Contorno de los agujeros negros

Descripción general y guía temática sobre los agujeros negros

El siguiente esquema se ofrece como descripción general y guía temática sobre los agujeros negros:

Agujero negro : región matemáticamente definida del espacio-tiempo que exhibe una atracción gravitatoria tan fuerte que ninguna partícula o radiación electromagnética puede escapar de su interior. La teoría de la relatividad general predice que una masa suficientemente compacta puede deformar el espacio-tiempo para formar un agujero negro. El límite de la región de la que no es posible escapar se llama horizonte de sucesos . Aunque cruzar el horizonte de sucesos tiene un efecto enorme en el destino del objeto que lo cruza, parece no tener características detectables localmente. En muchos sentidos, un agujero negro actúa como un cuerpo negro ideal , ya que no refleja luz. Además, la teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo curvo predice que los horizontes de sucesos emiten radiación de Hawking , con el mismo espectro que un cuerpo negro de una temperatura inversamente proporcional a su masa. Esta temperatura es del orden de milmillonésimas de kelvin para los agujeros negros de masa estelar, lo que hace que sea esencialmente imposible de observar.

Quétipo¿Qué cosa es un agujero negro?

Un agujero negro se puede describir de todas las siguientes maneras:

• Objeto astronómico
  • Cuerpo negro
  • Estrella colapsada

Tipos de agujeros negros

• Métrica de Schwarzschild : En la teoría de la relatividad general de Einstein, la solución de Schwarzschild, llamada así en honor a Karl Schwarzschild, describe el campo gravitacional fuera de una masa esférica, sin carga y no giratoria, como una estrella, un planeta o un agujero negro.
• Agujero negro giratorio : agujero negro que posee momento angular de giro.
• Agujero negro cargado : agujero negro que posee carga eléctrica.
• Agujero negro virtual : agujero negro que existe temporalmente como resultado de una fluctuación cuántica del espacio-tiempo.

Tipos de agujeros negros, por tamaño

• Microagujero negro : se prevé que sean agujeros negros diminutos, también llamados agujeros negros mecánicos cuánticos o miniagujeros negros, en los que los efectos mecánicos cuánticos desempeñan un papel importante. Es posible que hayan surgido como agujeros negros primordiales .
• Agujero negro extremo : agujero negro con la mínima masa posible que puede ser compatible con una carga y un momento angular determinados.
  • Electrón de agujero negro : si existiera un agujero negro con la misma masa y carga que un electrón, compartiría muchas de las propiedades del electrón, incluido el momento magnético y la longitud de onda Compton.
• Agujero negro estelar : agujero negro formado por el colapso gravitacional de una estrella masiva. ^[1] Tienen masas que varían entre aproximadamente tres y varias decenas de masas solares.
• Agujero negro de masa intermedia : agujero negro cuya masa es significativamente mayor que la de los agujeros negros estelares pero mucho menor que la de los agujeros negros supermasivos.
• Agujero negro supermasivo : el tipo de agujero negro más grande de una galaxia, del orden de cientos de miles a miles de millones de masas solares.
• Cuásar : núcleo galáctico activo, muy energético y distante.
  • Núcleo galáctico activo : región compacta en el centro de una galaxia que tiene una luminosidad mucho mayor que la normal en al menos una parte, y posiblemente todo, del espectro electromagnético.
  • Blazar : cuásar muy compacto asociado con un presunto agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia elíptica gigante activa.

Agujeros negros específicos

• Lista de agujeros negros : lista incompleta de agujeros negros organizados por tamaño; algunos elementos de esta lista son galaxias o cúmulos de estrellas que se cree que están organizados alrededor de un agujero negro.

Exploración de agujeros negros

• Rossi X-ray Timing Explorer : satélite que observa la estructura temporal de las fuentes de rayos X astronómicos, llamado así en honor a Bruno Rossi.

Formación de agujeros negros

• Evolución estelar : proceso por el cual una estrella experimenta una secuencia de cambios radicales a lo largo de su vida.
• Colapso gravitacional : caída hacia adentro de un cuerpo debido a la influencia de su propia gravedad.
• Estrella de neutrones : tipo de remanente estelar que puede resultar del colapso gravitacional de una estrella masiva durante un evento de supernova Tipo II, Tipo Ib o Tipo Ic.
• Estrellas compactas : enanas blancas, estrellas de neutrones, otras estrellas densas exóticas y agujeros negros.
  • Estrella de quarks : tipo hipotético de estrella exótica compuesta de materia de quarks o materia extraña.
  • Estrella exótica : estrella compacta compuesta de algo distinto de electrones, protones y neutrones, equilibrada contra el colapso gravitacional mediante la presión de degeneración u otras propiedades cuánticas.
• Límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff : límite superior de la masa de las estrellas compuestas de materia degenerada por neutrones.
• Enana blanca , también llamada enana degenerada, es una estrella pequeña compuesta principalmente de materia degenerada en electrones.
• Supernova : explosión estelar más energética que una nova.
• Hipernova , también conocida como supernova tipo Ic, se refiere a una estrella inmensamente grande que colapsa al final de su vida útil.
• Estallido de rayos gamma : destellos de rayos gamma asociados a explosiones extremadamente energéticas que se han observado en galaxias distantes.

Propiedades de los agujeros negros

• Disco de acreción : estructura (a menudo un disco circunestelar) formada por material difuso en movimiento orbital alrededor de un cuerpo central masivo, normalmente una estrella. Los discos de acreción de los agujeros negros irradian en la parte de rayos X del espectro.
• Termodinámica de agujeros negros : área de estudio que busca reconciliar las leyes de la termodinámica con la existencia de horizontes de eventos de agujeros negros.
• Radio de Schwarzschild : distancia desde el centro de un objeto tal que, si toda la masa del objeto se comprimiera dentro de esa esfera, la velocidad de escape de la superficie sería igual a la velocidad de la luz.
• Relación M–sigma : correlación empírica entre la dispersión de la velocidad estelar de un bulbo galáctico y la masa M del agujero negro supermasivo en ${\displaystyle \sigma }$
• Horizonte de eventos : límite en el espacio-tiempo más allá del cual los eventos no pueden afectar a un observador externo.
• Oscilación cuasiperiódica : forma en que la luz de rayos X de un objeto astronómico parpadea en ciertas frecuencias.
• Esfera de fotones : región esférica del espacio donde la gravedad es lo suficientemente fuerte como para que los fotones se vean obligados a viajar en órbitas.
• Ergosfera : región situada fuera de un agujero negro giratorio.
• Radiación de Hawking : radiación de cuerpo negro que se prevé que emitan los agujeros negros debido a efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos. ^[2]
• Proceso de Penrose : proceso teorizado por Roger Penrose mediante el cual se puede extraer energía de un agujero negro giratorio.
• Acreción de Bondi : acreción esférica sobre un objeto.
• Espaguetificación : estiramiento vertical y compresión horizontal de objetos en formas largas y delgadas en un campo gravitacional muy fuerte, y es causado por fuerzas de marea extremas.
• Lente gravitacional : distribución de materia entre una fuente distante y un observador, que es capaz de curvar la luz de la fuente a medida que viaja hacia el observador.

Historia de los agujeros negros

Historia de los agujeros negros

• Cronología de la física de los agujeros negros – Cronología de la física de los agujeros negros
• John Michell – geólogo que propuso por primera vez la idea de las “estrellas oscuras” en 1783 ^[3]
  • Estrella oscura
• Pierre-Simon Laplace – teórico matemático temprano (1796) de la idea de los agujeros negros ^{[4] [5]}
• Albert Einstein – en 1915, llegó a la teoría de la relatividad general
• Karl Schwarzschild – describió el campo gravitacional de una masa puntual en 1915 ^[6]
• Subrahmanyan Chandrasekhar – en 1931, utilizando la relatividad especial, postuló que un cuerpo no giratorio de materia degenerada en electrones por encima de una cierta masa límite (ahora llamada límite de Chandrasekhar en 1,4 masas solares) no tiene soluciones estables.
• El límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff , un límite más alto que el límite de Chandrasekhar por encima del cual las estrellas de neutrones seguramente colapsarían aún más, fue predicho en 1939, junto con una descripción del mecanismo por el cual se podía producir un agujero negro.
• David Finkelstein – identificó la superficie de Schwarzschild como un horizonte de eventos
• Roy Kerr – En 1963, encontró la solución exacta para un agujero negro giratorio
• Stephen Hawking y Roger Penrose demuestran que pueden ocurrir singularidades globales y que los agujeros negros no son un artefacto matemático a finales de la década de 1960.
• Cygnus X-1 , descubierto en 1964, fue el primer objeto astrofísico comúnmente aceptado como un agujero negro después de otras observaciones a principios de la década de 1970.
• James Bardeen y Jacob Bekenstein formulan la termodinámica de los agujeros negros junto con Hawking y otros a principios de la década de 1970.
• Hawking predice la radiación de Hawking en 1974 como consecuencia de la termodinámica de los agujeros negros.
• La Colaboración Científica LIGO anuncia la primera detección de una fusión de agujeros negros mediante observaciones de ondas gravitacionales el 11 de febrero de 2016.
• El Event Horizon Telescope observa el agujero negro supermasivo en el centro galáctico de Messier 87 en 2017, lo que llevó a la primera imagen directa de un agujero negro que se publicó el 10 de abril de 2019.

Modelos de agujeros negros

• La singularidad gravitacional , o singularidad del espacio-tiempo, es un lugar donde las cantidades que se utilizan para medir el campo gravitacional se vuelven infinitas de una manera que no depende del sistema de coordenadas.
  • Teoremas de singularidad de Penrose-Hawking : conjunto de resultados de la relatividad general que intentan responder a la pregunta de cuándo la gravitación produce singularidades.
• Agujero negro primordial : tipo hipotético de agujero negro que se forma no por el colapso gravitacional de una estrella grande, sino por la densidad extrema de materia presente durante la expansión temprana del universo.
• Gravastar : objeto planteado en astrofísica como alternativa a la teoría del agujero negro por Pawel Mazur y Emil Mottola.
• Estrella oscura (mecánica newtoniana) : objeto teórico compatible con la mecánica newtoniana que, debido a su gran masa, tiene una velocidad de escape superficial igual o superior a la velocidad de la luz.
• Estrella de energía oscura
• Estrella negra (gravedad semiclásica) : objeto gravitacional compuesto de materia.
• Objeto magnetosférico en colapso eterno : alternativas propuestas a los agujeros negros defendidas por Darryl Leiter y Stanley Robertson.
• Bola de pelusa (teoría de cuerdas) : algunos científicos que se ocupan de la teoría de supercuerdas teorizan que es la verdadera descripción cuántica de los agujeros negros.
• Agujero blanco : región hipotética del espacio-tiempo a la que no se puede acceder desde el exterior, pero de la que la materia y la luz tienen la capacidad de escapar.
• Singularidad desnuda : singularidad gravitacional sin horizonte de sucesos.
• Singularidad de anillo : describe la singularidad gravitacional cambiante de un agujero negro giratorio, o un agujero negro de Kerr, de modo que la singularidad gravitacional adquiere la forma de un anillo.
• Parámetro de Immirzi : coeficiente numérico que aparece en la gravedad cuántica de bucles, una teoría no perturbativa de la gravedad cuántica.
• Paradigma de membrana : método de "modelo de juguete" o "enfoque de ingeniería" útil para visualizar y calcular los efectos predichos por la mecánica cuántica para la física exterior de los agujeros negros, sin utilizar principios o cálculos mecánicos cuánticos.
• Kugelblitz (astrofísica) : concentración de luz tan intensa que forma un horizonte de sucesos y queda atrapada en sí misma: según la relatividad general, si se dirige suficiente radiación a una región, la concentración de energía puede deformar el espacio-tiempo lo suficiente para que la región se convierta en un agujero negro.
• Agujero de gusano : característica topológica hipotética del espacio-tiempo que sería, fundamentalmente, un “atajo” a través del espacio-tiempo.
• Cuasi-estrella : tipo hipotético de estrella extremadamente masiva que pudo haber existido muy temprano en la historia del Universo.
• Red neuronal de agujero negro

Cuestiones relativas a los agujeros negros

• Teorema de no tener pelo : postula que todas las soluciones de agujero negro de las ecuaciones de Einstein-Maxwell de gravitación y electromagnetismo en la relatividad general pueden caracterizarse completamente mediante solo tres parámetros clásicos observables externamente : masa, carga eléctrica y momento angular.
• Paradoja de la información del agujero negro : resultado de la combinación de la mecánica cuántica y la relatividad general.
• Hipótesis de la censura cósmica : dos conjeturas matemáticas sobre la estructura de las singularidades que surgen en la relatividad general.
• Modelos de agujeros negros no singulares : teoría matemática de los agujeros negros que evita ciertos problemas teóricos con el modelo de agujero negro estándar, incluida la pérdida de información y la naturaleza no observable del horizonte de eventos del agujero negro.
• Principio holográfico : propiedad de la gravedad cuántica y de las teorías de cuerdas que establece que la descripción de un volumen de espacio puede considerarse codificada en un límite de la región, preferiblemente un límite similar a la luz, como un horizonte gravitacional. ^{[7] [8]}
• Complementariedad de los agujeros negros : solución conjeturada a la paradoja de la información de los agujeros negros, propuesta por Leonard Susskind ^{[ cita requerida ]} y Gerard 't Hooft. ^[9]

Métricas de agujeros negros

• Métrica de Schwarzschild : describe el campo gravitacional fuera de una masa esférica, sin carga y no giratoria, como una estrella, un planeta o un agujero negro.
• Métrica de Kerr : describe la geometría del espacio-tiempo vacío alrededor de un agujero negro giratorio y sin carga (axialmente simétrico con un horizonte de eventos que topológicamente es una esfera)
• Métrica de Reissner-Nordström : solución estática de las ecuaciones de campo de Einstein-Maxwell, que corresponde al campo gravitacional de un cuerpo cargado, no giratorio y esféricamente simétrico de masa M.
• Métrica de Kerr-Newman : solución de las ecuaciones de Einstein-Maxwell en relatividad general, que describe la geometría del espacio-tiempo en la región que rodea una masa cargada y giratoria.

Objetos astronómicos, incluido un agujero negro.

• Sistema estelar hipercompacto : cúmulo denso de estrellas alrededor de un agujero negro supermasivo que ha sido expulsado del centro de su galaxia anfitriona.

Personas influyentes en la investigación de los agujeros negros

• Stephen Hawking
• Jacob Bekenstein - por la fundación de la termodinámica de los agujeros negros y la elucidación de la relación entre la entropía y el área del horizonte de eventos de un agujero negro.
• Karl Schwarzschild - encontró una solución a las ecuaciones de la relatividad general que caracteriza a un agujero negro.
• J. Robert Oppenheimer - por el descubrimiento del límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff y su trabajo con Hartland Snyder que muestra cómo podría desarrollarse un agujero negro.
• Roger Penrose - demostró, junto con Hawking, que pueden existir singularidades globales.
• Albert Einstein - llegó a la teoría de la relatividad general; publicó un artículo en 1939 argumentando que los agujeros negros en realidad no pueden existir.

Véase también

• Esquema de astronomía
  • Esquema de la ciencia espacial

Referencias

1. Hughes, Scott A. (2005). "Confiar pero verificar: el caso de los agujeros negros astrofísicos". arXiv : hep-ph/0511217 .
2. Una breve historia del tiempo , Stephen Hawking, Bantam Books, 1988.
3. Michell, J. (1784). "Sobre los medios para descubrir la distancia, magnitud, etc. de las estrellas fijas, como consecuencia de la disminución de la velocidad de su luz, en caso de que se encuentre que tal disminución tiene lugar en cualquiera de ellas, y se obtengan otros datos a partir de observaciones, según sea necesario para ese propósito". Philosophical Transactions of the Royal Society . 74 : 35–57. Bibcode :1784RSPT...74...35M. doi : 10.1098/rstl.1784.0008 . JSTOR  106576.
4. Gillispie, CC (2000). Pierre-Simon Laplace, 1749-1827: una vida en la ciencia exacta. Princeton paperbacks. Princeton University Press. p. 175. ISBN 978-0-691-05027-0.
5. Israel, W. (1989). "Estrellas oscuras: la evolución de una idea". En Hawking, SW; Israel, W. (eds.). 300 años de gravitación . Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-37976-2.
6. Schwarzschild, K. (1916). "Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften (en alemán). 7 : 189-196. Código Bib :1916SPAW.......189S.
   Schwarzschild, K. (1916). "Über das Gravitationsfeld eines Kugel aus inkcompressibler Flüssigkeit nach der Einsteinschen Theorie". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften (en alemán). 18 : 424–434. Código bibliográfico : 1916skpa.conf..424S.
7. Conferencia Sajarov sobre Física, Moscú, (91):447-454
8. Bousso, Raphael (2002). "El principio holográfico". Reseñas de física moderna . 74 (3): 825–874. arXiv : hep-th/0203101 . Código Bibliográfico :2002RvMP...74..825B. doi :10.1103/RevModPhys.74.825. S2CID  55096624.
9. 't Hooft, G. (1985). "Sobre la estructura cuántica de un agujero negro". Física nuclear B . 256 : 727–745. Código Bibliográfico :1985NuPhB.256..727T. doi :10.1016/0550-3213(85)90418-3.
   't Hooft, G. (1990). "La interpretación del agujero negro de la teoría de cuerdas". Física nuclear B . 335 (1): 138–154. Código Bibliográfico :1990NuPhB.335..138T. doi :10.1016/0550-3213(90)90174-C.

Enlaces externos

• Agujeros negros en In Our Time de la BBC
• Enciclopedia de Filosofía de Stanford : "Singularidades y agujeros negros" de Erik Curiel y Peter Bokulich.
• Agujeros negros: la atracción implacable de la gravedad: sitio web multimedia interactivo sobre la física y la astronomía de los agujeros negros del Space Telescope Science Institute
• Preguntas frecuentes sobre los agujeros negros
• "Geometría de Schwarzschild"

Vídeos

• Estudio de 16 años rastrea estrellas que orbitan el agujero negro de la Vía Láctea
• Película del candidato a agujero negro del Instituto Max Planck
• Nature.com 20 de abril de 2015 Simulaciones en 3D de agujeros negros en colisión
• Visualización por ordenador de la señal detectada por LIGO
• Dos agujeros negros se fusionan en uno (según la señal GW150914)