Julio 04, 2023.
El término singularidad proviene de soluciones en las ecuaciones de Relatividad General (RG), en ellas aparecen términos difíciles de explicar, y otros que por ahora parecen inexplicables. Las soluciones nos dicen que pueden existir objetos masivos de todos los tamaños, lo cual incluye el hecho que sus radios (r) sean pequeños, muy pequeños y pueden tender a cero, r -> 0. En este límite infinitesimal aparece una operación matemática no viable, además de ser no evitable, es una división por cero que no tiene significado en física ni en matemáticas, esto es una singularidad. Al ser derivada de las ecuaciones de la Relatividad General (RG), también se acostumbra a llamarla singularidad gravitacional. Las soluciones expresan que la masa de un objeto puede estar concentrada en un volumen pequeño, muy pequeño y puede tender a cero.
En los Límites de la Física
Para un “objeto” de masa determinada, si el volumen se reduce la densidad aumenta, por lo cual la gravedad se incrementa, esto implica que la velocidad de escape de ese “objeto” se hace mayor. Para r -> 0, el volumen del “objeto” tiende a cero, y la densidad tiende a infinito al igual que la gravedad; en estas condiciones ninguna partícula (objeto material cualquiera) o radiación electromagnética pueden escapar del “objeto”. Al aumentar puntualmente la gravedad, la región del espacio-tiempo que ocupa el “objeto” sufre una severa alteración geométrica, en la cual queda envuelto el “objeto”. Bajo estas condiciones el “objeto” no es visible, ya que se encuentra hundido en una deformación del espacio-tiempo, y si emite radiación, ésta no puede escapar de él. Esto es una singularidad del espacio-tiempo, es un Agujero Negro.
El término singularidad se hace extensible a la naturaleza misma del “objeto”, debido a la altísima densidad, la materia está comprimida hasta niveles atómicos, ocasionando que los mismos átomos pierdan su estructura básica, electrones orbitales son capturados por protones, produciendo neutrones y neutrinos, pero más allá de esto no se sabe lo que sucede. La naturaleza del “objeto” se desconoce, si emite algún tipo de radiación cautiva no se sabe, el “objeto” es un cuerpo extraño en el borde de la física. El deformado espacio-tiempoque rodea y envuelve al “objeto” manteniéndolo oculto, se le llama Horizonte de Sucesos, es el límite que separa al Universo visible del Agujero Negro.
En un Agujero Negro la alteración gravitacional sobre la materia y sobre el espacio-tiempo es tan grande, que no se tiene certeza de lo que sucede en el Horizonte de Sucesos ni de la naturaleza del “objeto” que yace en él. Lo que se sabe de los Agujeros Negros es debido a la interacción que producen con el medio que los rodea; gas, polvo, materia estelar y cualquier objeto material o radiación electromagnética que trasciende el Horizonte de Sucesos, sufre espectaculares manifestaciones energéticas antes de desaparecer en la singularidad. La materia cae en espiral y se desgarra, produciendo emisiones de radiación electromagnética en todo el espectro, particularmente potentes emisiones de Rayos X duros. Se forman jets bipolares de partículas eléctricamente cargadas, las cuales son disparadas lejos del Agujero Negro a velocidades relativistas, que interactúan con el gas interestelar, produciendo más emisiones de radiación.
Alrededor de un Agujero Negro. La Ergosfera.
El espacio-tiempose deforma y la luz que pasa cerca se curva, de manera que la “singularidad” funciona como una Lente Gravitacional. Si la “singularidad” fue precedida por una Supernova, los restos de materia estelar forman un Disco de Acreción que orbita alrededor del Horizonte de Sucesos; materia que eventualmente caerá en el Agujero N. Si la “singularidad” es parte de un sistema estelar de dos o más miembros, es posible que una de las estrellas al inflamarse se acerque al Horizonte de Sucesos y parte de la materia estelar sea capturada por el Agujero Negro.
Si la “singularidad” no está rodeada por materia alguna, es my difícil verla, notarla, percibirla, es un auténtico agujero en el continuo espacio-tiempo, salvo por el efecto de Lente Gravitacional que produce.
Ellos lo Sabían
Los dramáticamente interesante de lo anterior es que desde hace un par de siglos, los físicos sabían que debían existir en el inmenso Cosmos objetos extraños y oscuros. En las soluciones de las ecuaciones de campo de la mecánica clásica, P.S. Laplace (s. XVIII) encontró una expresión que indicaba que podían existir objetos tan densos, que la velocidad de escape de su superficie sería igual o mayor que c. En la Relatividad General a principios del siglo XX también se obtuvo este resultado, en la maravillosa formulación en la cual la velocidad de la luz (c) es un máximo para las masas y un invariante, en donde los sistemas acelerados no se diferencian del efecto gravitatorio, y en donde el espacio y el tiempo son uno (espacio-tiempo); en esta más detallada formulación de la naturaleza del Universo, la existencia de los Agujeros Negros es mucho más clara. Finalmente en 1964 un cohete sonda Aerobee (USA) detectó a Cygnus X-1, el sistema estelar con el primer Agujero Negro confirmado.
Una Exótica Realidad
Los Agujeros Negros (AN) son el resultado de la evolución estelar y se producen sólo en estrellas cuyas masas sean mayores a la del Sol (Límite Chandrasekhar). Recordamos que las estrellas existen en un delicado equilibrio entre la Gravedad y la emisión termonuclear de energía, son explosiones controladas y suspendidas en la inmensidad del Cosmos. En las estrellas muy grandes y masivas, cuando disminuyen o terminan las reacciones de fusión, la Gravedad produce el colapso estelar, es una especie de implosión que hace que el volumen de la estrella se reduzca en extremo, produciendo una severa alteración gravitacional en la moribunda estrella y en su entorno. La una vez resplandeciente estrella es ahora una singularidad del espacio-tiempo, es un Agujero Negro.
Los ANs de Masa Estelar son el producto de estrellas cuyas masas son varias decenas de veces la masa del Sol. Estas estrellas terminan sus vidas en explosiones espectaculares de Novas y Supernovas lanzando al espacio sus capas exteriores, mientras la masa remanente al finalizar sus reacciones termonucleares implota, colapsando sobre sí misma.
Los ANs Supermasivos son singularidades producidas por “objetos” cuyas masas son miles o millones de veces la masa del Sol. Suelen encontrarse en los núcleos de galaxias, como el AN de la Vía Láctea, Sagitario A*, y el AN de M87; estos Agujeros Negros destacan por haber sido fotografiados por el Event Horizon Telescope.
Hasta ahora todos los ANs medidos muestran singularidades debidas a “objetos” supermasivos, superdensos, con masas que oscilan de decenas a millones de masas solares, concentradas en volúmenes que oscilan de millones a unos pocos kilómetros cúbicos, estos es, son volúmenes finitos, extraordinariamente pequeños, pero finitos. Aún no se tiene evidencia de singularidades cuyos radios sean cercanos o iguales a cero; las ecuaciones dicen que deben existir, pero para la física (por ahora) una enorme masa reducida a un punto, es difícil de manejar, es terra incognita.
Por OAGE
Referencias: NASA’s Goddard Space Flight Center.
Chandrasekhar, Subrahmanyan. Mathematical Theory of Black Holes.