Tipos de agujeros negros
Hay cuatro tipos de agujeros negros según su masa: estelares, intermedios,
Los agujeros negros de masa estelar son pequeños pero mortales
La Vía Láctea contiene alrededor de cien millones de negrosagujeros que se formaron como resultado del colapso de estrellas muy masivas. Cada uno de estos agujeros negros estelares pesa aproximadamente 10 veces nuestro Sol. Muy pocos de estos agujeros negros están muy cerca de una estrella ordinaria que se derrama lentamente en un agujero negro. Cuando este gas cae hacia el agujero negro, se calienta mediante una fuerte gravedad y fricción. Cerca de un agujero negro, el gas alcanza una temperatura típica de 10 millones de grados Celsius. Estas fuentes de rayos X de los agujeros negros son fáciles de observar en toda la Vía Láctea, así como en galaxias cercanas, utilizando observatorios de rayos X en órbita.
Es de destacar que cualquier agujero negro completamentese describe con solo dos números que determinan su masa y velocidad de rotación. No conocemos nada más simple que una partícula elemental como un electrón. Los científicos de CFA han medido estos dos parámetros fundamentales, masa y espín, para más de una docena de agujeros negros estelares, estudiando todos los aspectos de estos agujeros negros y sus sistemas.
A pesar de su ubicuidad en el universo,los agujeros negros siguen siendo objetos extremadamente misteriosos. Necesitamos una teoría de la gravedad cuántica que combine la teoría de la relatividad de Einstein de 1916 con la teoría de la mecánica cuántica de 1926. Tal teoría no existe, a pesar de décadas de esfuerzos teóricos por parte de los físicos que estudian la teoría de cuerdas y otros. La creación de la teoría de la gravedad cuántica se convertirá en la corona de la física a la par con los logros de Newton, Einstein y otros gigantes.
Agujero negro de masa media (IMBH): atascado en el medio
Entre clases de agujeros negros de magnitud estelarY de supermasivo debe haber uno intermedio más. En cualquier caso, según las leyes de la lógica. ¿No debería haber agujeros negros de tamaño mediano que marquen la diferencia entre los agujeros negros de masa estelar y los agujeros negros supermasivos? Estas masas cósmicas promedio, que pueden oscilar entre 100 y 1 millón de masas solares (aunque el rango exacto varía según a quién se le pregunte), se denominan agujeros negros de masa intermedia (IMBH). Y aunque los astrónomos han encontrado varios candidatos convincentes para IMBH repartidos por todo el Universo, la cuestión de si realmente existen aún está sin resolver. Sin embargo, la evidencia comienza a acumularse.
Aunque prueba definitiva de existenciaEl IMBH sigue siendo difícil de alcanzar, con una serie de estudios en las últimas décadas que han descubierto evidencia intrigante que insinúa la existencia de estos agujeros negros no muy grandes ni muy pequeños.
Una ilustración de un agujero negro joven, como dos cuásares distantes sin polvo descubiertos recientemente por el Telescopio Espacial Spitzer. (Imagen cortesía de NASA / JPL-Caltech)
Por ejemplo, en 2003, los investigadores utilizaronEl Observatorio Espacial XMM-Newton de la ESA para identificar dos fuentes de rayos X fuertes y distintas en la cercana galaxia de explosión estelar NGC 1313. Porque los agujeros negros tienden a devorar violentamente el material que se acerca demasiado y arroja alto. -radiación energética, se encuentran entre las fuentes conocidas más potentes de radiación de rayos X. Al identificar las fuentes de rayos X en NGC 1313 y estudiar cómo se encienden periódicamente, en 2015, los investigadores pudieron limitar la masa de uno de los supuestos agujeros negros de la galaxia conocido como NGC 1313 X-1. Ellos estiman que esto es aproximadamente 5,000 veces la masa del Sol, más o menos, lo que lo coloca con confianza en el rango de masa de un agujero negro de masa intermedia.
De manera similar, en 2009, los investigadores descubrieronevidencia aún más sólida de la existencia de un agujero negro de tamaño mediano. Ubicada aproximadamente a 290 millones de años luz del borde de la galaxia ESO 243-49, el equipo observó una fuente de rayos X increíblemente brillante llamada HLX-1 (fuente de rayos X hiperluminosa 1), que no tiene contraparte óptica. Esto sugiere que el objeto observado no es sólo una estrella o una galaxia. Además, los investigadores descubrieron que la firma de rayos X de HLX-1 cambiaba con el tiempo, lo que sugiere que el agujero negro se vuelve más brillante cada vez que una estrella cercana se acerca a él, alimentando gas y provocando breves ráfagas de rayos X que luego se desvanecen lentamente. lejos. Basándose en el brillo de las llamaradas observadas, los investigadores calcularon que la masa mínima del agujero negro era unas 500 veces la masa del Sol, aunque algunas estimaciones sitúan su peso más cerca de las 20.000 masas solares.
Actualmente, los detectores de ondas gravitacionalesLIGO y Virgo se han unido para descubrir 20 agujeros negros de masa estelar que se fusionan para formar agujeros negros con masas de 20 a 80 masas solares. Aunque LIGO-Virgo no ha detectado ningún BH (más de 100 masas solares), los investigadores son optimistas sobre su detección en el futuro.
Agujero negro de Planck (Micro agujero negro)
Un agujero negro de Planck es un hipotético agujero negro con la masa más pequeña posible, que es igual a la masa de Planck.
La densidad de la materia de tal agujero negro esaproximadamente 1094 kg/m³ y es probablemente la densidad de masa máxima alcanzable. La física a tales escalas debe describirse mediante teorías de la gravedad cuántica que aún no se han desarrollado. Un objeto así es idéntico a una partícula elemental hipotética con (presumiblemente) la masa máxima posible: un maximón.
Los agujeros negros de Planck se caracterizan porpequeña sección transversal de interacción. La pequeñez de la sección transversal para la interacción de los maximones neutrales con la materia lleva al hecho de que una parte significativa (o incluso la principal) de la materia en el Universo en el momento actual podría consistir en maximones, sin llevar a una contradicción con las observaciones. En particular, los maximones podrían desempeñar el papel de materia invisible (materia oscura), cuya existencia se reconoce actualmente en cosmología.
Agujeros negros supermasivos: el nacimiento de gigantes
Pequeños agujeros negros habitan el universo, pero suprimos, agujeros negros supermasivos, dominan. Estos enormes agujeros negros son millones o incluso miles de millones de veces más masivos que el Sol, pero tienen aproximadamente el mismo tamaño de diámetro. Se cree que estos agujeros negros se encuentran en el centro de prácticamente todas las galaxias, incluida la Vía Láctea.
Los científicos no están seguros de cuán grandeagujeros negros. Una vez que estos gigantes se han formado, acumulan una masa de polvo y gas a su alrededor, un material abundante en el centro de las galaxias, lo que les permite crecer hasta alcanzar tamaños aún mayores.
El resultado podría ser agujeros negros supermasivosfusiones de cientos o miles de pequeños agujeros negros. Las grandes nubes de gas también pueden ser responsables de su colapso y rápido aumento de masa. ¿O es el colapso de un cúmulo de estrellas, un grupo de estrellas que caen juntas? Los agujeros negros supermasivos pueden surgir de grandes acumulaciones de materia oscura. Esta es una sustancia que podemos observar a través de su efecto gravitacional sobre otros objetos; sin embargo, no sabemos de qué está hecha la materia oscura porque no emite luz y no puede observarse directamente.
Una nueva clase de agujeros negros: “supermasivos” o enormes agujeros negros
Entonces, como ya sabemos, nuestro Universo contieneenormes agujeros negros. El agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia tiene una masa de 4 millones de soles, pero es bastante pequeño, como los agujeros negros galácticos. Muchos agujeros negros galácticos tienen una masa de mil millones de masas solares, y la masa del agujero negro más masivo conocido se estima en unos 70 mil millones de soles. Pero, ¿qué tan grande puede ser un agujero negro?
Para hacer que el agujero negro sea realmente masivodebe absorber una gran cantidad de la sustancia al comienzo de su vida. Si consume materia lentamente, la galaxia circundante caerá en su lugar y el universo se expandirá, de modo que el agujero negro no podrá capturar mucha más materia. Pero cuando un agujero negro engulle rápidamente una gran cantidad de materia, la materia se calienta mucho y tiende a repeler otra materia, lo que dificulta el crecimiento del agujero negro.
Basado en observaciones de los negros más grandesagujeros negros y simulaciones por computadora de la formación de agujeros negros, se cree que el límite superior de la masa de los agujeros negros galácticos es de aproximadamente 100 mil millones de masas solares. Pero una nueva investigación sugiere que el límite de masa podría ser mucho mayor.
En el trabajo de los científicos se observa que, aunqueLos agujeros negros galácticos probablemente tienen un límite de masa solar de cientos de miles de millones, los agujeros negros más grandes pueden haberse formado independientemente en las primeras etapas del universo. Estos agujeros negros primordiales pueden tener más de un millón de veces la masa de los agujeros negros galácticos más grandes. El equipo de investigación los llama agujeros negros increíblemente grandes o SLAB (agujeros negros tremendamente grandes).
La idea de los agujeros negros primordiales ha existido durante mucho tiempo.Se han propuesto como una solución para todo, desde la materia oscura hasta por qué aún no hemos descubierto un hipotético noveno planeta en nuestro sistema solar. Pero los modelos teóricos sugieren que los agujeros negros primordiales serían mucho más pequeños incluso que los agujeros negros de masa estelar formados a partir de pequeñas fluctuaciones de densidad en el universo temprano. Pero este nuevo estudio sugiere que la materia oscura y otros factores podrían causar un crecimiento colosal en algunos de ellos.
Si el universo primitivo fuera rico en oscuridadmateria, especialmente una forma de materia oscura conocida como partículas masivas de interacción débil (WIMP), entonces el agujero negro primordial podría consumir materia oscura para crecer rápidamente. Dado que la materia oscura no interactúa fuertemente con la luz, la materia oscura atrapada no emitirá mucha luz o calor para ralentizar su tasa de crecimiento. Como resultado, estos agujeros negros podrían haber sido enormes incluso antes de que el universo se enfriara y se formaran las galaxias. El límite de masa superior para SLAB dependerá de cómo la materia oscura WIMP interactúe consigo misma, por lo que si detectamos cualquier SLAB, podría ayudarnos a comprender la materia oscura.
¿Cómo puede la humanidad utilizar los agujeros negros?
La teoría de la relatividad predice queLos agujeros negros giratorios se pueden utilizar como fuentes de energía. En 1969, Roger Penrose describió un proceso para hacer esto. Hay una ergosfera alrededor de los agujeros negros en rotación, la región que precede al horizonte de eventos. Todos los cuerpos de la ergosfera giran con el agujero negro.
Proceso de Penrose (también llamado mecanismoPenrose) considera teóricamente los agujeros negros como un medio para extraer energía. Esta extracción puede ocurrir si la energía rotacional del agujero negro no se encuentra dentro del horizonte de sucesos, sino afuera, en la región del espacio-tiempo de Kerr. En esta ergosfera, cualquier partícula necesariamente se mueve en modo locomotor simultáneamente con la rotación del espacio-tiempo, es decir, todos los objetos que hay allí son arrastrados por él. En este caso, un trozo de materia que ingresa a la ergosfera se divide en dos partes. Por ejemplo, la materia puede constar de dos partes que se separan disparando un explosivo o un misil que separa sus mitades. El impulso de dos trozos de materia a medida que se separan se puede organizar de modo que un trozo escape del agujero negro ("se fue al infinito") y el otro caiga más allá del horizonte de sucesos hacia el agujero negro. Si se coloca con cuidado, la parte de la materia que se escapa puede tener mayor masa-energía que la original, mientras que la parte que cae recibe masa-energía negativa. Aunque se retiene el impulso, el efecto es que se puede extraer de este proceso más energía de la que se pretendía originalmente. Además, la diferencia la proporciona el propio agujero negro. El proceso produce así una ligera disminución del momento angular del agujero negro, lo que corresponde a una transferencia de energía a la materia. El impulso perdido, a su vez, se convierte en energía extraída.
El proceso de Penrose indica la posibilidadobtener energía de un agujero negro, pero no es un buen método práctico. Para su implementación, es necesario que dos partículas recién nacidas tengan una velocidad superior a la mitad de la velocidad de la luz. La frecuencia esperada de tales eventos es tan rara que no permitirá obtener una cantidad significativa de energía.
Por lo tanto, los científicos están buscando activamente otros mecanismos.Por ejemplo, Stephen Hawking demostró que los agujeros negros pueden liberar energía a través de la radiación térmica. Otra forma de extraer energía es el proceso Blanford-Znaek, basado en la interacción electromagnética.
Luca Comisso de la Universidad de Columbia y Felipe A. Asenjo de la Universidad Adolfo Ibáñez describen otra alternativa al proceso de Penrose en su artículo.
Los agujeros negros están rodeados de plasma caliente, partículasque tienen un campo magnético. La base de un nuevo mecanismo para obtener energía de los agujeros negros en rotación es la reconexión de las líneas del campo magnético dentro de la ergosfera. En este caso, el agujero negro debe estar en un campo magnético externo, tener un gran giro (a ~ 1) y el plasma circundante con una fuerte magnetización. Las propiedades necesarias las poseen, por ejemplo, los agujeros negros formados como resultado de estallidos largos y cortos de rayos gamma y los agujeros negros supermasivos en núcleos galácticos activos.
La reconexión magnética acelera parte del plasma haciala dirección de rotación del agujero. La otra parte acelera en la dirección opuesta y cae más allá del horizonte de eventos. La liberación de energía, como en el mecanismo de Penrose, ocurre si el plasma absorbido tiene energía negativa, y el acelerado “escapa” de la ergosfera. La diferencia es que la formación de partículas con energía negativa requiere la disipación de la energía del campo magnético. En el proceso descrito por Penrose, solo la inercia de las partículas juega un papel.
Como dicen los científicos, la eficiencia del proceso descrito es de 150por ciento. Esto significa que el proceso le permite obtener una vez y media más energía de la que necesita para su implementación. Es posible lograr una eficiencia de más del 100 por ciento, porque las partículas de plasma liberadas de la ergosfera se llevan la energía del agujero negro. El descubrimiento de un nuevo mecanismo para extraer energía de los agujeros negros permitirá a los astrónomos estimar mejor su momento de rotación y comprender cómo irradian energía. El descubrimiento aún está lejos de ser una aplicación práctica: es necesario descubrir cómo volar al agujero negro y colocar algo en su ergosfera sin caer más allá del horizonte de eventos.
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