sistema solar. Pero nuestra galaxia es sólo una de los billones de galaxias de tamaño similar esparcidas por todo el Universo.
Pero no importa cuán masivo sea el Universo, esta masa está distribuida en un vasto espacio. La parte observable del Universo tiene unos 92 mil millones de años luz de diámetro, lo que es difícil de imaginar en comparación con los límites de nuestro sistema solar. La órbita de Plutón y otros objetos del cinturón de Kuiper es del 0,06% de un año luz. Por tanto, tenemos una enorme masa distribuida en un enorme volumen. Y me gustaría imaginar cómo se relacionan entre sí.
Bueno, nuestro Sol pesa 2*10^30 kg. Esto significa que contiene 10^57 protones y neutrones. Si consideramos que el Universo contiene 10^24 masas solares de materia ordinaria, resulta que una esfera con un radio de 46 mil millones de kilómetros contiene 10^81 nucleones. Si calculamos la densidad media del Universo, resulta que son aproximadamente dos protones por metro cúbico. ¡Y este es MISER!
Por lo tanto, si empezamos a pensar en la etapa inicial del desarrollo de nuestro Universo, cuando toda la materia y la energía estaban reunidas en un espacio muy pequeño que era mucho más pequeño incluso que nuestro Sistema Solar, tenemos que pensar en la cuestión de nuestro lector.
Cuando el Universo tenía un picosegundo después del Big Bang, toda esta materia contenida ahora en las estrellas, galaxias, cúmulos y supercúmulos del Universo estaba en un volumen más pequeño que una esfera con un radio igual al radio actual de la órbita de la Tierra.
Y, sin desmerecer la teoría de que todo el Universo cabe en un volumen tan pequeño, digamos que conocemos agujeros negros que ya existen, y cuya masa es mucho menor que la masa del Universo, y su tamaño es mucho mayor que el volumen mencionado!
Frente a usted está la galaxia elíptica gigante Messier 87, la galaxia más grande a una distancia de 50 millones de años luz de nosotros, lo que representa el 0,1% del radio del Universo observable. En su centro se encuentra un agujero negro supermasivo con una masa de 3.500 millones de veces la energía solar. Esto significa que tiene un radio de Schwarzschild, o el radio del cual la luz no puede escapar. Son aproximadamente 10 mil millones de kilómetros, que es 70 veces la distancia de la Tierra al Sol.
Entonces, si tal masa en un volumen tan pequeño conduce a la aparición de un agujero negro, ¿por qué una masa 10^14 veces mayor, estando en un volumen aún más pequeño, no conduce a la aparición de un agujero negro, pero, obviamente, ¿Condujo a la aparición de nuestro Universo?
Así que casi no lo trajo. El universo se expande con el tiempo y su tasa de expansión disminuye a medida que avanzamos hacia el futuro. En el pasado lejano, en los primeros picosegundos del Universo, el ritmo de su expansión era mucho, mucho mayor que el actual. ¿Cuánto más?
Hoy en día, el Universo se está expandiendo a un ritmo de unos 67 km/s/Mpc, lo que significa que por cada megaparsec (unos 3,26 millones de años luz) que algo está lejos de nosotros, la distancia entre nosotros y ese objeto se está expandiendo a un ritmo de 67 kilómetros por segundo. Cuando la edad del universo era de picosegundos, esta velocidad estaba más cerca de 10^46 km/s/MPc. Para poner esto en perspectiva, esta tasa de expansión actual daría como resultado que cada átomo de materia de la Tierra se alejara de los demás tan rápidamente que la distancia entre ellos aumentaría en un año luz por segundo.
Esta extensión describe la ecuación anterior. Por un lado está H, la tasa de expansión del Universo de Hubble, y por el otro hay muchas cosas. Pero lo más importante es la variable ρ, que denota la densidad de energía del Universo. Si H y ρ están perfectamente equilibrados, el Universo puede sobrevivir durante mucho tiempo. Pero incluso un ligero desequilibrio conducirá a una de dos consecuencias muy desagradables.
Si la tasa de expansión del Universo fuera un poco menor, en relación con la cantidad de su masa y energía, entonces nuestro Universo enfrentaría un colapso casi instantáneo. La transformación en un agujero negro o Big Crunch se produciría muy rápidamente. Y si la tasa de expansión fuera un poco mayor, los átomos no se conectarían entre sí en absoluto. Todo se expandiría tan rápidamente que cada partícula subatómica existiría en su propio universo, sin nada con qué interactuar.
¿Cuán diferentes tenían que ser las tasas de expansión para obtener resultados tan diferentes? ¿El 10%? Por 1%? ¿En un 0,1%?
Llévalo más alto. Se necesitaría una diferencia de menos de 1/10^24 para que el Universo tuviera tiempo de durar 10 mil millones de años. Es decir, incluso una diferencia del 0,00000001% con respecto a la tasa de expansión que se produjo sería suficiente para que el Universo colapsara en menos de un segundo si la expansión fuera demasiado lenta. O para evitar que se formara siquiera un átomo de helio si la expansión fuera demasiado grande.
Pero no tenemos nada de esto: tenemos un Universo que es un ejemplo de un equilibrio casi perfecto entre la expansión y la densidad de la materia y la radiación, y el estado actual difiere del equilibrio ideal sólo en una muy pequeña constante cosmológica distinta de cero. Todavía no podemos explicar por qué existe, ¡pero tal vez disfrutes estudiando lo que no lo explica!
El concepto de agujero negro es conocido por todos: desde los escolares hasta los ancianos, se utiliza en la literatura de ciencia y ficción, en los medios de comunicación amarillos y en conferencias científicas. Pero no todo el mundo sabe qué son exactamente esos agujeros.
De la historia de los agujeros negros.
1783 La primera hipótesis sobre la existencia de un fenómeno como un agujero negro fue propuesta en 1783 por el científico inglés John Michell. En su teoría, combinó dos creaciones de Newton: la óptica y la mecánica. La idea de Michell era la siguiente: si la luz es una corriente de partículas diminutas, entonces, como todos los demás cuerpos, las partículas deberían experimentar la atracción de un campo gravitacional. Resulta que cuanto más masiva es la estrella, más difícil le resulta a la luz resistir su atracción. Trece años después de Michell, el astrónomo y matemático francés Laplace propuso (probablemente independientemente de su colega británico) una teoría similar.
1915 Sin embargo, todas sus obras quedaron sin reclamar hasta principios del siglo XX. En 1915, Albert Einstein publicó la Teoría General de la Relatividad y demostró que la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo causada por la materia, y unos meses después, el astrónomo y físico teórico alemán Karl Schwarzschild la utilizó para resolver un problema astronómico concreto. Exploró la estructura del espacio-tiempo curvo alrededor del Sol y redescubrió el fenómeno de los agujeros negros.
(John Wheeler acuñó el término "agujeros negros")
1967 El físico estadounidense John Wheeler describió un espacio que se puede arrugar, como un trozo de papel, hasta formar un punto infinitesimal y lo denominó "agujero negro".
1974 El físico británico Stephen Hawking demostró que los agujeros negros, aunque absorben materia sin retorno, pueden emitir radiación y eventualmente evaporarse. Este fenómeno se llama “radiación de Hawking”.
2013 Las últimas investigaciones sobre púlsares y quásares, así como el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas, han permitido por fin describir el concepto mismo de agujero negro. En 2013, la nube de gas G2 se acercó mucho al agujero negro y probablemente será absorbida por él; la observación de un proceso único ofrece enormes oportunidades para nuevos descubrimientos de las características de los agujeros negros.
(El objeto masivo Sagitario A*, su masa es 4 millones de veces mayor que la del Sol, lo que implica un cúmulo de estrellas y la formación de un agujero negro.)
2017. Un grupo de científicos de la colaboración multinacional Event Horizon Telescope, conectando ocho telescopios de diferentes puntos de los continentes de la Tierra, observó un agujero negro, que es un objeto supermasivo ubicado en la galaxia M87, en la constelación de Virgo. La masa del objeto es de 6,5 mil millones (!) de masas solares, unas veces gigantescamente mayor que la del objeto masivo Sagitario A*, en comparación, con un diámetro ligeramente menor que la distancia del Sol a Plutón.
Las observaciones se realizaron en varias etapas, a partir de la primavera de 2017 y a lo largo de los periodos de 2018. El volumen de información ascendía a petabytes, que luego era necesario descifrar y obtener una imagen auténtica de un objeto ultradistante. Por lo tanto, se necesitaron otros dos años para procesar minuciosamente todos los datos y combinarlos en un todo.
2019 Los datos se descifraron y mostraron con éxito, produciendo la primera imagen de un agujero negro.
(La primera imagen de un agujero negro en la galaxia M87 en la constelación de Virgo)
La resolución de la imagen permite ver la sombra del punto de no retorno en el centro del objeto. La imagen se obtuvo como resultado de observaciones interferométricas de línea de base ultralarga. Se trata de las llamadas observaciones sincrónicas de un objeto desde varios radiotelescopios interconectados por una red y ubicados en diferentes partes del mundo, dirigidos en la misma dirección.
¿Qué son realmente los agujeros negros?
Una explicación lacónica del fenómeno es la siguiente.
Un agujero negro es una región del espacio-tiempo cuya atracción gravitacional es tan fuerte que ningún objeto, incluidos los cuantos de luz, puede salir de ella.
El agujero negro alguna vez fue una estrella masiva. Mientras las reacciones termonucleares mantengan una alta presión en sus profundidades, todo seguirá normal. Pero con el tiempo, el suministro de energía se agota y el cuerpo celeste, bajo la influencia de su propia gravedad, comienza a encogerse. La etapa final de este proceso es el colapso del núcleo estelar y la formación de un agujero negro.
- 1. Un agujero negro expulsa un chorro a gran velocidad
- 2. Un disco de materia se convierte en un agujero negro.
- 3. Agujero negro
- 4. Diagrama detallado de la región del agujero negro.
- 5. Tamaño de las nuevas observaciones encontradas
La teoría más común es que existen fenómenos similares en todas las galaxias, incluido el centro de nuestra Vía Láctea. La enorme fuerza gravitacional del agujero es capaz de mantener a varias galaxias a su alrededor, evitando que se alejen unas de otras. El “área de cobertura” puede ser diferente, todo depende de la masa de la estrella que se convirtió en un agujero negro, y puede ser de miles de años luz.
radio de Schwarzschild
La principal propiedad de un agujero negro es que cualquier sustancia que caiga en él nunca podrá regresar. Lo mismo se aplica a la luz. En esencia, los agujeros son cuerpos que absorben completamente toda la luz que incide sobre ellos y no emiten ninguna propia. Estos objetos pueden aparecer visualmente como coágulos de oscuridad absoluta.
- 1. Mover la materia a la mitad de la velocidad de la luz.
- 2. Anillo de fotones
- 3. Anillo de fotones interior
- 4. Horizonte de sucesos en un agujero negro
Según la Teoría General de la Relatividad de Einstein, si un cuerpo se acerca a una distancia crítica del centro del agujero, ya no podrá regresar. Esta distancia se llama radio de Schwarzschild. No se sabe con certeza qué sucede exactamente dentro de este radio, pero existe la teoría más común. Se cree que toda la materia de un agujero negro se concentra en un punto infinitesimal, y en su centro hay un objeto con densidad infinita, lo que los científicos llaman perturbación singular.
¿Cómo ocurre caer en un agujero negro?
(En la imagen, el agujero negro Sagitario A* parece un cúmulo de luz extremadamente brillante)
No hace mucho, en 2011, los científicos descubrieron una nube de gas, a la que llamaron simplemente G2, que emite una luz inusual. Este brillo puede deberse a la fricción del gas y el polvo causada por el agujero negro Sagitario A*, que lo orbita como un disco de acreción. Así nos convertimos en observadores del sorprendente fenómeno de la absorción de una nube de gas por un agujero negro supermasivo.
Según estudios recientes, el máximo acercamiento al agujero negro se producirá en marzo de 2014. Podemos recrear una imagen de cómo se desarrollará este emocionante espectáculo.
- 1. Cuando aparece por primera vez en los datos, una nube de gas se parece a una enorme bola de gas y polvo.
- 2. Ahora, en junio de 2013, la nube se encuentra a decenas de miles de millones de kilómetros del agujero negro. Cae dentro de él a una velocidad de 2500 km/s.
- 3. Se espera que la nube pase por el agujero negro, pero las fuerzas de marea causadas por la diferencia de gravedad que actúa sobre los bordes anterior y posterior de la nube harán que ésta adopte una forma cada vez más alargada.
- 4. Después de que la nube se rompa, lo más probable es que la mayor parte fluya hacia el disco de acreción alrededor de Sagitario A*, generando ondas de choque en él. La temperatura aumentará a varios millones de grados.
- 5. Parte de la nube caerá directamente al agujero negro. Nadie sabe exactamente qué pasará a continuación con esta sustancia, pero se espera que a medida que caiga emita potentes corrientes de rayos X y nunca más se vuelva a ver.
Vídeo: agujero negro se traga una nube de gas
(Simulación por computadora de qué parte de la nube de gas G2 sería destruida y consumida por el agujero negro Sagitario A*)
¿Qué hay dentro de un agujero negro?
Existe una teoría que afirma que un agujero negro está prácticamente vacío por dentro y que toda su masa está concentrada en un punto increíblemente pequeño ubicado en su centro: la singularidad.
Según otra teoría, que existe desde hace medio siglo, todo lo que cae en un agujero negro pasa a otro universo situado en el propio agujero negro. Ahora bien, esta teoría no es la principal.
Y hay una tercera teoría, la más moderna y tenaz, según la cual todo lo que cae en un agujero negro se disuelve en las vibraciones de las cuerdas en su superficie, que se denomina horizonte de sucesos.
Entonces, ¿qué es un horizonte de sucesos? Es imposible mirar el interior de un agujero negro incluso con un telescopio superpoderoso, ya que ni siquiera la luz que entra en el gigantesco embudo cósmico tiene posibilidades de regresar. En sus inmediaciones se encuentra todo lo que se puede considerar al menos de alguna manera.
El horizonte de sucesos es una línea superficial convencional bajo la cual nada (ni gas, ni polvo, ni estrellas, ni luz) puede escapar. Y este es el misterioso punto de no retorno en los agujeros negros del Universo.
