Horizonte de eventos
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Un horizonte de eventos es un concepto relacionado con los agujeros negros , una predicción teórica de la relatividad general . Se define como la superficie límite más allá de la cual ningún evento puede afectar a un observador externo.
Descripción
Según la teoría de la relatividad, el espacio y el tiempo forman un único complejo con cuatro dimensiones reales (llamado espacio-tiempo ), que se deforma por la presencia de masa (o energía).
En el caso de un agujero negro de Schwarzschild , el horizonte de eventos se crea cuando, en un cuerpo autogravitante, la "materia" (concepto utilizado aquí para identificar juntas la masa y la energía, que según la relatividad general son la misma cosa) está tan concentrada. que la velocidad de escape asumiría valores iguales o incluso mayores que la velocidad de la luz.
Los cuerpos del tipo anterior, cuando son no giratorios ( momento angular nulo) y sin carga eléctrica, tienen una simetría esférica con un radio igual a:
- ,
donde M es la masa, G la constante gravitacional universal yc la velocidad de la luz. Esta expresión define el llamado radio de Schwarzschild .
Según una definición dada por Roger Penrose , [3] el horizonte de sucesos en un agujero negro es una superficie particular del espacio-tiempo que separa los lugares de los que las señales pueden escapar de aquellos de los que ninguna señal puede escapar.
En un sentido mucho más general, si por "evento" nos referimos a un fenómeno (estado particular de la realidad física observable), identificado por las cuatro coordenadas espacio-temporales, un "horizonte de eventos" puede definirse como una región del espacio-tiempo más allá que deja de ser posible observar el fenómeno.
En el caso de los agujeros negros de Schwarzschild, el horizonte de eventos es una superficie esférica que rodea una singularidad ubicada en el centro de la esfera; este último es un punto en el que la densidad sería infinita y las leyes de la física, según la teoría de la relatividad general, perderían su significado.
La singularidad puede no ser necesaria, según algunas teorías de la gravedad cuántica ( gravedad cuántica de bucles ), que postulan el espacio-tiempo como una entidad dotada de una realidad física, y no solo un mero concepto matemático, dividido en elementos discretos del diámetro de una longitud de Planck . En otras palabras, según la teoría anterior, el espacio-tiempo tendría un papel físicamente activo, no pasivo y su estructura íntima estaría formada por "átomos" reales que formarían una densa red en continua evolución. En condiciones normales, no se percibiría la estructura atómica del espacio-tiempo, que aparecería como un continuo matemático y el Universo sería descrito por la relatividad general, pero a distancias del orden de la longitud de Planck las cosas cambiarían radicalmente: el los efectos cuánticos y gravitacionales asumirían intensidades comparables. Sería como si el espacio adquiriera una "personalidad física" propia e interactuara con la energía (masa) de forma activa. [4]
Si el agujero negro de Schwarzschild poseyera la masa de una galaxia , el horizonte estaría ubicado a una distancia del orden de 10 11 kilómetros del centro; si en cambio un agujero negro tuviera la masa del Sol , entonces el horizonte estaría a unos tres kilómetros del centro; finalmente, si un agujero negro tuviera la masa de una montaña , el horizonte se ubicaría a 10-13 centímetros. La temperatura del horizonte debería ser tan alta que ni siquiera se pueda medir. [5]
Algunos de los problemas más actuales relacionados con la física de los horizontes de eventos de los agujeros negros son: la emisión de radiación de Hawking , la entropía de los agujeros negros y otros problemas relacionados, como la fusión de los agujeros negros.
A nivel teórico, para la segunda ley de la termodinámica durante cualquier proceso la entropía de un sistema aislado (que es un agujero negro) debe aumentar, y en el caso de un agujero negro esto se traduce en un aumento en el área del horizonte de los hechos. Cada vez que el agujero negro "traga" algo, el área del horizonte de eventos aumenta.
Muchos resultados son solo especulativos o hipotéticos, considerando que, por el momento, nadie ha visto nunca un agujero negro "de cerca" (son insignificantes en tamaño - solo unos pocos kilómetros de diámetro - los estelares , no emiten radiación medible y a menudo están envueltos por discos de acreción o densos halos de materia). También debe tenerse en cuenta que desde el interior de un agujero negro no puede salir ninguna información que pueda decir algo sobre su estructura íntima. Al menos, actualmente no existe una teoría de referencia bien establecida respaldada por datos de observación. Un posible candidato para tal teoría sería la gravedad cuántica , que, yendo más allá de la relatividad general y, probablemente, más allá de la propia mecánica cuántica , tendría el efecto de unificarlos y encontrar el marco matemático del que ambos surgen.
Cruzando el horizonte de sucesos de un agujero negro
Un error muy común es imaginar el horizonte de sucesos de un agujero negro como una superficie estática más o menos esférica. En cambio, es bueno tener en cuenta que se trata de un horizonte en toda regla, es decir, algo que no se puede alcanzar y que se aleja cuando se acerca un observador (exactamente como el horizonte terrestre).
Observadores arbitrariamente distantes con respecto al agujero negro estarán todos de acuerdo en medir la misma superficie esférica de tamaño finito, aparentemente estática, negra, más o menos grande, únicamente en función de la masa del agujero negro (esta es más o menos la situación en la que probablemente nos encontraremos muy pronto si, como esperamos, seamos capaces de observar directamente el horizonte de sucesos de Sagitario A * , cuyo diámetro se estima en 44 millones de kilómetros: todos los observadores que, como nosotros, se encontraban en un distancia apreciable del agujero negro vería la misma esfera negra con un radio de 44 millones de kilómetros). Pero las cosas cambian considerablemente cuando la distancia desde el agujero negro se vuelve insignificante.
Al parecer esto nos llevaría a pensar en la posibilidad de "bajar" una cuerda (o un poste) con un astronauta colgado para cruzar el horizonte (o al menos lo que los observadores distantes identifican como tal) e informar de lo visto. Esto podría parecer aparentemente factible, especialmente con respecto a los agujeros negros supermasivos, donde la gravedad de la superficie [6] puede alcanzar valores incluso más bajos que la de la Tierra (la gravedad de la superficie de los agujeros negros es inversamente proporcional a su masa, pero tenga cuidado: para alcanzar la gravedad de la superficie de la Tierra, un agujero negro debe ser verdaderamente monstruoso: 1,55 billones de masas solares y medio año luz de diámetro [7] ). En realidad, sin embargo, esto no es posible. La distancia del observador al horizonte, aunque grande, es finita: por lo que la longitud de la cuerda también debe ser finita. Pero si la cuerda se ha bajado lentamente (de modo que cada punto de la cuerda permanezca aproximadamente en reposo con respecto a las coordenadas de Schwarzschild ), la aceleración adecuada (fuerza G) experimentada por los puntos de la cuerda más cercanos al horizonte se acercará a la infinito con respecto al observador, por lo que la cuerda se romperá. Si, por otro lado, la cuerda se ha bajado rápidamente (o en caída libre), el astronauta en la parte inferior de la cuerda podrá tocar e incluso cruzar el horizonte de eventos. Pero una vez que esto sucede, sería imposible tirar de la parte inferior de la cuerda fuera del horizonte de eventos nuevamente, ya que cuando la cuerda está tensa, las fuerzas a lo largo de la cuerda aumentarán sin límite a medida que se acerque al horizonte de eventos y, tarde o temprano, lo mismo ocurrirá. tendrá que romperse. Además, la ruptura no ocurrirá más allá del horizonte de eventos, sino en un punto donde el observador aún puede observar. [8]
Es posible dar otro ejemplo. Imagínese un agujero negro tan grande que tiene una gravedad superficial igual a la de la Tierra. Uno podría imaginarse equipar al astronauta con un poderoso cohete que lo mantiene exactamente en equilibrio justo por encima del horizonte. Desafortunadamente, eso tampoco funcionaría. Imaginemos que lo bajamos con nuestra cuerda hasta unos metros por encima del horizonte de sucesos y, una vez allí, el astronauta encenderá su cohete. El observador externo notará, sin embargo, que el cohete del astronauta, una vez que se acerque lo suficiente al horizonte de eventos, ya no tendrá el mismo poder que antes. La aceleración de 1 g necesaria para mantenerlo a flote se habrá reducido considerablemente debido a la dilatación del tiempo: la descarga del propulsor parecerá tener lugar a una velocidad considerablemente reducida, hasta detenerse por completo cerca del horizonte. Por lo tanto, el destino del astronauta quedaría sellado de todos modos.
En cuanto al punto de vista del desafortunado astronauta que se encontrará cruzando el horizonte de sucesos, las cosas parecerán completamente diferentes. Usando matemáticas, el astronauta podrá calcular el momento exacto en que el observador distante lo verá desaparecer más allá del horizonte de eventos. Pero no vivirá nada especial, para él será un momento como cualquier otro y no cruzará ninguna "cortina" negra. En términos de experiencia visual, un observador en caída libre dentro de un agujero negro verá una región negra debajo de él a una distancia aparentemente fija e inalcanzable, que lo acompañará durante toda la caída (incluso si para el observador distante ya habrá cruzado esa distancia). horizonte.). Continuará viendo al observador distante mientras lo permitan las fuerzas de la marea , incluso si la distancia aumentará progresivamente (será el propio espacio el que se dilate muy rápidamente a lo largo de la dimensión radial) y el observador distante nunca lo volverá a ver. [9] Cualquier otro objeto que haya cruzado el horizonte a lo largo de la misma trayectoria radial, pero solo un momento antes, siempre tendrá la misma posición sobre el horizonte. Y si estaban lo suficientemente cerca del observador, podrían intercambiar mensajes con él. Todo esto dentro del horizonte de eventos.
No se sabe cuál será el destino final del astronauta en caída libre. El impacto con la singularidad gravitacional en el centro nunca ocurrirá, porque requeriría un tiempo infinito según su marco de referencia. El único evento digno de mención (y fatal) será el inconmensurable aumento de las fuerzas de las mareas . Continuando en el otoño, la espaguetificación será de hecho un proceso imparable: mantener dos puntos juntos a lo largo del radio del agujero negro requerirá una energía que tiende al infinito a medida que continúa la caída libre. Y dado que la caída nunca terminará y el movimiento horizontal a lo largo de la circunferencia del agujero negro siempre será posible, a partir de cierto momento la materia (o lo que quede de ella) comenzará a tener solo dos dimensiones de libertad (ya no tres). .) más tiempo. Es a todos los efectos la eliminación de una dimensión espacial. El momento formal en el que esto ocurre coincide con el momento exacto en el que la velocidad de escape inducida por las fuerzas de la marea entre dos puntos arbitrariamente cercanos a lo largo de la dimensión radial excederá la velocidad de la luz. Es un evento muy similar (aunque limitado a una sola dimensión espacial) a lo que se hipotetiza en uno de los posibles escenarios que describen el fin del universo : el Big Rip .
Sin embargo, es un proceso gradual. Debería haber una zona, más allá del horizonte de eventos para los observadores externos (y por lo tanto efectivamente "fuera" de nuestro Universo ) y mucho antes de que las fuerzas de marea vengan a eliminar la dimensión espacial paralela al radio del agujero negro en cuyas leyes físicas son las mismas. leyes que conocemos. Cuanto mayor sea el agujero negro, mayor será esta área. Si alguien pudiera observar el final de las tres dimensiones (pero estamos mucho más allá de la tolerabilidad física de las enormes fuerzas de marea), notaría la aparición de un horizonte negro detrás de ellos que se sumará a lo que está frente a ellos (horizonte de mareas). ., y los dos horizontes tenderán a acercarse cada vez más rápidamente hasta que el espacio sea aplastado en un plano. El observador también notará que antes de que esto suceda, ambos horizontes comenzarán a atraer objetos en caída libre junto a él hacia uno u otro dependiendo de dónde estén más cerca. Sin embargo, hasta que estos se unan, siempre estará en el centro entre los dos horizontes (imaginando al observador puntual: como hemos dicho, ningún cuerpo podría resistir esta fase de la caída).
Esto sucede porque el espacio a lo largo de la dimensión radial se expande cada vez más rápido, y dado que cuanto más distante está un objeto, más rápida será la expansión del espacio, más allá de una cierta distancia, la luz misma no podría llegar al observador (esto es de un horizonte completamente análogo al horizonte de sucesos cósmicos ); finalmente, la misma dilatación se acelera, por lo que los horizontes se irán acercando cada vez más.
Si las fuerzas de las mareas no existieran, la caída libre en un agujero negro sería simplemente un viaje eterno en gravedad cero sin eventos significativos.
Lo que se ha dicho hasta ahora se refiere a casos ideales muy simples de agujeros negros neutros y no giratorios (llamados agujeros negros de Schwarzschild ). La dinámica de los agujeros negros cargados y rotativos ( agujeros negros de Kerr-Newman ) es mucho más compleja, hasta el punto de que alguien ha propuesto que, una vez que han llegado muy profundo, las dimensiones físicas cambian de nuevo. [10] Esto ocurriría más allá del horizonte de Cauchy , que se encuentra incluso más internamente que el horizonte de eventos. También se ha propuesto la hipótesis de la posibilidad de órbitas estables complejas en forma de hélice dentro del horizonte de sucesos de los agujeros negros de Kerr-Newman . [10]
Horizonte de eventos cósmicos
Con el término horizonte de sucesos también nos referimos al límite del universo observable . Hasta ahora no se sabe si el universo es finito o infinito en tamaño y volumen, aunque la mayoría de los teóricos se inclinan actualmente a apoyar la tesis de un universo finito. Esta idea se basa en el supuesto de que, si admitimos que el universo es infinito, en consecuencia estaría compuesto por infinitas estrellas: tal conclusión llevaría al resultado lógico de que, al atardecer, el cielo continuaría iluminado durante el día. [11] . Sin embargo, debe tenerse en cuenta que esta paradoja se puede resolver fácilmente en función de la finitud de la velocidad de la luz y la edad del universo.
En cuanto al observable, sin embargo, gracias a que la velocidad de la luz es limitada, es posible deducir que es finito. El horizonte cósmico está a 13,7 mil millones de años luz de distancia. Sin embargo, la distancia efectiva de este horizonte es mayor, 47 mil millones de años luz para ser precisos, porque en el tiempo que tardó la luz en llegar hasta nosotros, este borde ha seguido expandiéndose.
Nota
- ^ Cabe señalar que esta no es una fotografía real sino el resultado del procesamiento de enormes cantidades de datos incompletos reconstruidos íntegramente por computadoras con gran poder de cómputo (en Il Post.it , 10 de abril de 2019 )
- ↑ Aquí está la foto del siglo, la primera de un agujero negro , en ansa.it , ANSA , 10 de abril de 2019. Consultado el 10 de abril de 2019 .
- ^ Roger Penrose :El camino a la realidad. Las leyes fundamentales del Universo , Rizzoli, Milán, 2004
- ^ Martin Bojowald, The Bouncing Universe , en The Sciences , diciembre de 2008, págs. 58-59.
- ↑ Leonard Susskind, Agujeros negros y la paradoja de la información , en Le Scienze , n. 346, junio de 1997, págs. 56-61.
- ^ La gravedad superficial de un agujero negro es la aceleración que experimenta un cuerpo cerca del horizonte de sucesos.
- ^ Xaonon: Calculadora de radiación Hawking , en xaonon.dyndns.org . Consultado el 24 de abril de 2012 (archivado desde el original el 14 de octubre de 2008) .
- ↑ Thorne , 824
- ^ Viaje a un agujero negro de Schwarzschild
- ^ A b (ES) ¿Hay vida dentro de los agujeros negros? ( PDF ), en arxiv.org . ¿Planetas y vida dentro de los agujeros negros? , en link2universe.net (archivado desde la URL original el 29 de diciembre de 2013) .
- ^ El universo se acabó
Bibliografía
- ( EN ) Kip S. Thorne, Charles W. Misner y John Archibald Wheeler, Gravitation , 1973.
- (EN) Robert M. Wald, Relatividad general.
- (ES) Wolfgang Rindler , Relatividad: especial, general y cosmológica.
- ( EN ) LV Hau, SE Harris, Z. Dutton y CH Behroozi, Reducción de la velocidad de la luz a 17 metros por segundo en un gas atómico ultrafrío , en Nature , n. 397, 18 de febrero de 1999, págs. 594–598.
Artículos relacionados
- Calabozo
- Radio de Schwarzschild
- Mecánica cuántica
- Interacción gravitacional
- Horizonte de partículas
- Relatividad general
- Singularidad gravitacional
- Espaguetificación
enlaces externos
- ( ES ) Métricas: distancias en un universo relativista , en iapetus.phy.umist.ac.uk . Obtenido el 25 de abril de 2004 (archivado desde el original el 14 de julio de 2004) .
