RESUMEN
Se presenta un proceso que intenta explicar cómo podrían formarse los agujeros negros. Según la descripción habitual, un agujero negro es el resultado final del colapso indefinido de una estrella de neutrones bajo su propia gravedad hasta convertirse en un punto que conserva la masa original de la estrella de neutrones. Además de este objeto, que podría denominarse "agujero negro puntual", se consideran otras dos posibilidades para la formación de agujeros negros, a los que llamamos "agujero negro material" y "agujero negro energético".
Un "agujero negro material" sería el resultado de que una estrella de neutrones se comprima más allá del límite conocido hasta convertirse en un cuerpo estable de naturaleza desconocida y altísima densidad del que ninguna luz puede escapar.
Un "agujero negro energético" sería el resultado de la conversión de toda la materia de una estrella de neutrones en energía radiante según la conocida ley de Einstein bajo ciertas condiciones, de manera que toda la cantidad de energía queda confinada y almacenada en una región esférica de dimensiones finitas debido a su propia gravedad. El motivo de la transformación son las enormes presiones que existen en el interior de la estrella de neutrones. Podríamos decir que un "agujero negro energético" es una burbuja de energía atrapada en su propia gravedad. Esta es la idea principal de este pequeño artículo.
EL AGUJERO NEGRO PUNTUAL
La formación de agujeros negros descrita habitualmente por los cosmólogos se explica como el colapso de una estrella de neutrones muy masiva que no puede frenar su contracción debido el principio de exclusión de Pauli aplicado a sus neutrones y por lo tanto la gravedad sigue comprimiendo la estrella. Al no conocerse fenómeno físico alguno capaz de frenar esta situación se postula que la estrella continúa colapsando hasta convertirse en una "singularidad" de dimensiones nulas, pero conservando toda su masa. De la singularidad no se sabe nada y el agujero negro propiamente dicho se define como una esfera imaginaria centrada en la singularidad, en cuya superficie la velocidad de escape es igual a la de la luz. El radio de esta esfera, se denomina "radio de Schwarzschild" y es proporcional a la masa de la estrella de neutrones de la que procede. Esta esfera sería, a todos los efectos, el agujero negro con su masa y su tamaño. Esta explicación, basada en una interpretación de una solución de las ecuaciones de Einstein parece inadecuada o al menos incompleta, porque el concepto de singularidad sólo tiene un sentido matemático pero no físico. Por eso sería interesante tratar de encontrar algún fenómeno físico capaz de frenar finalmente el colapso de una estrella de neutrones para convertirse en agujero negro.
EL AGUJERO NEGRO MATERIAL
Podríamos pensar que al colapsar la estrella de neutrones más allá del límite de Pauli tal vez alcanzase un nuevo y desconocido estado de agregación de la materia de altísima densidad, que por alguna razón resistiera el colapso y por lo cual la estrella se estabilizara para convertirse en un cuerpo material sumamente denso y caliente que sería el agujero negro. En este caso el radio de Schwarzschild podría ser, bien igual al radio del cuerpo material, puesto que sería su superficie de donde no podría escapar la radiación interior, o bien ser mayor, como en el caso de la singularidad. Podríamos definir así un agujero negro como un astro cuyo radio de Schwarzschild es mayor que su propio radio.
La descripción de este tipo de agujero negro y su generación es también en este caso insatisfactoria, porque no se conoce el material superdenso del que estaría formado este astro ni tampoco la causa produciría la detención del colapso, aunque este tipo de agujero negro también podría describirse como una solución de las ecuaciones de Einstein.
EL AGUJERO NEGRO ENERGÉTICO
En la búsqueda de algún otro fenómeno físico que pudiera constituir un límite para la contracción de la estrella de neutrones quizás la constancia de la velocidad de la luz podría ser ese límite si admitimos que toda la estrella pudiera convertirse en energía radiante. La energía misma tiene gravedad, y si por alguna razón una región del espacio contiene una cantidad de radiación suficientemente grande, su propia gravedad podría evitar que esa energía escapase de la región.
Para ello introducimos la conjetura de que la enorme presión en el centro de la estrella podría aniquilar los neutrones e iniciar de algún modo la conversión de estos neutrones (o de la materia central de la estrella) en energía. Si esto fuera cierto, esta conversión comenzaría en el núcleo de la estrella y tendería a expandirse y a comprimir las capas más externas, de modo que la conversión se propagaría rápidamente por toda la estrella desde el centro hacia la periferia y se produciría una explosión del tipo de las supernovas, liberándose toda la energía procedente de la conversión de la masa total de la estrella. Pero si la estrella de neutrones inicial fuese suficientemente masiva, entonces quizás esa conversion de su núcleo en energía podría ser más lenta y controlada mediante un equilibrio dinámico entre la expansión del núcleo y la compresión debida a la gravedad de las capas externas. Durante este equilibrio la zona central de la estrella iría ganando energía e iría creciendo, mientras que las capas externas irían perdiendo masa y decreciendo. Pero la energía central tiene también gravedad, la cual aumenta progresivamente a medida que diminuye la gravedad de la zona externa. Por eso, finalmente toda la estrella quedaría convertida en una nube de energía radiante atrapada por su propia gravedad, y su tamaño y forma estarían necesariamente determinadas por el radio de Schwarzschild, es decir, la radiación no podría superar esa distancia donde la velocidad de escape está limitada incluso para la luz.
Pero consideremos por otra parte que la radiación electromagnética se propaga siempre a la velocidad constante de la luz, tanto dentro como fuera de la nube. Entonces, ¿por qué la gravedad puede impedir que la radiación atraviese la superficie de la nube y escape al exterior? Dicho de otro modo: ¿cómo afecta la gravedad de la propia nube a la radiación interior para que esta no pueda escapar? La respuesta no puede ser otra que un corrimiento al rojo gravitatorio extremo. En la superficie de la nube la gravedad hace que cualquier frecuencia se anule y la radiación desaparece para el exterior. Sin embargo, la conservación de la energía en el interior de la nube exige que las ondas no desaparezcan en el interior. Esto sugiere que se reflejan en la superficie interior y recobran su frecuencia inicial. De este modo la nube conserva su energía y su presión de radiación sin extinguirse y se convierte en un objeto estable y permanente. Este objeto en forma de nube que no radia energía, tiene dimensiones finitas y mantiene en su interior una presión de radiación y una temperatura de valores altísimos sería lo que llamamos un "agujero negro energético".
EL CUERPO NEGRO
En general, las características de los agujeros negros son similares a las del cuerpo negro excepto que en aquellos no existe radiación exterior debido a su extrema gravedad. Pero ambos absorben totalmente cualquier radiación que incida sobre ellos y pueden ser representados por una cavidad cerrada con una densidad uniforme de energía electromagnética en su interior, por lo que podríamos decir que los agujeros negros son cuerpos negros dotados de un fuerte campo gravitatorio que impide su radiación como cuerpo negro.
RELACIÓN CON OTROS OBJETOS
A distancias relativamente grandes de un agujero negro, donde rigen las leyes de Newton y la velocidad de escape es pequeña un agujero negro se comporta como cualquier estrella. Así, por ejemplo, si se sustituyera el Sol por un agujero negro de igual masa, el movimiento de los planetas no sufriría cambios, aunque, eso sí, todo el sistema solar quedaría oscurecido y sin recibir calor ni radiación alguna. Pero a distancias cortas de un agujero negro donde el campo gravitatorio es fortísimo y las velocidades de caída se acercan al valor de la velocidad de la luz, las relaciones con otros objetos deben analizarse según leyes relativistas y esto no es fácil.
La naturaleza misteriosa de los agujeros negros plantea situaciones extrañas. Por ejemplo: ¿Qué ocurre cuando un objeto material pequeño cae sobre un agujero negro?
En principio, la respuesta es que el objeto atraviesa la esfera de Schwarzschild y es absorbido e integrado por el agujero negro, aumentando su masa. Sin embargo, se desconoce cómo se absorbe e integra. En el caso de un agujero negro puntual, el objeto tendría que cambiar de forma para poder entrar en la singularidad. En un agujero negro material, ambos objetos colapsan y se fusionan en un solo cuerpo. Y en el caso de un agujero negro energético, el objeto probablemente pueda convertirse en energía al entrar en la nube.
Otro caso curioso es cuando el objeto que cae sobre el agujero negro tiene un tamaño mucho mayor que el agujero negro, pero una masa mucho menor. Este sería el caso de la Tierra cayendo sobre un agujero negro cuya masa fuera igual a la masa del Sol. El radio de Schwarzschild de un agujero negro de una masa solar es de 3 km. La relación de diámetros entre la Tierra y este agujero negro es de 2.124 veces a favor de la Tierra. Sin embargo, la relación de masas es de 330.000 veces a favor del agujero negro. ¿Qué ocurriría en el choque, es decir, a partir del contacto de la superficie terrestre con la superficie de la esfera de Schwarzschild? A mi entender veo dos posibilidades, las dos extravagantes:
A) la Tierra se deforma y adelgaza por las fuerzas de marea al aproximarse al agujero negro y después de entrar en la esfera de Schwarzschild se adelgaza todavía más hasta alcanzar la singularidad, la cual engulle totalmente la masa de la Tierra.
B) Dada la altísima velocidad del choque y las grandes diferencias de tamaño y masa, el agujero negro penetra en la Tierra hasta cerca de su centro y desde allí la absorbe.
¿Qué ocurre cuando chocan entre si dos agujeros negros? En el caso de un agujero negro puntual (versión oficial) el choque es en realidad el contacto de las dos esferas de Schwarzschild. A partir de ese momento ambas esferas se fusionan hasta que las dos singularidades coinciden y el agujero negro resultante tiene de masa la suma de las dos masas anteriores. En el caso de dos agujeros negros materiales los dos cuerpos se fundirían en uno y el choque tendría lugar según leyes físicas relativistas teniendo en cuenta las fuerzas de marea y las altas velocidades.
Por último, en el caso de dos agujeros negros energéticos parece evidente que ambas nubes energéticas podrían mezclarse y fundirse en una más grande.
DATOS (tomados de Wikipedia)
Masa del Sol: 2xE30 kg
Margen posible de masas de estrellas de neutrones: entre 1,3 y 2,1 masas solares
Masa de agujeros negros;
- AN de 1,3 masas solares: 2,6xE30 kg
- AN de 2,1 masas solares: 4,2xE30 kg
Velocidad luz c=3xE8 m/s
Al cuadrado = c^2=9xE16 m^2/s^2
Energías equivalentes de agujeros negros (e=mc^2):
- AN de 1,3 masas solares: 2,3xE47 J
- AN de 2,1 masas solares: 3,8xE47 J
G=6,67xE-11 Nm^2/kg^2
Radios de Schwarzschild de agujeros negros (r= 2Gm/c^2)
- Sol: 3 km
- AN de 1,3 masas solares: 3,9 km
- AN de 2,1 masas solares: 6,3 km
Volúmenes de agujeros negros:
(4/3)x(PI)x(Radio_Schw.)^3
- AN de1,3 masas solares : 2,5xE11 m^3
- AN de 2,1 masas solarrs: 1,0xE12 m^3
¿Cuál es la presión en el interior de un agujero negro? La expresión general de la presión es p = fuerza/superficie y en un recinto cerrado p = energía/volumen. Por lo tanto, en el caso del agujero negro de 2,1 masas solares tenemos:
Presión interna de agujeros negros (p=e/v);
-AN de 2,1 masas solares: p = 3,8xE47/1,0xE12= 3,8xE35 Pa.
Como término de comparación tenemos que la presión de radiación estimada en el núcleo del Sol es de 2,65xE16 Pa. Es decir, es inferior en 20 órdenes de magnitud aproximadamente.
CONCLUSIÓN
Los agujeros negros son cuerpos extraños y desconocidos para la ciencia dado que su génesis no está todavía bien explicada. El concepto de "singularidad" es aceptado sin problemas por los cosmólogos, pero parece una invención para describir un ente imposible: un punto matemático dotado de masa física. Si, por el contrario, un agujero negro es un objeto material de altísima densidad, tampoco conocemos la naturaleza del material de está compuesto. Finalmente, si consiste en una burbuja inmaterial de energía radiante confinada por su propia gravedad, no conocemos el proceso de formación de esa burbuja a partir de una estrella de neutrones. Por todo esto podemos decir que los agujeros negros siguen siendo objetos fascinantes de naturaleza desconocida.
R. Chamón Cobos.
Octubre 2024.