¿Estamos viviendo dentro de un agujero negro? La estructura y la vida del universo El universo está en un agujero negro.
S. TRANKOVSKY
Entre los problemas más importantes e interesantes de la física y la astrofísica modernas, el académico V. L. Ginzburg nombró cuestiones relacionadas con los agujeros negros (ver Science and Life, Nos. 11, 12, 1999). La existencia de estos extraños objetos se predijo hace más de doscientos años, las condiciones que llevaron a su formación se calcularon con precisión a finales de los años 30 del siglo XX y la astrofísica se enfrentó a ellas hace menos de cuarenta años. Hoy en día, las revistas científicas de todo el mundo publican cada año miles de artículos sobre agujeros negros.
La formación de un agujero negro puede ocurrir de tres maneras.
Así es como se acostumbra representar los procesos que tienen lugar en las proximidades de un agujero negro que colapsa. A medida que pasa el tiempo (Y), el espacio (X) a su alrededor (área sombreada) se reduce hacia la singularidad.
El campo gravitatorio de un agujero negro introduce fuertes distorsiones en la geometría del espacio.
Un agujero negro, invisible a través de un telescopio, se revela solo por su influencia gravitacional.
En el poderoso campo gravitatorio de un agujero negro nacen pares partícula-antipartícula.
El nacimiento de un par partícula-antipartícula en el laboratorio.
CÓMO APARECEN
Un cuerpo celeste luminoso, que tenga una densidad igual a la de la Tierra, y un diámetro doscientas cincuenta veces mayor que el diámetro del Sol, debido a la fuerza de su atracción, no permitirá que su luz nos alcance. Así, es posible que los cuerpos luminosos más grandes del universo, precisamente por su tamaño, permanezcan invisibles.
Pierre Simón Laplace.
Presentación del sistema del mundo. 1796
En 1783, el matemático inglés John Mitchell, y trece años más tarde independientemente de él, el astrónomo y matemático francés Pierre Simon Laplace realizaron un estudio muy extraño. Consideraron las condiciones bajo las cuales la luz no podría salir de una estrella.
La lógica de los científicos era simple. Para cualquier objeto astronómico (planeta o estrella), se puede calcular la llamada velocidad de escape, o segunda velocidad cósmica, que permite que cualquier cuerpo o partícula abandone para siempre. Y en la física de entonces reinaba la teoría newtoniana, según la cual la luz es un flujo de partículas (casi ciento cincuenta años antes de la teoría de las ondas electromagnéticas y los cuantos). La velocidad de escape de las partículas se puede calcular sobre la base de la igualdad de la energía potencial en la superficie del planeta y la energía cinética del cuerpo "escapando" a una distancia infinitamente grande. Esta velocidad está determinada por la fórmula #1#
Dónde METRO es la masa del objeto espacial, R es su radio, GRAMO es la constante gravitacional.
A partir de aquí, se obtiene fácilmente el radio de un cuerpo de una masa dada (más tarde llamado "radio gravitacional"). r g "), a la que la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz:
Esto significa que una estrella comprimida en una esfera con radio r gramo< 2GM/C 2 dejará de emitir, la luz no podrá dejarlo. Aparecerá un agujero negro en el universo.
Es fácil calcular que el Sol (su masa es de 2,1033 g) se convertirá en un agujero negro si se encoge a un radio de unos 3 kilómetros. La densidad de su sustancia en este caso alcanzará 10 16 g/cm 3 . El radio de la Tierra, comprimido al estado de un agujero negro, disminuiría a aproximadamente un centímetro.
Parecía increíble que se pudieran encontrar fuerzas en la naturaleza que pudieran comprimir una estrella a un tamaño tan insignificante. Por lo tanto, las conclusiones del trabajo de Mitchell y Laplace durante más de cien años se consideraron algo así como una paradoja matemática que no tiene significado físico.
Una prueba matemática rigurosa de que un objeto tan exótico en el espacio es posible se obtuvo solo en 1916. El astrónomo alemán Karl Schwarzschild, después de analizar las ecuaciones de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, obtuvo un resultado interesante. Habiendo estudiado el movimiento de una partícula en el campo gravitatorio de un cuerpo masivo, llegó a la conclusión de que la ecuación pierde su significado físico (su solución tiende al infinito) cuando r= 0 y r = r gramo.
Los puntos en que las características del campo pierden su significado se llaman singulares, es decir, especiales. La singularidad en el punto cero refleja un punto, o lo que es lo mismo, una estructura de campo centralmente simétrica (después de todo, cualquier cuerpo esférico -una estrella o un planeta- puede representarse como un punto material). Y los puntos situados sobre una superficie esférica de radio r g , forman la misma superficie desde la cual la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz. En la teoría general de la relatividad, se llama la esfera singular de Schwarzschild o el horizonte de eventos (por qué, se aclarará más adelante).
Ya en el ejemplo de los objetos que nos son familiares, la Tierra y el Sol, está claro que los agujeros negros son objetos muy extraños. Incluso los astrónomos que se ocupan de la materia a temperaturas, densidades y presiones extremas las consideran muy exóticas y, hasta hace poco, no todo el mundo creía en su existencia. Sin embargo, los primeros indicios de la posibilidad de la formación de agujeros negros ya estaban contenidos en la teoría general de la relatividad de A. Einstein, creada en 1915. El astrónomo inglés Arthur Eddington, uno de los primeros intérpretes y divulgadores de la teoría de la relatividad, derivó en la década de 1930 un sistema de ecuaciones que describe la estructura interna de las estrellas. De ellos se deduce que la estrella está en equilibrio bajo la acción de fuerzas gravitacionales de dirección opuesta y la presión interna creada por el movimiento de las partículas de plasma caliente dentro de la luminaria y por la presión de la radiación generada en sus profundidades. Y esto significa que la estrella es una bola de gas, en el centro de la cual hay una alta temperatura, disminuyendo gradualmente hacia la periferia. De las ecuaciones, en particular, se deduce que la temperatura de la superficie del Sol es de unos 5500 grados (lo cual es bastante consistente con los datos de las mediciones astronómicas), y en su centro debería haber unos 10 millones de grados. Esto permitió a Eddington llegar a una conclusión profética: a tal temperatura, se "encende" una reacción termonuclear, suficiente para asegurar el brillo del Sol. Los físicos atómicos de esa época no estaban de acuerdo con esto. Les parecía que hacía demasiado "frío" en las entrañas de la estrella: la temperatura allí era insuficiente para que la reacción "fuera". A esto, el teórico enfurecido respondió: "¡Busque un lugar más cálido!"
Y al final resultó tener razón: realmente hay una reacción termonuclear en el centro de la estrella (otra cosa es que el llamado "modelo solar estándar", basado en ideas sobre la fusión termonuclear, aparentemente resultó ser ser incorrecto - ver, por ejemplo, "Ciencia y vida" No. 2, 3, 2000). Sin embargo, la reacción en el centro de la estrella tiene lugar, la estrella brilla y la radiación que surge en este caso la mantiene en un estado estable. Pero ahora el "combustible" nuclear en la estrella se quema. La liberación de energía se detiene, la radiación se apaga y la fuerza que retiene la atracción gravitacional desaparece. Hay un límite en la masa de una estrella, después del cual la estrella comienza a encogerse de forma irreversible. Los cálculos muestran que esto sucede si la masa de la estrella supera las dos o tres masas solares.
COLAPSO GRAVITACIONAL
Al principio, la tasa de contracción de la estrella es pequeña, pero su tasa aumenta continuamente, ya que la fuerza de atracción es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. La compresión se vuelve irreversible, no hay fuerzas capaces de contrarrestar la gravedad propia. Este proceso se llama colapso gravitatorio. La velocidad del caparazón de la estrella hacia su centro aumenta, acercándose a la velocidad de la luz. Y aquí empiezan a jugar un papel los efectos de la teoría de la relatividad.
La velocidad de escape se calculó en base a las ideas newtonianas sobre la naturaleza de la luz. Desde el punto de vista de la relatividad general, los fenómenos en la vecindad de una estrella que colapsa ocurren de manera algo diferente. En su poderoso campo gravitatorio, se produce el llamado corrimiento al rojo gravitacional. Esto significa que la frecuencia de la radiación proveniente de un objeto masivo se desplaza hacia bajas frecuencias. En el límite, en el límite de la esfera de Schwarzschild, la frecuencia de radiación se hace igual a cero. Es decir, un observador que esté fuera de ella no podrá averiguar nada de lo que ocurre en su interior. Es por eso que la esfera de Schwarzschild se llama horizonte de eventos.
Pero reducir la frecuencia equivale a ralentizar el tiempo, y cuando la frecuencia llega a cero, el tiempo se detiene. Esto significa que un observador externo verá una imagen muy extraña: la capa de una estrella que cae con una aceleración creciente, en lugar de alcanzar la velocidad de la luz, se detiene. Desde su punto de vista, la contracción se detendrá tan pronto como el tamaño de la estrella se acerque al radio gravitatorio.
Bigote. Nunca verá ni una sola partícula "zambullirse" bajo la esfera de Schwarzschild. Pero para un hipotético observador que cae en un agujero negro, todo acabará en cuestión de instantes según su reloj. Por lo tanto, el tiempo de colapso gravitacional de una estrella del tamaño del Sol será de 29 minutos, y una estrella de neutrones mucho más densa y compacta, solo 1/20,000 de segundo. Y aquí está en problemas, conectado con la geometría del espacio-tiempo cerca de un agujero negro.
El observador entra en un espacio curvo. Cerca del radio gravitacional, las fuerzas gravitatorias se vuelven infinitamente grandes; estiran el cohete con el astronauta-observador en un hilo infinitamente delgado de longitud infinita. Pero él mismo no se dará cuenta de esto: todas sus deformaciones corresponderán a las distorsiones de las coordenadas espacio-temporales. Estas consideraciones, por supuesto, se refieren al caso hipotético ideal. Cualquier cuerpo real será desgarrado por las fuerzas de las mareas mucho antes de acercarse a la esfera de Schwarzschild.
DIMENSIONES DE LOS AGUJEROS NEGROS
El tamaño de un agujero negro, o mejor dicho, el radio de la esfera de Schwarzschild es proporcional a la masa de la estrella. Y dado que la astrofísica no impone ninguna restricción sobre el tamaño de una estrella, un agujero negro puede ser arbitrariamente grande. Si, por ejemplo, surgió durante el colapso de una estrella con una masa de 10 8 masas solares (o debido a la fusión de cientos de miles, o incluso millones de estrellas relativamente pequeñas), su radio sería de unos 300 millones de kilómetros, el doble de la órbita terrestre. Y la densidad promedio de la sustancia de tal gigante está cerca de la densidad del agua.
Aparentemente, son precisamente esos agujeros negros los que se encuentran en los centros de las galaxias. En cualquier caso, los astrónomos de hoy cuentan unas cincuenta galaxias, en cuyo centro, a juzgar por evidencia indirecta (las discutiremos más adelante), hay agujeros negros con una masa de alrededor de mil millones (10 9) solares. Al parecer, nuestra Galaxia también tiene su propio agujero negro; su masa se estimó con bastante precisión: 2.4. 10 6 ±10% de la masa del Sol.
La teoría supone que, junto con tales supergigantes, deberían haber surgido miniagujeros negros con una masa de unos 10 14 gy un radio de unos 10 -12 cm (el tamaño del núcleo atómico). Podrían aparecer en los primeros momentos de la existencia del Universo como manifestación de una muy fuerte falta de homogeneidad del espacio-tiempo con una densidad de energía colosal. Las condiciones que existían entonces en el Universo ahora son realizadas por investigadores en poderosos colisionadores (aceleradores en haces en colisión). Los experimentos realizados en el CERN a principios de este año permitieron obtener plasma de quarks y gluones, materia que existía antes de la aparición de las partículas elementales. La investigación sobre este estado de la materia continúa en Brookhaven, el centro acelerador estadounidense. Es capaz de acelerar partículas a energías de uno y medio a dos órdenes de magnitud más altas que un acelerador en
CERN. El próximo experimento causó una gran ansiedad: ¿surgirá un miniagujero negro durante su implementación, que doblará nuestro espacio y destruirá la Tierra?
Este temor provocó una respuesta tan fuerte que el gobierno de los EE. UU. se vio obligado a convocar una comisión autorizada para probar esta posibilidad. La comisión, compuesta por destacados investigadores, concluyó que la energía del acelerador es demasiado baja para que se forme un agujero negro (este experimento se describe en la revista "Science and Life" No. 3, 2000).
CÓMO VER LO INVISIBLE
Los agujeros negros no emiten nada, ni siquiera luz. Sin embargo, los astrónomos han aprendido a verlos, o mejor dicho, a encontrar "candidatos" para este papel. Hay tres formas de detectar un agujero negro.
1. Es necesario seguir la circulación de estrellas en cúmulos alrededor de un determinado centro de gravedad. Si resulta que no hay nada en este centro, y las estrellas giran, por así decirlo, alrededor de un lugar vacío, podemos decir con bastante confianza: hay un agujero negro en este "vacío". Fue sobre esta base que se asumió la presencia de un agujero negro en el centro de nuestra Galaxia y se estimó su masa.
2. Un agujero negro absorbe activamente materia del espacio circundante. El polvo interestelar, el gas, la materia de las estrellas cercanas caen sobre él en espiral, formando el llamado disco de acreción, similar al anillo de Saturno. (Esto es exactamente lo que fue aterrador en el experimento de Brookhaven: un miniagujero negro que surgió en el acelerador comenzará a absorber la Tierra hacia sí mismo, y ninguna fuerza podría detener este proceso). Al acercarse a la esfera de Schwarzschild, las partículas experimentar aceleración y comenzar a irradiar en el rango de rayos X. Esta radiación tiene un espectro característico similar a la radiación bien estudiada de partículas aceleradas en un sincrotrón. Y si tal radiación proviene de alguna región del Universo, podemos decir con certeza que allí debe haber un agujero negro.
3. Cuando dos agujeros negros se fusionan, se produce radiación gravitacional. Se calcula que si la masa de cada uno es unas diez veces la masa del Sol, entonces cuando se fusionen en cuestión de horas, se liberará energía equivalente al 1% de su masa total en forma de ondas gravitacionales. Esto es mil veces más que la luz, el calor y otras energías que el Sol ha emitido durante todo el período de su existencia: cinco mil millones de años. Esperan detectar la radiación gravitacional con la ayuda de los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y otros, que ahora se están construyendo en América y Europa con la participación de investigadores rusos (ver "Ciencia y Vida" No. 5, 2000).
Y, sin embargo, aunque los astrónomos no tienen dudas sobre la existencia de agujeros negros, nadie puede afirmar categóricamente que exactamente uno de ellos se encuentra en un punto determinado del espacio. La ética científica, la escrupulosidad del investigador exigen una respuesta inequívoca a la pregunta planteada, que no tolera discrepancias. No basta con estimar la masa de un objeto invisible, es necesario medir su radio y demostrar que no supera el de Schwarzschild. E incluso dentro de nuestra Galaxia, este problema aún no está resuelto. Es por eso que los científicos muestran cierta moderación al informar sobre su descubrimiento, y las revistas científicas están literalmente llenas de informes de trabajos teóricos y observaciones de efectos que pueden arrojar luz sobre su misterio.
Es cierto que los agujeros negros también tienen una propiedad más, predicha teóricamente, que, tal vez, permitiría verlos. Pero, sin embargo, bajo una condición: la masa del agujero negro debe ser mucho menor que la masa del Sol.
UN AGUJERO NEGRO PUEDE SER "BLANCO"
Durante mucho tiempo, los agujeros negros fueron considerados la encarnación de la oscuridad, objetos que en el vacío, al no haber absorción de materia, no irradian nada. Sin embargo, en 1974, el famoso teórico inglés Stephen Hawking demostró que a los agujeros negros se les puede asignar una temperatura y, por lo tanto, deben irradiar.
Según los conceptos de la mecánica cuántica, el vacío no es un vacío, sino una especie de "espuma de espacio-tiempo", una mezcolanza de partículas virtuales (no observables en nuestro mundo). Sin embargo, las fluctuaciones de la energía cuántica son capaces de "lanzar" un par partícula-antipartícula fuera del vacío. Por ejemplo, cuando chocan dos o tres cuantos gamma, un electrón y un positrón aparecerán como de la nada. Este y otros fenómenos similares se han observado repetidamente en los laboratorios.
Son las fluctuaciones cuánticas las que determinan los procesos de radiación de los agujeros negros. Si un par de partículas con energías mi Y -MI(la energía total del par es cero), surge en las proximidades de la esfera de Schwarzschild, el futuro destino de las partículas será diferente. Pueden aniquilarse casi de inmediato o pasar juntos bajo el horizonte de eventos. En este caso, el estado del agujero negro no cambiará. Pero si solo una partícula pasa por debajo del horizonte, el observador registrará otra, y le parecerá que fue generada por un agujero negro. En este caso, un agujero negro que ha absorbido una partícula con energía -MI, reducirá su energía, y con energía mi- aumentar.
Hawking calculó las velocidades a las que transcurren todos estos procesos y llegó a la conclusión de que la probabilidad de absorción de partículas con energía negativa es mayor. Esto significa que el agujero negro pierde energía y masa, se evapora. Además, irradia como un cuerpo completamente negro con una temperatura T = 6 . 10 -8 METRO Con / METRO Kelvin, donde METRO c es la masa del Sol (2.1033 g), METRO es la masa del agujero negro. Esta simple relación muestra que la temperatura de un agujero negro con una masa seis veces la del Sol es una cien millonésima de grado. Está claro que un cuerpo tan frío no irradia prácticamente nada, y todos los argumentos anteriores siguen siendo válidos. Otra cosa - mini-agujeros. Es fácil ver que con una masa de 10 14 -10 30 gramos, se calientan a decenas de miles de grados y ¡están al rojo vivo! Sin embargo, debe notarse de inmediato que no hay contradicciones con las propiedades de los agujeros negros: esta radiación es emitida por una capa por encima de la esfera de Schwarzschild, y no por debajo.
Entonces, el agujero negro, que parecía ser un objeto congelado para siempre, tarde o temprano desaparece, evaporándose. Además, a medida que "pierde peso", la tasa de evaporación aumenta, pero todavía lleva mucho tiempo. Se estima que los miniagujeros que pesan 10 14 gramos, que aparecieron inmediatamente después del Big Bang hace 10-15 mil millones de años, deberían evaporarse por completo para nuestro tiempo. En la última etapa de su vida, su temperatura alcanza un valor colosal, por lo que los productos de la evaporación deben ser partículas de altísima energía. Es posible que sean ellos los que generen amplias lluvias atmosféricas - EASs en la atmósfera terrestre. En cualquier caso, el origen de partículas anómalamente de alta energía es otro problema importante e interesante que puede estar estrechamente relacionado con las cuestiones igualmente apasionantes de la física de los agujeros negros.
El material fue preparado por los editores de InoSMI específicamente para la sección de Ciencias de RIA >>
Michael Finkel
Hagamos retroceder el reloj. Antes del hombre, antes de la tierra, antes de que el sol se encendiera, antes del nacimiento de las galaxias, antes de que brillara la luz, hubo un "big bang". Ocurrió hace 13.800 millones de años.
Las supernovas sembraron el espacio con elementos pesados en el universo primitivoUtilizando el telescopio espacial de rayos X Suzaku de Japón, los científicos investigaron la distribución de hierro en el cúmulo de galaxias de Perseo, ubicado a 250 millones de años luz de distancia.Pero, ¿qué pasó antes de eso? Muchos físicos dicen que "antes de esto" no existe. Argumentan que el tiempo comenzó su cuenta regresiva en el momento del "big bang", creyendo que todo lo que existía antes no está dentro del alcance de la ciencia. Nunca entenderemos cómo era la realidad antes del Big Bang, de qué se formó y por qué sucedió para crear nuestro Universo. Tales ideas están más allá de la comprensión humana.
Pero algunos científicos no convencionales no están de acuerdo. Estos físicos están construyendo teorías de que en el instante anterior al "big bang" toda la masa y la energía del universo naciente se comprimieron en un grano increíblemente denso, pero con sus propios límites. Llamémoslo la semilla de un nuevo universo.
Creen que esta semilla era inimaginablemente pequeña, quizás billones de veces más pequeña que cualquier partícula que una persona pudiera observar. Y, sin embargo, esta partícula impulsó la aparición de todas las demás partículas, sin mencionar las galaxias, el sistema solar, los planetas y las personas.
Si realmente quieres llamar a algo una partícula de Dios, entonces esta semilla es perfecta para ese nombre.
Entonces, ¿cómo surgió esta semilla? Nikodem Poplawski, quien trabaja en la Universidad de New Haven, presentó una idea hace algunos años. Consiste en que la semilla de nuestro Universo se forjó en el horno primario, en el que se convirtió para él el agujero negro.
multiplicación multiverso
Antes de continuar, es importante comprender que durante los últimos veinte años, muchos físicos teóricos han llegado a creer que nuestro universo no es el único. Podemos ser parte de un multiverso, que representa una gran cantidad de universos separados, cada uno de los cuales es una bola luminosa en el verdadero cielo nocturno.
Hay mucha controversia sobre cómo un universo está conectado a otro, y si existe tal grupo. Pero todas estas disputas son puramente especulativas, y la verdad es indemostrable. Pero hay una idea atractiva, que es que la semilla del universo es como la semilla de una planta. Esta es una pieza de materia esencial, fuertemente comprimida y escondida dentro de una capa protectora.
Esto explica exactamente lo que sucede dentro de un agujero negro. Los agujeros negros son los cadáveres de estrellas gigantes. Cuando una estrella así se queda sin combustible, su núcleo colapsa. La fuerza de la gravedad atrae todo junto con una fuerza increíble y cada vez mayor. La temperatura alcanza los 100 mil millones de grados. Los átomos colapsan. Los electrones se rompen en pedazos. Y luego esta masa se comprime aún más.
En este punto, la estrella se convierte en un agujero negro. Esto significa que su fuerza de atracción es tan grande que ni un solo rayo de luz puede escapar de él. El límite entre el interior y el exterior de un agujero negro se denomina horizonte de sucesos. En el centro de casi todas las galaxias, incluida nuestra propia Vía Láctea, los científicos están descubriendo agujeros negros colosales, algunos millones de veces más masivos que nuestro Sol.
preguntas sin fondo
Si usa la teoría de Einstein para determinar qué sucede en el fondo de un agujero negro, puede calcular un punto que tiene una densidad infinita y un tamaño infinitesimal. Este concepto hipotético se llama singularidad. Pero en la naturaleza, el infinito normalmente no existe. El problema radica en las teorías de Einstein, que proporcionan excelentes cálculos para gran parte del espacio exterior, pero se desmoronan ante fuerzas increíbles, como las del interior de un agujero negro o las presentes en el nacimiento del universo.
Físicos como el Dr. Poplavsky dicen que la materia dentro de un agujero negro llega a un punto en el que ya no se puede exprimir. Esta "semilla" es increíblemente pequeña y pesa tanto como mil millones de estrellas. Pero a diferencia de la singularidad, es bastante real.
Según Poplavsky, el proceso de contracción se detiene porque los agujeros negros giran. Giran muy rápido, tal vez alcanzando la velocidad de la luz. Y esta torsión le da a la semilla comprimida una rotación axial increíble. La semilla no solo es pequeña y pesada; también está retorcido y comprimido, como el resorte de ese diablo de la caja de rapé.
Científicos miden por primera vez el campo magnético de un agujero negro en el centro de la galaxiaEl agujero negro supermasivo Sgr A* se encuentra en el centro de nuestra galaxia. Anteriormente, los astrónomos descubrieron el radio púlsar PSR J1745-2900 en el centro de nuestra galaxia. Usaron la radiación que emana de él para medir la fuerza del campo magnético del agujero negro.En otras palabras, es muy posible que un agujero negro sea un túnel, una "puerta de un solo sentido" entre dos universos, dice Poplavsky. Y esto significa que si caes en un agujero negro en el centro de la Vía Láctea, entonces es muy posible que al final te encuentres en otro universo (bueno, si no tú, entonces tu cuerpo se aplastó en pequeñas partículas) . Este otro universo no está dentro del nuestro; un agujero es solo un eslabón de conexión, como una raíz común de la que crecen dos álamos.
¿Qué pasa con todos nosotros, en nuestro propio universo? Podemos ser el producto de otro universo más antiguo. Llamémoslo nuestro universo correcto. Esa semilla que el universo madre forjó dentro del agujero negro pudo haber tenido un gran rebote hace 13.800 millones de años, y aunque nuestro universo se ha estado expandiendo rápidamente desde entonces, aún podemos estar más allá del horizonte de eventos del agujero negro.
Un agujero negro en física se define como una región en el espacio-tiempo, cuya atracción gravitacional es tan fuerte que incluso los objetos que se mueven a la velocidad de la luz, incluidos los propios cuantos de luz, no pueden salir de ella. El límite de esta región se denomina horizonte de sucesos, y su tamaño característico se denomina radio gravitacional, que se denomina radio de la Selva Negra. Los agujeros negros son los objetos más misteriosos del universo. Deben su desafortunado nombre al astrofísico estadounidense John Wheeler. Fue él quien en la popular conferencia "Nuestro Universo: Conocidos y Desconocidos" en 1967 llamó agujeros a estos cuerpos superdensos. Anteriormente, estos objetos se llamaban "estrellas colapsadas" o "colapsadores". Pero el término "agujero negro" se ha arraigado y se ha vuelto simplemente imposible cambiarlo. Hay dos tipos de agujeros negros en el Universo: 1 - agujeros negros supermasivos, cuya masa es millones de veces mayor que la masa del Sol (se cree que tales objetos están ubicados en los centros de las galaxias); 2 - agujeros negros menos masivos que resultan de la compresión de estrellas gigantes moribundas, su masa es más de tres masas solares; a medida que la estrella se contrae, la materia se vuelve más y más compacta y, como resultado, la gravedad del objeto aumenta hasta tal punto que la luz no puede superarlo. Ni la radiación ni la materia pueden escapar de un agujero negro. Los agujeros negros son gravitadores súper poderosos.
El radio al que debe reducirse una estrella para convertirse en un agujero negro se llama radio gravitacional. Para los agujeros negros formados por estrellas, es solo unas pocas decenas de kilómetros. En algunos pares de estrellas binarias, una de ellas es invisible al telescopio más potente, pero la masa del componente invisible en tal sistema gravitacional resulta ser extremadamente grande. Lo más probable es que tales objetos sean estrellas de neutrones o agujeros negros. A veces, los componentes invisibles de estos pares arrancan la materia de una estrella normal. En este caso, el gas se separa de las capas exteriores de la estrella visible y cae en un lugar desconocido: en un agujero negro invisible. Pero antes de caer en el agujero, el gas emite ondas electromagnéticas de varias longitudes de onda, incluidas ondas de rayos X muy cortas. Además, cerca de una estrella de neutrones o un agujero negro, el gas se calienta mucho y se convierte en una fuente de radiación electromagnética de alta energía en los rangos de rayos X y gamma. Dicha radiación no atraviesa la atmósfera terrestre, pero se puede observar utilizando telescopios espaciales. Se considera que uno de los posibles candidatos para agujeros negros es una poderosa fuente de rayos X en la constelación de Cygnus.
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. PEINES
Intentemos hacer retroceder el reloj. Antes de que comenzara la vida, antes de que la Tierra, antes del nacimiento del Sol y la formación de las galaxias, antes de que la luz comenzara a derramarse, sucedió. Y eso fue hace 13.800 millones de años.
Pero que antes? Muchos físicos argumentan que no hay un "antes" en absoluto. Creen que el tiempo mismo comenzó en el momento del Big Bang, y todo lo que sucedió antes de eso no encaja en el campo científico. Según este punto de vista, nunca podremos comprender qué era la realidad antes del Big Bang, de qué componentes se formó y por qué sucedió, dando lugar a nuestro universo.
Pero hay científicos que son ajenos a las convenciones y no están de acuerdo. Estas personas están construyendo teorías intrincadas de que en el momento fugaz antes del Big Bang, toda la energía y la masa del universo naciente se contrajeron en un grano irrealmente denso, pero bastante limitado. Puedes llamarlo "La semilla de una nueva realidad".
Estos físicos excéntricos creen que la Semilla era inimaginablemente pequeña, probablemente billones de veces más pequeña que cualquier partícula elemental que pueda ser observada por el hombre. Y, sin embargo, fue este grano el que se convirtió en el impulso para el surgimiento de todo lo demás: otras partículas, galaxias, nuestro sistema solar y la gente. Si realmente quieres llamar a algo una partícula de Dios, entonces esta Simiente es la mejor candidata para tal nombre.
¿Y cómo entonces surgió esta Simiente? La idea, presentada por Nikodim Poplavsky de la Universidad de New Haven, es que la Semilla de nuestra realidad se originó en el horno primordial del agujero negro.
Reproducción del multiverso
Antes de profundizar, vale la pena entender que en los últimos años, muchos interesados en este tema han llegado a la conclusión de que nuestro universo está lejos de ser el único. Puede ser solo una pequeña parte del vasto multiverso, una de las bolas de luz en los verdaderos cielos nocturnos.
Nadie sabe cómo estos universos están conectados entre sí, y si existe tal conexión en absoluto. Aunque la controversia que surge sobre este tema es especulativa e indemostrable, todavía hay una idea interesante que dice que la Semilla de cada universo es muy similar a la semilla de una planta. Una pequeña pieza de materia preciosa, comprimida de forma compacta y oculta bajo una capa protectora.
Esto explica con mucha precisión los eventos que ocurren dentro del Agujero Negro. Todos los Agujeros Negros son los restos de estrellas gigantes que se han quedado sin combustible y sus núcleos se han derrumbado. Cuando las fuerzas de la gravedad comprimen todo con un poder impresionante y cada vez mayor. Luego, la temperatura sube a 100 mil millones de grados, los átomos se deshacen y los electrones se rompen en pedazos. Y luego esta papilla se encoge aún más.
Ahora la estrella es un Agujero Negro. Y esto significa que la fuerza de su atracción es tan enorme que ni siquiera un rayo de luz puede escapar de él. El límite entre las partes exterior e interior de un Agujero Negro se denomina horizonte de sucesos. En el centro de casi todas las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, si miras de cerca, puedes encontrar agujeros negros masivos que son millones de veces más grandes que nuestro Sol.
preguntas sin fondo
Usando la teoría de Einstein para determinar lo que sucede en el fondo de un Agujero Negro, seguramente nos topemos con el concepto de singularidad, según el cual, existe un punto infinitamente denso e infinitamente pequeño. Y esto contradice a la propia naturaleza, en la que los infinitos no parecen existir... El problema radica en las mismas fórmulas de Einstein, que son ideales para cálculos relativos a la mayor parte del espacio-tiempo, pero no funcionan en absoluto en la escala cuántica de las increíbles fuerzas que gobiernan el nacimiento de los universos y viven dentro de los agujeros negros.
Físicos teóricos como el Dr. Poplavsky argumentan que la materia en un Agujero Negro llega al punto en que ya no es posible apretarlo. Esta pequeña Semilla pesa como mil millones de estrellas, pero a diferencia de la singularidad, sigue siendo bastante real.
Poplavsky cree que la contracción se detiene porque los agujeros negros están girando muy rápido, posiblemente alcanzando la velocidad de la luz en esta rotación. Y esta pequeña y pesada Semilla, que tiene una torsión axial irreal, comprimida y torcida, puede compararse con el resorte de un diablo de una caja de rapé. De repente, esta Semilla puede brotar y hacerlo con un estallido poderoso. Estos casos se denominan Big Bang o, como prefiere llamarlo Poplavsky, Big Rebound.
En otras palabras, puede resultar que el Agujero Negro sea un túnel entre dos universos, con un final. Lo que a su vez significa que si caes en un Agujero Negro, inmediatamente te encontrarás en otro universo (más precisamente, lo que quedará de ti). Ese otro universo nada tiene que ver con el nuestro; un agujero es sólo un eslabón de conexión, como una raíz común de la que crecen dos árboles.
Entonces, ¿qué pasa con todos nosotros, dentro de nuestro universo de origen? Puede que seamos hijos de otro gran universo más antiguo. Una semilla forjada dentro del Agujero Negro del universo madre podría haber realizado un Gran Rebote hace 13.800 millones de años, y aunque nuestro universo ha continuado expandiéndose rápidamente desde entonces, aún podemos existir más allá del horizonte de eventos de ese Agujero Negro.
El nuevo modelo del universo permite prescindir de la singularidad cuántica y la inflación cosmológica.
La pregunta principal de la cosmología se puede formular literalmente en tres palabras: ¿de dónde vino el Universo? Para una respuesta estándar, dos son suficientes: de una singularidad cuántica. Este es el nombre de un estado especial de la materia, donde no hay espacio ni tiempo, y las leyes físicas conocidas no operan. Generalmente se acepta que resultó ser inestable y dio lugar a un espacio tridimensional lleno de campos cuánticos y partículas nacidas de ellos. Esta salida de la singularidad se denomina Big Bang y se toma como punto de partida de la edad del universo.
Qué es esta singularidad, nadie lo sabe realmente. Si "reproduce" las ecuaciones cosmológicas en el tiempo hasta el punto cero, la densidad de energía y la temperatura irán al infinito y perderán su significado físico. Una singularidad generalmente se describe como una fluctuación cuántica caótica del vacío, que hizo posible la aparición de la gravedad y otros campos físicos. Los teóricos se han esforzado mucho en tratar de entender exactamente cómo podría suceder esto, pero hasta ahora sin mucho éxito.
No una explosión, sino un colapso.
Algunos modelos cosmológicos prescinden por completo de la singularidad, pero son minoritarios. Pero recientemente, tres científicos canadienses propusieron un modelo muy curioso del Big Bang, que no requiere la hipótesis del caos cuántico. Robert Mann, profesor de física y astronomía en la Universidad de Waterloo, y sus colegas admiten que nuestro universo podría haber aparecido como un subproducto de la contracción gravitacional de la materia cósmica, que terminó en el nacimiento de un agujero negro. Su idea clave es que esta materia existió en el espacio no con tres, sino con cuatro dimensiones. El agujero recién nacido, nuevamente de cuatro dimensiones, se rodeó con una capa tridimensional, que se convirtió en el embrión del Universo. Tomó prestadas de las cuatro dimensiones de su madre no solo la gravitación, sino también otros campos y partículas que comenzaron a vivir una vida tridimensional independiente. Así que nuestro mundo no vino del Big Bang, sino de su opuesto, ¡el Gran Colapso!
¿De dónde vino este caparazón? Un agujero negro "ordinario" está rodeado por una superficie bidimensional cerrada, el horizonte de sucesos. Una partícula que ha caído en el horizonte ya no podrá regresar, e incluso los fotones de debajo del horizonte tampoco superarán esta barrera impenetrable. Si el agujero es estacionario, el horizonte es esférico, mientras que para agujeros giratorios, esta esfera es achatada en los polos. Dado que el horizonte tiene espesor cero, naturalmente no hay sustancia en su interior. Pero esto es en el espacio 3D. Un agujero de cuatro dimensiones también tiene un horizonte de sucesos cuya dimensión es uno menos que la suya. Por lo tanto, su horizonte es el espacio tridimensional. Según la hipótesis de físicos canadienses, puede dar origen a nuestro Universo.
Profesor de la Universidad de Waterloo (Canadá):
“Las ecuaciones GR tienen sentido para espacios con un número arbitrariamente grande de dimensiones, y en todos los casos tienen soluciones que conducen a la aparición de singularidades. De ello se deduce que si la densidad de la materia en una región cerrada de cuatro dimensiones supera cierto límite crítico, colapsará para formar un agujero negro. Las propiedades físicas de tal sustancia deben ser muy diferentes de las que observamos en nuestro mundo. Sin embargo, es bastante lógico suponer que la gravedad dominará también en este mundo: si las partículas de materia del mundo tetradimensional deforman el espacio-tiempo de acuerdo con las ecuaciones de la relatividad general, se atraen entre sí y dan sube a los agujeros negros.
En cuanto al espacio de cuatro dimensiones, encerrado dentro del horizonte de un agujero negro, esta región tridimensional será el único mundo que está completamente aislado del entorno de cuatro dimensiones. Se puede suponer que la materia atraída hacia el horizonte se comportará de acuerdo con todas las leyes de la tridimensionalidad. El nuevo modelo acaba con la hipótesis de inflación cosmológica común propuesta a principios de la década de 1980, que aún enfrenta serios problemas sin resolver. En particular, la naturaleza del campo físico, que se supone que inició la expansión acelerada del Universo recién nacido, no está clara.
rebote mundial
Pero aparte de los efectos cuánticos, el horizonte de un agujero tridimensional es estable mientras nuestro universo se expande. El modelo de Mann también explica esto: “Un colapso gravitacional en el espacio de cuatro dimensiones no solo dará lugar a un agujero negro, sino que también provocará un “rebote” de materia que no ha caído en él y su expansión en todas direcciones. Algo similar ocurre durante las explosiones de supernovas, que esparcen sus caparazones por el espacio circundante. Como muestran los cálculos, esta materia puede crear una capa tridimensional alrededor del horizonte, que se expandirá y arrastrará consigo al horizonte. Como resultado, surgirá un único espacio en expansión de nuestro Universo. El modelo se puede modificar de tal manera que prediga la aceleración de esta expansión, que la cosmología estándar explica en términos de energía oscura”.
El nuevo modelo permite la verificación experimental. La influencia gravitacional de cuatro dimensiones en nuestro Universo debería causar ciertas fluctuaciones de la radiación de fondo cósmico de microondas, cuyo espectro puede predecirse.