domingo, 13 de abril de 2014

¿Puede la luz orbitar un agujero negro?

Artículo cedido por Fran Sevilla, autor del blog Vega 0.0. [Fuente del artículo: Phys.org]


¿Ya que agujeros negros son las muestras gravitacionales más poderosas del Universo entero, pueden deformar la luz tanto que entre en órbita? ¿Y a qué se parecería si se pudiera sobrevivir y seguir a la luz en este viaje alrededor de un agujero negro?

Considere este experimento mental, primero explicado según Newton. Imagínese que usted tiene un cañón que podría disparar una bala de cañón a lo lejos. La pelota volaría y caería, y luego chocaría contra la superficie. Si usted disparara la bala de cañón más fuerte volaría más lejos antes de caer a tierra. Y si usted podría disparar la bala de cañón con suficiente fuerza -y no hacer caso de la resistencia del aire-  viajaría alrededor de la Tierra. La bala de cañón estaría en  órbita. Cae hacia la Tierra, pero la la Tierra también se curva constantemente. 

Esto no sólo sirve para balas de cañón, astronautas y satélites: con la luz también. Este fue uno de los descubrimientos más grandes que Einstein hizo sobre la naturaleza de gravedad. La gravedad no es únicamente una fuerza atractiva entre masas, también es una distorsión del espacio-tiempo. Cuando la luz "cae" en la gravedad de un objeto masivo, su trayectoria se curva para seguir la curvatura del espacio-tiempo.



Las galaxias distantes, el Sol, y aún nuestra propio planeta Tierra harán que la luz sea desviada de su camino por la distorsión del espacio-tiempo. Pero la increible gravedad de un agujero negro puede retorcer el espacio-tiempo. Y sí, hay una región alrededor de un agujero negro donde incluso los fotones son forzados a viajar en una órbita. De hecho, esta región se conoce como la "esfera del fotón".

Vistos desde muy lejos, los agujeros negros actúan como cualquier objeto masivo. Si usted substituyera el Sol por un agujero negro de la misma masa, nuestra Tierra seguiría en órbita exactamente el mismo modo que lo hace actualmente. Pero al acercarnos al agujero negro, el objeto que orbita tiene que ir más rápido. La esfera del fotón es la órbita final estable que puede un cuerpo tener alrededor de un agujero negro. Y sólo la luz, moviendose a la velocidad de la luz, puede tener dicha órbita estable a dicha separación del agujero negro.


Imagínese que usted puede sobrevivir en dicha "esfera del fotón" de un agujero negro. Podría señalar con su linterna en una dirección, y ver la luz detrás de usted, después de que ésta orbitara totalmente el agujero negro. Usted también sería bañado por la radiación de todos los fotones capturados en esta región. La luz visible podría ser bonita, pero los rayos X y la radiación gamma serían letales.

Por ebajo de la "esfera de fotón" usted vería sólo la oscuridad. Está el horizonte de sucesos, el punto de no retorno incluso para la luz. Y por encima de usted vería el Universo deformado por la intensa gravedad del agujero negro. Usted vería el cielo entero, incluso las estrellas que normalmente estarían ocultadas por el agujero negro, debido al efecto de la gravedad sobre la luz que de ellas recibimos. Esto sería un lugar increible y a la vez mortal.

[Fuente del artículo: Phys.org]

7 comentarios:

  1. "Y sólo la luz, moviendose a la velocidad de la luz, puede tener dicha órbita..." La luz por el hecho de serlo gira a esa velocidad sin necesidad de decirlo, cuando no es luz automaticamente no tiene esa velocidad, ¿cierto? Por otra parte, si es un tema fascinante, que solo podemos imaginarlo y no vivirlo para contarlo.

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    1. Hola,

      Quizás la expresión no sea de lo mas afortunada y existan mejores formas, pero la idea que intenta transmitir es que esta órbita únicamente la puede alcanzar la luz.

      Saludos,
      Fran

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  2. Hola Verónica. Hola Fran.
    En caso de existir los agüeros negros tal como los entendemos, y en el supuesto que milagrosamente algún ser y el mismo Universo pudiera sobrevivir a su existencia, y estos fuesen los únicos milagros permitidos.
    Me parece que esa sería la visión que tendríamos.
    Pero creo, que el verdadero problema con los agujeros negros, es su existencia.
    Primero, debo pedirte disculpas Fran, por mi poco nivel matemático.
    Por eso, es que no tengo muy claro, que la manera en que algunos sistemas matemáticos son utilizados en ciertos campos, como la física, las unidades que se emplean conjuntamente con las propiedades de los sistemas de cálculo, sea la correcta o compatible, sí me permites ser un poco Eleático. Por cierto, parte de su filosofía, la poca que nos ha llegado discute eso.
    Agujeros negros.
    Entendidos como sistemas done la gravedad es enorme debido a su enorme masa y ello provoca un colapso gravitatorio.
    Lo puntualizo, debido a que podrían existir otras posibilidades.
    No creo que sean compatibles con la teoría del BigBang, ni con la teoría Inflacionaria.
    A pesar de estar vasados en la teoría de la relatividad general, esta no es compatible con ellos.
    En su estructura no están incluidas, ni la materia oscura ni la energía oscura.
    Parece que se rigen más por las propiedades del sistema de cálculo, que por ninguna propiedad física.
    No poseemos una teoría sobre la gravedad que sea válida, más allá de las condiciones en que la gravedad es compatible con la relatividad general.
    Verónica,
    Hace tiempo hablando de los agujeros negros, te dije; Que no eran nuevos en el pensamiento humano.
    Su estructura matemática tiene un primo hermano, que tiene aproximadamente la no despreciable edad de unos 2500 años de antigüedad.

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  3. El eleático, Zenón de Elea, en su intento de demostrar, la imposibilidad de determinar el movimiento mediante el sistema matemático. Nos lego una serie de Aporias,(El término aporía (del griego ἀπορία, dificultad para el paso), a veces escrito como aporima, hace referencia a los razonamientos en los cuales surgen contradicciones o paradojas irresolubles; en tales casos las aporías se presentan como dificultades lógicas casi siempre de índole especulativa.1).
    Entre ellas la denominada Aquiles y la Tortuga.
    La aporia o paradoja de Aquiles y la tortuga
    Aquiles, llamado "el de los pies ligeros" y el más hábil guerrero de los aqueos, quien mató a Héctor, decide salir a competir en una carrera contra una tortuga. Ya que corre mucho más rápido que ella, y seguro de sus posibilidades, le da una gran ventaja inicial. Al darse la salida, Aquiles recorre en poco tiempo la distancia que los separaba inicialmente, pero al llegar allí descubre que la tortuga ya no está, sino que ha avanzado, más lentamente, un pequeño trecho. Sin desanimarse, sigue corriendo, pero al llegar de nuevo donde estaba la tortuga, ésta ha avanzado un poco más. De este modo, Aquiles no ganará la carrera, ya que la tortuga estará siempre por delante de él.
    El pobre Aquiles, sin querer ha caído en un agujero negro matemático. Solamente tienes que sustituir a la lenta tortuga, por la masa inicial y al pobre y veloz Aquiles por la luz o materia que cruza el horizonte de sucesos. Los dos sistemas matemáticos incurren en el mismo problema de incompatibilidades, que hace que tengan el mismo resultado, un infinito incoherente.
    Hay que tener mucho cuidado al utilizar la gravedad y la relatividad general, ambas solamente son compatibles dentro de un estado característico de los sistemas en el que fueron postuladas.
    Einstein postulo la relatividad general, dentro de un sistema donde el Universo estaba en estado estacionario. Esto lo hemos olvidado y habitualmente sacamos las cosas fuera de contexto. Del mismo modo que afirmamos que nuestro Universo se está expandiendo. Seguramente su evolución es expansiva, pero también podría ser que tras el Big Bang nuestro Universo este en una fase casi estacionaria. Lo único que podemos afirmar de momento que se está expandiendo, es la materia bariónica y no tenemos que olvidar que: Según cálculos recientes, la materia bariónica constituye solamente el 4% de la masa del universo. Un 23% está formado por materia oscura y el 73% restante por la energía oscura. Seguramente la materia bariónica se está expandiendo, diluendose o transformándose en energía dentro de nuestro propio Universo, sin por ello tener grandes efectos en la expansión total del Universo.
    No creo que el 4% que representa la materia bariónica en nuestro Universo, sean suficientes para permitir la creación de agujeros negros, ni mucho menos poder afirmar que nuestro Universo se está expandiendo, de la misma manera que lo hace la materia bariónica.
    Tenemos que reinterpretar algunos conceptos como la gravedad, la luz… Y después sí, buscar el sistema de calculo que nos permita su interpretación i predicción.
    Un saludo.
    Josep

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  4. Hola Josep,

    En el caso de los agujeros negros, existe la posibilidad de entenderlos en parte desde la teoría de la relatividad general. El problema surge al intentar comprender a que queda reducido el cuerpo que inicialmente dio lugar a un agujero negro. Dicho cuerpo se cree que está reducido a una escala tal y que curvatura del espacio-tiempo es tan enorme, que se escapa de la capacidad de ser interpretada por la RG. Pero a pesar de ser tan minúsculo, la teoría cuántica hoy por hoy es incapaz de comprender como actúa la gravedad, por lo que tampoco puede dar explicación alguna. En este caso ambas teorías son incapaces de explicar que ocurre en lo que se llama singularidad. Nuevos estudios están avanzando en intentar comprender las propiedades del tejido del espacio-tiempo y crear así una nueva teoría que lo explique, que se denomina comunmente gravedad cuántica. Así por ejemplo hace poco han realizado simulaciones para intentar determinar si el espacio-tiempo a la escala de Planck -donde deberíamos empezar a estudiar las singularidades- es continuo o discreto. Al igual que ocurrió con la teoría de la gravitación de Newton, ampliada con la RG, ésta será seguramente ampliada en el futuro para comprender fenómenos que hoy por hoy están fuera de sus límites -y no por ello la RG es incorrecta-.

    La RG explica perfectamente lo que ocurre en el entorno del agujero negro. No podemos saber que ocurre exactamente dentro del horizonte de sucesos pues no podemos "verlo", pero si que el entorno lo vemos a través de p.e. los discos de acreción que radian en rayos-X blandos y que concuerdan perfectamente con la aceleraciones relativistas previstas por la teoría y con las teoría hidrodinámicas que explicar el fluir de los gases en la proximidad del horizonte de sucesos.

    En cuanto a la expansión del universo no tiene que ver con la expansión de la materia bariónica. La materia bariónica no se expande. Lo que se expande es el tejido del espacio-tiempo propiamente, y a nivel local, p.e. galaxias dicha expansión hoy por hoy no es detectable. La materia bariónica no se expande. Se expande el tejido sobre la que se sostiene tanto la bariónica como la oscura. Quizás el motor de dicha expansión esté en la llamada energía oscura.

    Saludos,
    Fran

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  5. Hola Fran
    Gracias por tus respuestas y tu paciencia.
    Veo que te has dado perfectamente cuenta que Aquiles (Aquiles, representa a un semidiós algo indeterminado entre los seres humanos y los dioses, una unidad matemática indeterminada, una burla que utilizo Zenón contra la secta pitagórica, por su hermetismo, y por hacer de los números divinidades) Aquiles, tiene matemáticamente el mismo problema de indeterminación que la materia en un agujero negro. Sus unidades matemáticas no son compatibles con los respectivos sistemas, o como ocurre con la materia y la gravedad poseen ciertas propiedades que no están incorporadas en los cálculos que se utilizan para los agujeros negros. Los dos sistemas poseen el mismo tipo de falsificación matemática. Los dos sistemas terminan en sendos infinitos. La aparición de infinitos en sistemas con unidades físicas, es la demostración que hemos incurrido en incompatibilidades en el sistema, debido que no siempre las unidades físicas y sus propiedades son compatibles con las propiedades del sistema de cálculo. A no ser que sea una unidad de espacio-tiempo, donde el infinito representa a un estado particular del espacio-tiempo.
    Referente a la expansión de la materia bariónica. Supongo que entenderías mejor si dijera:
    La materia bariónica se desplaza, por un tejido de espacio-tiempo en expansión.
    En tus palabras:
    Lo que se expande es el tejido del espacio-tiempo propiamente,
    Sé que tanto la materia oscura, como la energía oscura, aun no las podemos detectar directamente.
    Me pregunto si podemos detectar el tejido espacio-tiempo, y como este se está expandiendo, sin utilizar el desplazamiento de la materia bariónica, ni su transformación en energía.
    Me podrías explicar cómo lo entiendes Fran.
    La energía oscura como posible motor de la expansión del Universo?. Podríamos decir que la energía oscura es una reacción provocada por el motor, para llamarlo de alguna manera, pero no es el motor en si, sí es una parte fundamental del ciclo.
    Es difícil cambiarlo casi todo sin apenas tocar nada. Pero es posible.
    Un saludo cordial.
    Josep

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    1. Hola Josep,

      Hoy por hoy creo que detectar el espacio-tiempo como tal, es algo que está completamente fuera de nuestro alcance. Para sondearlo deberíamos "bajar" al menos al nivel de la escala de Planck, lo que salvo enormes avances en ciencia y tecnología, no es factible. Quizás lo tiros vayan más por la línea de buscar consecuencias de su existencia.

      Por cierto, la RG no trata la física de la singularidad, cuando la aborda da infinitos y por lo tanto, directamente no queda dentro del tratamiento que hace la teoría. Intentarlo lo intentaron, pero está claro que el dominio de la RG no incluye ni el Big Bang ni las singularidades.

      Saludos,

      Fran

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