Capítulo 6: LOS AGUJEROS NEGROS (Páginas 127 –136)
En 1967, el estudio de los agujeros negros fue
revolucionado por Werner Israel, demostró que, de acuerdo con la relatividad
general, los agujeros negros sin rotación debían ser perfectamente esféricos,
su tamaño sólo dependía de su masa, y los agujeros negros cualesquiera con la
misma masa serían idénticos. Al poco tiempo del descubrimiento de la
relatividad general, mucha gente, incluido Israel,, argumentó que puesto que un
agujero negro tenía que ser perfectamente esférico, sólo podría formarse del
colapso de un objeto perfectamente esférico. Cualquier restrella real, que
nunca sería perfectamente esférica, sólo podría por lo tanto colapsarse
formando una singularidad desnuda.
Hubo sin embargo, una interpretación diferente
del resultado de Israel, defendida por Roger Penrose y John wheeler. Ellos
argumentaron que los rápidos movimientos involucrados en el colapso de una
estrella implicarían que las ondas gravitatorias que desprendiera la harían
siempre más esférica, y para cuando se hubiera asentado en un estado
estacionario sería perfectamente esférica.
De acuerdo con este punto de vista, cualquier estrella sin rotación,
independientemente de lo complicado de su forma y de su estructura interna, acabaría
después de un colapso gravitatorio siendo un agujero negro perfectamente
esférico, cuyo tamaño dependería únicamente de su masa. Cálculos posteriores
apoyaron este punto de vista, que pronto fue adoptado de manera general.
El resultado de Israel sólo se aplicaba al caso
de agujeros negros formados a partir de cuerpos sin rotación. En 1963, Roy
Kerr, encontró un conjunto de soluciones a las ecuaciones de la relatividad
general que describían agujeros negros en rotación. Estos agujeros negros de
Kerr giran a un ritmo constante, y su tamaño y forma sólo dependen de su masa y
de su velocidad de rotación. Si la rotación es nula, el agujero negro es
perfectamente redondo y la solución es idéntica a la de Schwarzschild. Si la
rotación no es cero, el agujero negro se deforma hacia fuera cerca de su
ecuador (justo igual que la Tierra o el Sol se achatan en los polos debido a su
rotación), y cuanto más rápido gira, más se deforma. De este modo, al extender
el resultado de Israel para poder incluir a los cuerpos en rotación, se
conjeturó que cualquier cuerpo en rotación, que colapsara y formara un agujero
negro, llegaría finalmente a un estado estacionario descrito por la solución de
Kerr.
En 1970, Brandon Carter, dio el primer paso
para la demostración de la anterior conjetura. Probó que, con tal de que un
agujero negro rotando de manera estacionaria tuviera un eje de simetría, como
una peonza, su tamaño y su forma sólo dependería
de su masa y de la velocidad de
rotación. Luego, en 1971, yo demostré
que cualquier agujero negro rotando de manera estacionaria siempre tendría un
eje de simetría. Finalmente, en 1973, David Robinson, usó el resultado de
Carter y el mío para demostrar que la conjetura era correcta: dicho agujero
negro tiene que ser verdaderamente la solución de Kerr. Así, después de un
colapso gravitatorio, un agujero negro se debe asentar en un estado en el que
puede rotar, pero no puede tener pulsaciones (es decir, aumentos y disminuciones
periódicas de su tamaño). Además, su tamaño y forma sólo dependerán de su masa
y velocidad de rotación, y no de la naturaleza del cuerpo que lo ha generado
mediante su colapso. Este resultado se dio a conocer con la frase: “Un agujero
negro no tiene pelo”. Se pueden hacer, modelos detallados de objetos que
podrían contener agujeros negros, y comparar las predicciones de estos modelos
co las observaciones. También implica que una gran cantidad de información sobre
el cuerpo colapsado se debe perder cuando se forma el agujero negro, porque después
de ello, todo lo que se puede medir del cuerpo es la masa y la velocidad de
rotación.
Los agujeros negros son un caso, entre unos
pocos en la historia de la ciencia, en el que la teoría se desarrolla en gran
detalle como un modelo matemático, antes de que haya ninguna evidencia a través
de las observaciones de que aquélla es correcta.
Nuevos estímulos sobre la existencia de
agujeros negros llegaron en 1967 con el descubrimiento, por Jocelyn Bell, de
objetos celestes que emitían pulsos regulares de ondas de radio. Fue la primera
evidencia positiva de que las estrellas de neutrones existían. Una estrella de
neutrones posee un radio de unos quince kilómetros, sólo una pequeña cantidad
de veces el radio crítico en que una estrella se convierte en un agujero.
John Michel señaló en 1783, un agujero negro
sigue ejerciendo una fuerza gravitatoria sobre los objetos cercanos. Los astrónomos
han observado muchos sistemas en los que dos estrellas giran en órbita una
alrededor de la otra, atraídas entre sí por la gravedad. También observan
sistemas en los que sólo existe una estrella visible que está girando alrededor
de algún compañero invisible. No se
puede, desde luego, llegar a la conclusión de que el compañero es un agujero
negro: podría ser simplemente una estrella que es demasiado débil para ser
vista. También son fuentes intensas de rayos X.
El número de agujeros negros es, casi con toda
certeza, muchísimo mayor; en la larga historia del universo, muchas estrellas
deben haber consumido todo su combustible nuclear, por lo que habrán tenido que
colapsarse. El número de agujeros negros podría ser incluso mayor que el número
de estrellas visibles, que contabiliza un total de unos cien mil millones sólo
en nuestra galaxia. La atracción gravitatoria extra de un número tan grande de
agujeros negros podría explicar por qué nuestra galaxia gira a la velocidad con
que lo hace. También tenemos alguna evidencia de que existe un agujero negro
mucho mayor, con una masa de aproximadamente cien mil veces la del Sol, en el
centro de nuestra galaxia. Las estrellas de la galaxia que se acerquen
demasiado a este agujero negro serán hechas añicos por la diferencia entre las
fuerzas gravitatorias en los extremos más lejano y cercano.
Se piensa que agujeros negros similares, pero
más grandes, con masas de unos cien millones de veces la del Sol, existen en el
centro de los quasars.
También se puede considerar la posibilidad de
que pueda haber agujeros negros con masas mucho menos que la del Sol. Estrellas
de tan poca masa pueden sostenerse a sí mismas con la fuerza de la gravedad,
incluso cuando hayan consumido todo su combustible nuclear.
John Sheeler calculó una vez que si se tomara
toda el agua pesada de todos los océanos del mundo, se podría construir una bomba
de hidrógeno que comprimiría tanto la materia en el centro que se formaría un
agujero negro. Una posibilidad más práctica es que tales agujeros de poca masa
podrían haberse formado en las altas temperaturas y presiones del universo en
una fase muy inicial. Los agujeros negros se habrían formado únicamente si el
universo inicialmente no hubiera sido liso y uniforme. Pero se sabe que deben haber existido algunas
irregularidades, porque de lo contrario, hoy en día, la materia en el universo
aún estaría distribuida perfectamente uniforme, en vez de estar agrupada
formando estrellas y galaxias.
El que las irregularidades requeridas para
explicar la existencia de las estrellas y delas galaxias hubieran sido
suficientes, o no, para la formación de un número significativo de agujeros
negros “primitivos”, depende claramente de las condiciones del universo
primitivo. Agujeros negros primitivos con masas de más de mil millones de
toneladas (la masa de una montaña grande) sólo podrían ser detectados por su
influencia gravitatoria sobre la materia visible, o en expansión del universo.
Los agujeros negros no son realmente negros después de todo: irradian como un
cuerpo cliente, y cuanto más pequeños más irradian. Así, paradójicamente, ¡los
agujeros negros más pequeños podrían realmente resultar más fáciles de detectar
que los grandes!
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