Basado en la teoría general de Einstein, que explica la gravitación con el hecho de que los cuerpos arquean o curvan el espacio o el tejido del espacio-tiempo en proporción a su masa, el físico Karl Schwarzschild sugirió en 1916 que los cuerpos, que tienen masas suficientemente grandes y grandes fuerzas gravitacionales, arquean y curvan el espacio a su alrededor por completo. Por lo tanto, son como agujeros en el espacio, o en el tejido del espacio-tiempo, ya que su gravedad impide que cualquier cosa, incluida la luz, escape de su entorno directo. Científicamente, esto se llama horizonte de sucesos. La velocidad requerida para escapar de él debería ser mayor que la de la luz. Por lo tanto, la luz no puede escapar del horizonte de sucesos. La ubicación rodeada por el horizonte de sucesos se llama región singular, donde las leyes conocidas de la física colapsan. Generalmente reconocemos la región singular y su entorno directo (el horizonte de sucesos) por el término “agujeros negros”.

Los agujeros negros generalmente se forman cuando una masa enorme —como la de una estrella grande que ha consumido su combustible nuclear y se ha colapsado por su propio peso— se concentra en una región del espacio suficientemente pequeña como para curvar por completo el tejido del espacio-tiempo. La región singular tiene volumen cero. Por esta razón, se considera que tiene una densidad infinita independientemente de su masa. El radio del horizonte de sucesos, es decir, los límites del agujero negro, del cual la luz no puede escapar, depende de la masa del agujero negro.

Las estrellas muy pesadas queman el hidrógeno para formar helio mucho más rápidamente que el Sol, hasta el punto que pueden agotar el hidrógeno en tan sólo unos pocos centenares de millones de años. Tras ello, las estrellas se enfrentan a una crisis. Pueden quemar helio y formar elementos más pesados, como por ejemplo carbono y oxígeno, pero estas reacciones nucleares no liberan mucha energía, de manera que las estrellas pierden calor y disminuye la presión térmica que las sostiene contra la gravedad. Por lo tanto, empiezan a contraerse. Si su masa es mayor que unas dos veces la masa solar, la presión nunca será suficiente para detener la contracción. Se colapsarán a tamaño cero y a densidad infinita para formar lo que llamamos una singularidad (Hawking 2001, “El universo en una cáscara de nuez, 120-121).

Los agujeros negros en el espacio han sido observados y registrados, ya sea por el movimiento de algunas estrellas a su alrededor cuando se acercan al horizonte del evento, o en la observación y grabación de un agujero negro devorando una estrella, como lo hicieron recientemente un grupo de científicos surcoreanos en el siglo XXI (euronews.com 2016).

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Figura 22: Ilustración de un agujero negro: En su base, aparece el punto de singularidad.

 

La Velocidad de Escape

La velocidad de escape es la velocidad que permite que un objeto escape de la atracción gravitacional de otro objeto. Por ejemplo, la velocidad de escape de la Tierra, o de la atracción gravitacional de la tierra, es de aproximadamente 12 km/s. Esta es significativamente menor que la velocidad de la luz, y es por eso que la luz se escapa de la tierra hacia el espacio que la rodea. Esto hace que la tierra sea visible para el observador externo. Este es el caso con respecto al sol y otras estrellas, pero no a los agujeros negros: su velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz y, por lo tanto, son oscuros y no se pueden ver.

El Horizonte de Sucesos

El horizonte de eventos es una superficie que separa la región del espacio-tiempo, de la cual la luz puede escapar, de la región de la cual la luz no puede escapar. Se considera que es un límite del agujero negro.

La Radiación del Agujero Negro

El título “La Radiación del Agujero Negro” parece contradecir lo que dijimos anteriormente, a saber, que la luz no escapa del horizonte de sucesos de un agujero negro. Por lo tanto, ¿cómo podemos decir ahora que un agujero negro emite radiación?

Esta es una teoría del físico teórico Stephen Hawking. Combina la teoría general de la relatividad y, en parte, la teoría cuántica. Establece que los agujeros negros no son completamente negros ya que hay radiación que el observador externo presencia que se emite desde el agujero negro. Es causada por las fluctuaciones cuánticas en el vacío (discutidas previamente) que son predichas por la mecánica cuántica de acuerdo con el principio de incertidumbre. De acuerdo con este principio, el espacio no puede estar completamente vacío porque eso significaría que las cantidades de campos tales como el campo electromagnético o gravitacional son exactamente cero y su tasa de cambio es cero, lo cual contradice al principio de incertidumbre.

Por lo tanto, de acuerdo con la mecánica cuántica, siempre hay pares de partículas virtuales que aparecen en un vacío, se encuentran y entonces se aniquilan mutuamente; o pares de partículas y antipartículas que aparecen y se aniquilan entre ellas debido a su colisión. Si aparecen el horizonte de sucesos de un agujero negro, o en una singularidad, y si, en lugar de colisionar entre sí y aniquilarse mutuamente, una de ellas cae al agujero negro debido a su atracción gravitacional, la otra partícula puede liberarse y escapar lejos del agujero negro. El observador externo la vería como radiación emitida por el agujero negro. Esto se denomina radiación de agujero negro. Algunos también la llaman radiación de Hawking, llamada así por su descubrimiento. Depende de la masa del agujero negro o de la singularidad en el universo actual, según la siguiente ecuación:

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De la ecuación anterior, encontramos que cuanto menor es la masa del agujero negro o la singularidad, mayor es la temperatura de la radiación del agujero negro. Para detectar, observar y documentar definitivamente esta radiación en el universo, se debe encontrar un pequeño agujero negro. Es decir, uno con una pequeña masa, para que su radiación sea lo suficientemente fuerte y lo suficientemente caliente como para destacarse de la radiación de fondo cósmico, que se extiende por el universo a 2,7 Kelvin. En términos generales, hasta la fecha, esta teoría ha sido probada con evidencia no experimental.

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Radiación de Hawking, y dónde y cómo se forma.

En presencia de un agujero negro, un miembro de un par de partículas puede caer al mismo, dejando libre al otro miembro, que puede escapar al infinito. A un observador lejano le parecerá que las partículas que escapan del agujero negro han sido radiadas por él. El espectro del agujero negro es exactamente el que esperaríamos de un cuerpo caliente, con una temperatura proporcional al campo gravitatorio en el horizonte —la frontera— del agujero negro. En otras palabras, la temperatura del agujero negro depende de su tamaño (Hawking 2001, “El universo en una cáscara de nuez”, 127-128).


Extracto del libro “La Ilusión del Ateísmo” de Ahmed AlHasan (a)

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