¿Qué es exactamente un agujero negro que devora materia? ¿Existe un límite para su crecimiento?
Por lo general, los agujeros negros se crean al exprimir suficiente materia en un espacio lo suficientemente pequeño. Hay pruebas contundentes de que no existe un solo tipo de agujero negro. Además de los agujeros negros estelares comunes, también existen agujeros negros de masa intermedia y agujeros negros supermasivos. La mayor diferencia entre ellos es la diferencia de masa. Los agujeros negros estelares y de masa intermedia son consecuencias naturales de la evolución de estrellas masivas, mientras que el origen de los agujeros negros supermasivos sigue siendo un misterio porque sólo existen en los centros de las galaxias. No está claro si se formaron debido al colapso inicial de las nubes de gas que formaron las galaxias, el crecimiento gradual de agujeros negros de masa estelar, la fusión de grupos de agujeros negros en el centro o algún otro mecanismo.
En cuanto a la masa de un agujero negro estelar, podemos inferirla observando la aceleración orbital de la estrella mientras orbita una estrella compañera invisible. Del mismo modo, la masa de un agujero negro supermasivo puede determinarse a partir de la aceleración orbital de una nube de gas que gira alrededor del agujero negro central. Cuando la aceleración orbital no se puede utilizar para determinar la masa de un agujero negro, los astrónomos también pueden establecer un límite inferior en la masa del agujero negro midiendo la luminosidad de los rayos X producida por el material que cae en el agujero negro, porque la presión del flujo de salida. atracción de la materia. Por ejemplo, cuando los científicos estimaron la masa de un agujero negro encontrado en un denso cúmulo de estrellas a unos 600 años luz del centro de la galaxia M82, descubrieron que el agujero negro debe tener más de 500 veces la masa del sol, lo que es mucho más grande que los agujeros negros estelares conocidos, pero mucho más pequeño que un agujero negro supermasivo, se le llama agujero negro de masa intermedia.
Los agujeros negros supermasivos, por otro lado, tienen millones de masas estelares y se cree que se encuentran en los centros de la mayoría de las galaxias grandes. Mediante observaciones ópticas y de radio se ha descubierto que la velocidad de las estrellas o nubes de gas aumenta bruscamente alrededor del centro de la galaxia. La alta velocidad orbital significa que hay objetos enormes que generan fuertes campos gravitacionales, acelerando el movimiento de las estrellas. Las observaciones mediante rayos X han demostrado que en los centros de muchas galaxias se producen grandes cantidades de energía, posiblemente debido a la entrada de material en los agujeros negros. ¿Cómo podría formarse un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia? Una idea es que a lo largo de millones de años, se formó un agujero negro con forma de estrella y se tragó una gran cantidad de materia, formando así un agujero negro supermasivo. Otra posibilidad es que se formara un grupo de agujeros negros con forma de estrella y eventualmente se fusionara para formar un agujero negro supermasivo o que una gran nube de gas colapsara para formar un agujero negro supermasivo;
Mientras el tamaño orbital de los cuerpos celestes sea mucho mayor que el diámetro del horizonte de sucesos del agujero negro, podrán orbitar sin consecuencias graves. Respecto a este valor de órbita segura, los agujeros negros estelares miden unos 30 kilómetros y los agujeros negros supermasivos miden millones de kilómetros. Por lo tanto, si algún objeto se acerca demasiado, su órbita se vuelve menos estable y eventualmente cae en el agujero negro. A medida que la materia cae en el agujero negro, éste comienza a crecer y la masa capturada aumenta la masa del agujero negro. Para un agujero negro de masa estelar, el radio del horizonte de sucesos aumenta unos 3 kilómetros por cada objeto de masa solar capturado. Teóricamente, los agujeros negros pueden crecer infinitamente; sin embargo, los agujeros negros en el universo no tienen un suministro ilimitado de alimentos, porque tarde o temprano consumirán toda la materia dentro del rango de gravedad.
No toda la materia que rodea un agujero negro está destinada a caer en el agujero negro; a veces, el gas escapa a velocidades extremadamente altas debido al aire caliente expulsado por el disco del agujero negro. Lo que es aún más impactante es que las observaciones de radio y rayos X muestran que los chorros de alta energía alejados de las proximidades de algunos agujeros negros supermasivos pueden moverse casi a la velocidad de la luz en un haz bajo, y este proceso puede durar cientos de miles. de años luz. Sin embargo, incluso si la materia puede moverse a la velocidad de la luz, una vez que excede el horizonte de sucesos, no puede escapar y, por lo tanto, no puede regresar del agujero negro.
Esto se debe a que el campo gravitacional dentro del agujero negro es tan fuerte que el espacio mismo se curva, y cualquier materia que caiga en el agujero negro sólo puede moverse en una dirección, la singularidad en el centro, que es un punto de densidad infinita. Si bien Hawking demostró que la teoría cuántica implica que los agujeros negros deberían emitir radiación, se espera que esta radiación sea muy débil e indetectable, y aún no se ha observado, excepto en hipotéticos agujeros negros con masas más pequeñas que los cometas.
Cuando se trata de describir un agujero negro, los científicos lo reducen a dos componentes: la masa y la rotación del agujero negro. Estas dos partes por sí solas pueden describir todos los objetos de los agujeros negros. Parece sencillo, pero en realidad es extremadamente difícil obtener estas dos propiedades de un agujero negro. En términos relativos, obtener la masa de un agujero negro es la parte fácil. Podemos hacerlo estudiando un pequeño agujero negro que orbita una estrella ordinaria como el Sol y luego usando un telescopio óptico para medir la velocidad de la estrella similar al Sol. la cantidad de tiempo que se necesita para orbitar completamente el agujero negro y obtener la masa del agujero negro. Este es también el método que los astrónomos han utilizado para medir la masa de las estrellas en sistemas estelares binarios ordinarios y sistemas planetarios. Sin embargo, es realmente difícil medir la rotación de un agujero negro. La gravedad del agujero negro arrastrará el gas de la estrella, y el gas caerá hacia el agujero negro, formando un "disco giratorio" de material en órbita. Al estar tan cerca del agujero negro, el gas se calienta gravitacionalmente a millones de grados y emite deslumbrantes rayos X.
Eventualmente, una vez que estos gases de alta temperatura caigan en el horizonte de sucesos, que está a 25 kilómetros del centro de muerte del agujero negro, están destinados a desaparecer para siempre. Pero una vez que te alejas de este aterrador horizonte de sucesos, llegas a un punto en el que la gravedad se vuelve tan intensa que el gas sobrecalentado ya no puede mantener su órbita estable alrededor del agujero negro. En este punto, el disco termina repentinamente y con él el gas en su órbita se inclina repentinamente hacia adentro, alcanzando la cúpula del evento en menos de una milésima de segundo, lo que dejará un residuo en el centro del disco. extendiéndose hasta el horizonte de sucesos. El radio de este agujero oscuro depende únicamente de la masa y la velocidad de rotación del agujero negro. Si el agujero negro no girara en absoluto y tuviera una masa de 16 soles, como M33 X-7, entonces el radio de esta región oscura sería de 75 kilómetros, tres veces el radio del horizonte de sucesos. En pocas palabras, cuanto más rápido gira un agujero negro, más pequeño se vuelve su radio y, dentro de la rotación máxima permitida por la relatividad, el radio es igual al radio del horizonte de sucesos.
En primer lugar, no podemos ver el interior de un agujero negro porque todo lo que cruza el borde se pierde para siempre, de ahí el nombre. Pero normalmente, cerca de un agujero negro, sólo una pequeña fracción de la materia cae en el agujero negro, mientras que la mayor parte de la materia gira permanentemente. Cuando el material cercano a un agujero negro se sobrecalienta, como podemos ver con los rayos X de Chandra, el material que rodea el agujero negro nunca llega al agujero negro a menos que pierda suficiente momento angular. Una forma en que esto sucede es a través del éxodo, ¡sí! Los agujeros negros no sólo absorben materia, sino que también la expulsan. Casi todos los agujeros negros que acumulan materia están expulsando materia y, por supuesto, esto sucede mientras la materia todavía está fuera del agujero negro y, como todos sabemos, una vez que la materia entra dentro del radio del agujero negro, ya no puede escapar. .