Revelado: ¿Qué está pasando exactamente con el "agujero negro devorándose el sol"?

Un agujero negro es un cuerpo celeste con densidad infinita y volumen infinitamente pequeño que existe en el universo en la moderna teoría general de la relatividad. La gravedad de un agujero negro es tan fuerte que la velocidad de escape dentro del horizonte de sucesos es mayor que la velocidad de la luz.

En 1916, el astrónomo alemán Karl Schwarzschild (1873-1916) calculó una solución de vacío a la ecuación del campo gravitacional de Einstein. Esta solución demostró que si una gran cantidad de materia se concentra en un punto del espacio, se produce un fenómeno extraño. ocurrirá a su alrededor, es decir, hay una interfaz alrededor del punto de la partícula; una vez que el "horizonte de eventos" ingresa a esta interfaz, ni siquiera la luz puede escapar. Este "objeto increíble" fue denominado "agujero negro" por el físico estadounidense John Archibald Wheeler.

“Un agujero negro es un cuerpo celeste cuya curvatura del espacio-tiempo es tan grande que ni siquiera la luz puede escapar de su horizonte de sucesos”. [1][2][3] (las ondas electromagnéticas) tampoco pueden escapar.

Los agujeros negros no se pueden observar directamente, pero sí se puede conocer su existencia y masa de forma indirecta, y se puede observar su impacto en otras cosas. La información sobre la existencia de un agujero negro se puede obtener a través de la "información de borde" de los rayos gamma y los rayos gamma emitidos debido al alto calor antes de que el objeto sea absorbido. La existencia de agujeros negros también se puede inferir observando indirectamente las órbitas de estrellas o nubes interestelares para obtener su posición y masa.

La última teoría de investigación de los científicos muestra que cuando un agujero negro muere, puede convertirse en un "agujero blanco". A diferencia de un agujero negro que traga toda la materia cercana, expulsa toda la materia capturada por el agujero negro anterior. .

El agujero negro es un cuerpo celeste con una densidad extremadamente pequeña y una densidad extremadamente pequeña en la teoría general moderna de la relatividad. Los agujeros negros se crean por el colapso gravitacional de una estrella que es lo suficientemente masiva como para morir después de agotar su combustible en una reacción de fusión nuclear. La gravedad de un agujero negro es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. De hecho, un agujero negro no es "negro", solo que no se puede observar directamente, pero se puede conocer indirectamente su existencia y masa, y se puede observar su impacto en otras cosas.

Dos agujeros negros devorándose entre sí

Un agujero negro es una singularidad en el centro con densidad infinita, curvatura espacio-temporal infinitamente alta, volumen infinitamente pequeño y un área de cielo parcialmente vacía a su alrededor. No visible dentro del área. Según la teoría de la relatividad de Albert Einstein, cuando una estrella moribunda colapsa, convergerá en un punto que se convertirá en un agujero negro, tragándose toda la luz y cualquier materia de la región adyacente del universo.

El proceso de producción de un agujero negro es similar al proceso de producción de una estrella de neutrones: cuando una estrella se prepara para perecer, su núcleo rápidamente se contrae y colapsa bajo su propia gravedad, y se produce una poderosa explosión. Cuando toda la materia del núcleo se convierte en neutrones, el proceso de contracción se detiene inmediatamente y se comprime formando una estrella densa, que también comprime el espacio y el tiempo en su interior. Pero en el caso de un agujero negro, debido a que la masa del núcleo de la estrella es tan grande que el proceso de contracción continúa sin fin, los propios neutrones son triturados hasta convertirse en polvo bajo la atracción de la gravedad misma, y ​​lo que queda es un material con una densidad inimaginable. La fuerza gravitacional debida a su gran masa hace que cualquier objeto que se acerque a él sea absorbido por él.

También se puede entender de forma sencilla: normalmente las estrellas inicialmente contienen sólo hidrógeno, y los núcleos de hidrógeno dentro de la estrella chocan entre sí todo el tiempo y se fusionan. Debido a que la estrella es muy masiva, la energía generada por la fusión compite con la atracción gravitacional de la estrella para mantener la estabilidad de su estructura. Debido a la fusión de los núcleos de hidrógeno se produce un nuevo elemento, el helio. Luego, los átomos de helio también participan en la fusión, cambiando la estructura y generando litio. Por analogía, según el orden de la tabla periódica de elementos, se generarán en secuencia berilio, boro, carbono, nitrógeno, etc. Hasta que se genere hierro, la estrella colapsará. Esto se debe a que el elemento hierro es bastante estable y no libera energía cuando participa en la fusión. El elemento hierro existe dentro de la estrella, lo que hace que la estrella no tenga suficiente energía para competir con la atracción gravitacional de la estrella masiva, lo que hace que la estrella se mueva. colapsa y eventualmente forma un agujero negro. Se dice que es "negro" porque su densidad es infinita y la fuerza gravitacional resultante impide que la luz a su alrededor escape. Al igual que las estrellas de neutrones, los agujeros negros también evolucionan a partir de estrellas que son decenas o incluso cientos de veces más masivas que el Sol.

Cuando una estrella envejece, sus reacciones termonucleares han agotado el combustible del centro, y no se produce mucha energía en el centro. De esta forma, ya no tiene fuerza suficiente para soportar el enorme peso del caparazón. Por tanto, bajo la fuerte presión de la capa exterior, el núcleo comienza a colapsar, y la materia marchará imparable hacia el centro hasta formar finalmente una estrella con un volumen casi infinitamente pequeño y una densidad casi infinita. Y una vez que su radio se reduce hasta cierto punto (debe ser menor que el radio de Schwarzschild), la distorsión del espacio-tiempo causada por la masa impedirá que incluso la luz se emita hacia el exterior: nacerá un "agujero negro".

Acreción

Los agujeros negros suelen descubrirse porque acumulan gas a su alrededor para producir radiación, un proceso llamado acreción. La eficiencia del gas a alta temperatura que irradia energía térmica afectará seriamente las características geométricas y dinámicas del flujo de acreción. Se han observado discos delgados con mayor eficiencia radiativa, así como discos gruesos con menor eficiencia radiativa. A medida que los gases en acreción se acercan al agujero negro central, la radiación que producen contribuye a la rotación del agujero negro y, por tanto, al flujo del sistema material extendido central. La acreción es uno de los procesos más comunes en astrofísica y es responsable de muchas de las estructuras comunes que nos rodean. En el universo primitivo, las galaxias se formaban cuando el gas fluía hacia el centro de un pozo de potencial gravitacional creado por la materia oscura. Incluso hoy en día, las estrellas se forman por el colapso y la fragmentación de nubes de gas bajo su propia gravedad y luego por la acumulación de gas circundante. Los planetas (incluida la Tierra) también se forman alrededor de estrellas recién formadas mediante la acumulación de gas y rocas. Cuando el objeto central es un agujero negro, la acreción es más espectacular. Además de acumular materia, los agujeros negros también irradian partículas hacia el exterior mediante el proceso de evaporación de Hawking. [4]

Los agujeros negros se estiran, desgarran y tragan estrellas

Se evaporan

Dado que la densidad de los agujeros negros es extremadamente alta, según la fórmula que podemos Sepa que densidad = masa/volumen, para que la densidad del agujero negro sea infinita, significa que el volumen del agujero negro debe ser infinitamente pequeño, y luego la masa debe ser infinita, para que pueda convertirse en un agujero negro. Un agujero negro es una estrella muerta formada tras la "muerte" de algunas estrellas. Tiene una masa extremadamente masiva y un volumen muy pequeño. Pero los agujeros negros también morirán algún día. Según la teoría de Hawking, en la física cuántica existe un fenómeno llamado "efecto túnel", es decir, aunque la distribución de la intensidad del campo de una partícula sea lo más fuerte posible en lugares con baja energía. , incluso si la energía está en lugares bastante altos, la intensidad del campo seguirá estando distribuida. Para el límite del agujero negro, esta es una barrera potencial con una energía bastante alta, pero las partículas aún pueden salir.

Hawking también demostró que cada agujero negro tiene una temperatura determinada, y que la temperatura es inversamente proporcional a la masa del agujero negro. En otras palabras, la temperatura de un agujero negro grande es baja y la evaporación es débil; la temperatura de un agujero negro pequeño es alta y la evaporación es fuerte, similar a una explosión violenta. Un agujero negro equivalente a la masa del sol se evaporará en aproximadamente 1x10^66 años; un agujero negro equivalente a la masa de un asteroide se evaporará completamente en 1x10^-21 segundos. [1]

Destrucción

Los agujeros negros emitirán una luz deslumbrante, se reducirán de tamaño o incluso explotarán, expulsarán objetos y emitirán una luz deslumbrante. Cuando el físico británico Stephen Hawking hizo esta predicción en 1974, toda la comunidad científica quedó consternada.

La teoría de Hawking fue un salto en el pensamiento impulsado por la inspiración. Combinó la relatividad general y la teoría cuántica. Descubrió que el campo gravitacional alrededor de un agujero negro libera energía, consumiendo la energía y la masa del agujero negro al mismo tiempo. .

Una estrella es tragada por un agujero negro

Supongamos que se crearán un par de partículas en cualquier momento y en cualquier lugar. Las partículas creadas son partículas positivas y antipartículas si esta creación es. El proceso de nacimiento ocurre cerca de un agujero negro, ocurrirán dos situaciones: dos partículas son aniquiladas y una partícula es absorbida por el agujero negro. La situación de "una partícula siendo absorbida por un agujero negro": una de las antipartículas de un par de partículas creadas cerca del agujero negro será absorbida por el agujero negro, mientras que la partícula positiva escapará, ya que no se puede crear energía a partir de ella. En el aire, asumimos que la antipartícula transporta energía negativa. Las partículas positivas transportan energía positiva, y todos los procesos de movimiento de las antipartículas pueden considerarse como el proceso de movimiento opuesto de una partícula positiva. Por ejemplo, una antipartícula es absorbida por una. El agujero negro puede considerarse como una partícula positiva que se escapa del agujero negro.

Esta situación es cuando se escapa una partícula que transporta energía positiva del agujero negro, es decir, la energía total del agujero negro es menor. La fórmula de Einstein E = mc ^ 2 muestra que la pérdida de energía conducirá a la pérdida de masa.

A medida que la masa de un agujero negro se hace cada vez más pequeña, su temperatura aumentará cada vez más. Así, a medida que un agujero negro pierde masa, su temperatura y emisividad aumentan, por lo que pierde masa más rápido. Esta "radiación de Hawking" es insignificante para la mayoría de los agujeros negros, porque los agujeros negros grandes irradian relativamente lentamente, mientras que los agujeros negros pequeños irradian energía a velocidades extremadamente altas hasta que el agujero negro explota.

Según informan los medios británicos, una nueva teoría señala que un agujero negro puede morir transformándose en un agujero blanco. En teoría, un agujero blanco se comporta como lo opuesto a un agujero negro: un agujero negro sigue tragando materia, mientras que un agujero blanco sigue expulsando materia. Este descubrimiento fue informado por primera vez en el sitio web de una revista británica y su base teórica es la oscura teoría de la gravedad cuántica. [5]

Un agujero negro con fuerte gravedad.

La distorsión espacio-temporal de la estrella cambia el camino de la luz, haciéndolo diferente del camino original sin la estrella. La luz se desvía ligeramente hacia adentro cerca de la superficie de la estrella, y esta desviación se puede ver al observar la luz de estrellas distantes durante un eclipse solar. A medida que la estrella colapsa hacia adentro, la distorsión del espacio-tiempo causada por su masa se vuelve más fuerte y la luz se desvía con mayor fuerza hacia adentro, lo que dificulta que la luz escape de la estrella. Para un observador distante, la luz se vuelve más tenue y más roja. Finalmente, cuando la estrella se reduce a un cierto radio crítico (el radio de Schwarzschild), su masa hace que la distorsión del espacio-tiempo sea tan fuerte que la luz se desvía tanto hacia adentro que ya no puede escapar. De esta forma, si la luz no puede escapar, las demás cosas retrocederán aún menos. Es decir, hay un conjunto de eventos o una región del espacio-tiempo de la que ninguna luz ni nada puede escapar para llegar a un observador distante. Esa región se llama agujero negro. Su límite se llama horizonte de sucesos y coincide con la trayectoria de la luz que simplemente no puede escapar del agujero negro.

Comparados con otros cuerpos celestes, los agujeros negros son muy especiales. La gente no puede observarlo directamente y los científicos sólo pueden hacer varias conjeturas sobre su estructura interna. La razón por la que los agujeros negros se ocultan es el espacio-tiempo curvado. Según la relatividad general, el espacio-tiempo se curva bajo la influencia de un campo gravitacional. En este momento, aunque la luz todavía viaja por el camino óptico más corto entre dos puntos cualesquiera, se ha curvado relativamente. Al atravesar un cuerpo celeste denso, el espacio y el tiempo se curvarán y la luz se desviará de su dirección original.

En la Tierra, debido al pequeño efecto del campo gravitacional, la distorsión del espacio-tiempo es mínima. Alrededor de un agujero negro, esta deformación del espacio-tiempo es muy grande. De esta manera, incluso si una parte de la luz emitida por una estrella bloqueada por un agujero negro cae en el agujero negro y desaparece, la otra parte de la luz evitará el agujero negro en el espacio curvo y llegará a la Tierra. Al observar el cielo estrellado detrás de un agujero negro, es como si el agujero negro no existiera. Esta es la invisibilidad del agujero negro.

Lo que es más interesante es que no sólo la luz emitida por algunas estrellas hacia la Tierra puede llegar directamente a la Tierra, sino que la luz emitida en otras direcciones también puede ser refractada por la fuerte gravedad de los agujeros negros cercanos y alcanzar la tierra. De esta forma, no sólo podemos ver la "cara" de la estrella, sino también su "lado" e incluso su "parte trasera". Este es el efecto de "lente gravitacional" en el universo.

Esta imagen de banda infrarroja captura el centro de la Vía Láctea donde vivimos. Todas las estrellas de la Vía Láctea orbitan alrededor de un agujero negro supermasivo que puede existir en el centro de la Vía Láctea. Un nuevo estudio muestra que el agujero negro más masivo del universo puede haber comenzado a crecer rápidamente antes de lo que los científicos estimaron originalmente y todavía está acelerándose, informó Space Network.

Un equipo de astrónomos de la Universidad de Tel Aviv en Israel descubrió que el primer período de crecimiento rápido del agujero negro más masivo del universo ocurrió cuando el universo tenía alrededor de 1.200 millones de años, no entre 2 y 4 mil millones de años. como se pensaba anteriormente. Los astrónomos estiman que la edad del universo es de aproximadamente 13.820 millones de años.

Al mismo tiempo, este estudio también encontró que los agujeros negros más antiguos y masivos del universo también crecen muy rápidamente.

Los detalles de este descubrimiento se publicarán en el último número de The Astrophysical Journal.

Si el agujero negro es lo suficientemente grande, el astronauta comenzará a darse cuenta de que la gravedad que tira de sus pies es más fuerte que la gravedad que tira de su cabeza. Esta atracción lo arrastrará hacia abajo sin piedad, y la diferencia de gravedad disminuirá rápidamente. Aumentará de tamaño y lo destrozará, y eventualmente su cuerpo se hará pedazos y caerá en el núcleo infinitamente denso del agujero negro.

Puzinski, junto con dos de sus alumnos, Ahmed Amhari y James Sully, además de otro teórico de cuerdas de la escuela, Donald Maloof, han recalculado este evento. Según sus cálculos, surgió un escenario completamente diferente: los efectos cuánticos convertirían el horizonte de sucesos en una vorágine hirviente de partículas, y cualquier cosa que cayera en él chocaría contra una pared de llamas y se quemaría instantáneamente.

Informe de la NASA sobre un agujero negro supermasivo y su disco de material circundante. Grupos calientes de material (uno es rosa y el otro amarillo), cada uno aproximadamente del mismo tamaño que el sol, rodean el agujero negro. Operación orbital. Los científicos creen que existen agujeros negros supermasivos en el centro de todas las grandes galaxias. Los agujeros negros han estado devorando material llamado núcleos galácticos activos. La masa de un agujero negro es difícil de determinar porque está rodeado por un disco brillante y extremadamente caliente de material que cae. Según un nuevo artículo de investigación publicado la semana pasada en la revista Nature, la masa de los agujeros negros en los centros de 37 galaxias conocidas es en realidad menor de lo que se esperaba anteriormente, según los cálculos de la velocidad de rotación del material que orbita alrededor de los agujeros negros.

Se publicaron artículos relevantes en el famoso sitio web de preimpresión ArXiv y en la revista "Physics Letters B".

“Después de llegar a esta conclusión, incluso yo quedé muy sorprendida”. Laura Mercini-Houghton, profesora de física teórica de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, quien propuso esta teoría, dijo Describe tus sentimientos. Ella dijo: "Los científicos han estado estudiando este problema durante más de 50 años, y esta solución nos ha dado muchas ideas nuevas".

En 1974, Hawking concluyó mediante el método de la mecánica cuántica: los agujeros negros. No solo pueden absorber materia fuera del agujero negro, sino que también pueden "escupir" materia en forma de radiación térmica. Este fenómeno de la mecánica cuántica se llama radiación de Hawking.

La Physicist Organization Network informó el 25 de septiembre (hora de Beijing) que en el nuevo estudio, Messini-Houghton describió una solución completamente nueva. Ella y Hawking coincidieron en que la radiación de Hawking se produce cuando una estrella colapsa bajo su propia gravedad. Pero Messini-Houghton cree que después de emitir esta radiación, la estrella seguirá perdiendo masa. Debido a esto, es imposible que estas estrellas alcancen la densidad de masa necesaria para formar un agujero negro cuando colapsan. Ella cree que después de que la estrella moribunda experimente su expansión final, explotará y luego morirá. La singularidad nunca se formará y el horizonte de sucesos del agujero negro nunca aparecerá. No existe tal cosa como un agujero negro.

De hecho, ya a principios de este año, Hawking señaló a través de un artículo que los agujeros negros no existen en la teoría clásica. Admitió que su comprensión inicial del horizonte de sucesos era errónea y propuso. una nueva "teoría" del "agujero gris". Esta teoría sostiene que la materia y la energía serán liberadas nuevamente al universo después de quedar atrapadas en un agujero negro durante un período de tiempo.

La definición de agujero negro ha sido aceptada lentamente por la gente después de un largo período de especulación. Sin embargo, Hawking publicó un artículo a principios de este año negando la existencia de agujeros negros y en su lugar propuso la teoría del "agujero gris", lo que causó un gran revuelo en la comunidad física. Ahora, Mersini-Houghton afirmó sin rodeos que "no existe un agujero negro". Esto sin duda se ha convertido en otra bomba, aunque Mersini-Houghton es mucho menos famoso que Hawking. Por supuesto, no es fácil derribar la teoría existente por uno mismo y se necesita evidencia más convincente para respaldarla.

Clasificación de las propiedades físicas

Según las características físicas del El agujero negro en sí Los agujeros negros se pueden dividir en cinco categorías según su masa, momento angular y división de carga.

Un agujero negro no giratorio y sin carga: Su estructura espacio-temporal fue calculada por Schwarzschild en 1916, y se le llama agujero negro de Schwarzschild.

Un agujero negro cargado que no gira se llama agujero negro R-N.

La estructura del espacio-tiempo fue resuelta por Reissner y Nordstrom entre 1916 y 1918.

Agujero negro giratorio sin carga: llamado agujero negro de Kerr. Kerr descubrió la estructura del espacio-tiempo en 1963.

Agujeros negros generales: llamados agujeros negros de Kerr-Newman. La estructura del espacio-tiempo fue resuelta por Newman en 1965.

Agujero negro binario: Un agujero negro que forma una estrella binaria con otras estrellas.

Agujero negro de Kerr-Newman

Un agujero negro giratorio y cargado se llama agujero negro de Kerr-Newman. El horizonte del agujero negro y el plano de corrimiento al rojo infinito de esta estructura se separarán, y el horizonte se dividirá en dos (horizonte exterior r y horizonte interior r-), y el plano de corrimiento al rojo infinito también se dividirá en dos (rs y rs- ). El área entre el horizonte exterior y el plano infinito de corrimiento al rojo se llama ergosfera, donde se almacena la energía. Los objetos que cruzan el plano exterior de corrimiento al rojo infinito aún pueden escapar del agujero negro.