Astronomía

¿Se ha medido ya la velocidad de los fotones procedentes de los agujeros negros?

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¿Se ha medido ya la velocidad de los fotones que provienen de los agujeros negros? No tengo conocimiento de tales medidas.

La razón de la pregunta es la siguiente: si el espacio-tiempo cerca de los agujeros negros tiene algunas dimensiones adicionales, entonces los fotones creados en este espacio-tiempo de dimensión superior podrían tener componentes distintos de cero del vector de onda en estas dimensiones adicionales. En la Tierra, sin embargo, vemos solo nuestros 3 o 4 componentes del vector de onda, por lo que podríamos ver solo la proyección del vector de onda original en nuestro espacio-tiempo (3,1) dimensional. En este caso, la velocidad de los fotones podría ser menor que la velocidad estándar de la luz.

Tengo en mente un modelo especial de nuestro universo. Creo que nuestro universo es el horizonte de un espacio-tiempo (4,2) dimensional. En este horizonte (que es nuestro universo) no vemos las dimensiones extra, sin embargo, deberían ser visibles cerca de los agujeros negros. Entonces, en este modelo, los agujeros negros son las ventanas hacia las dimensiones adicionales.


No.

  1. Los fotones no pueden provenir de la singularidad de un agujero negro o más allá del horizonte de eventos.
  2. Si bien existen algunos muy buenos candidatos para los agujeros negros, ciertamente no se ha observado ninguno.
  3. Nunca hemos observado la radiación de Hawking: sigue siendo una teoría.
  4. Hemos observado la radiación del disco de acreción de probables agujeros negros, sin embargo, la materia en este disco está orbitando en el espacio-tiempo "normal".
  5. La medición directa de la velocidad de los fotones individuales está prácticamente descartada. Podemos medir la velocidad de la luz creando fotones en un punto y luego cronometrando cuando esos fotones llegan a otro. No se puede medir el paso de un fotón, ya que para medirlo tendrías que interactuar con él. Si interactúas con él, ya no es el mismo fotón. Esto lleva a…
  6. Cuando hablamos de un fotón que viaja de un punto a otro, recordemos que es un proceso cuántico: el fotón interactúa con la materia y consigo mismo. Los fotones no son partículas clásicas. Todo sobre ellos debe considerarse a través de la electrodinámica cuántica.
  7. Los destellos de los púlsares provienen de una región de intensa gravedad. Se propagan a la velocidad de la luz: los púlsares medidos desde diferentes lugares parpadean en momentos ligeramente diferentes debido al tiempo de viaje de la luz. No hay nada especial en el espacio-tiempo fuera de un agujero negro en comparación con el alrededor de una estrella de neutrones, solo una diferencia de grado. La gravedad sigue siendo bastante intensa alrededor de una estrella de neutrones, $ g Approx10 ^ {12} mathrm {ms ^ -2} $
  8. El desplazamiento al rojo gravitacional de las enanas blancas es bien conocido. La relatividad predice el corrimiento al rojo gravitacional, que asume una velocidad constante de la luz.
  9. La velocidad constante de la luz es fundamental para la relatividad. Si una teoría rompe esto, muchas otras físicas se rompen (las afirmaciones excepcionales requieren evidencia excepcional)

¿Puede una `` estrella '' de un Agujero Negro comprometer la fusión, se acumularían los fotones dentro de la estrella, se degradarían los fotones en otra cosa?

Hay mucho que considerar en esta pregunta, y no estoy seguro de que la existencia de la humanidad sea lo suficientemente larga como para responder realmente a la pregunta. Sin embargo, es divertido especular.

Sabemos que la materia es destrozada por las fuerzas gravitacionales de un BH. También sabemos que a medida que esto sucede, se liberan enormes cantidades de energía. También sospechamos que la fricción de la materia que se frota entre sí produce una enorme cantidad de calor produciendo el disco de acreción que es visiblemente observable. Personalmente, no estoy seguro de si estamos viendo puramente reacciones de fisión cuando los átomos se rompen, o si hay reacciones de fusión debido a que los átomos chocan entre sí a velocidades tan increíbles. Quizás ambos ocurren en el disco de acreción al mismo tiempo. El hecho de que podamos observar esto visualmente significa que algunos fotones se están escapando. Esto probablemente sea similar a usar la gravedad de un planeta para lanzar una nave espacial con mayor velocidad y una trayectoria diferente.

También sabemos que los BH emiten enormes cantidades de radiación gamma en sus polos.

En otros comentarios. *** A menudo me ha parecido curioso que tantos sostengan la posición de que los BH no emiten luz, pero es evidente que sí lo hacen cuando observamos el disco de acreción y los chorros polares de un BH. ***

Durante mucho tiempo sospeché que los BH podrían ser tan masivos que los fotones son arrojados desde un BH a una velocidad tan grande que se mueven más rápido que la luz. Si este fuera el caso, entonces la probabilidad de que pudiéramos observar que esto sucede utilizando la tecnología científica actual sería nula.

La siguiente pregunta en mi mente a considerar es exactamente cuánto volumen posee realmente un BH. ¿Cuánto de lo que no podemos ver es en realidad el propio BH y cuánto es el espacio entre él y el disco de acreción?

Quizás el disco de acreción y los chorros polares son el resultado de la emisión de fotones a una velocidad superior a la de la luz y solo se vuelven visibles una vez que disminuyen lo suficiente como para ser observados. Qué los hace más lentos es otra cuestión. Una posibilidad es que chocan con la materia entrante cuando cae en el BH.

No sé la respuesta a su pregunta y sospecho que nadie la conoce.

. pero fue divertido reflexionar sobre ello.

Gracias por el entrenamiento.

Solo si la región que rodea a un BH se considera parte de un BH, pero esto crea confusión, en mi opinión. Nada puede escapar de un BH desde adentro. [La radiación de Hawking parece tener lugar pero solo en la "superficie".]

Los flujos hiipolares, la radiación de alta energía, etc. es el resultado de que la materia se vuelva salvaje cuando se encuentra con el monstruo que llamamos agujeros negros.


. Hay una ecuación simple que debería encontrar con bastante facilidad, pero estoy en mi teléfono, de lo contrario, la buscaría por usted.

Helio, dices con certeza que nada puede escapar de un BH desde adentro, pero luego reconoces que la Radiación de Hawking se puede observar en la superficie. En esa declaración se asume que de alguna manera la Radiación de Hawking solo está ocurriendo en la superficie. Ignora por completo la posibilidad de que un BH pueda estar expulsando esa radiación y luego sea observable en la superficie. Entiendo que el punto de vista tradicional es que nada puede escapar a un BH, pero como señalé, podemos ver visiblemente el disco de acreción y podemos observar la radiación gamma expulsada por sus polos. Son solo afirmaciones teóricas de que "la materia se está volviendo loca" debido a la proximidad de esa materia a un BH que la posibilidad de que un BH expulse la materia es generalmente rechazada.

El error que la comunidad científica ha cometido en repetidas ocasiones a lo largo de la historia es asumir que, sin evidencia concreta, la teoría "actual" no debe ser cuestionada. Nuestra comprensión de los BH se encuentra en una etapa embrionaria y cualquiera que diga lo contrario cometerá el mismo error que otros cometieron en el pasado.

También estoy familiarizado con la fórmula para medir el volumen de un BH. Una vez más se hace una suposición con la propia fórmula. Mide la distancia desde la singularidad al horizonte de eventos, pero asume la ubicación de la singularidad y el espacio entre ella y el horizonte de eventos. En los últimos años, los científicos han reevaluado estimaciones anteriores sobre el tamaño de algunos BH. Space.com cubrió uno de esos BH, Cygnus X-1, en febrero de este año y, como resultado de su reevaluación, decidió que el BH en realidad era un 50% más grande de lo que se pensaba anteriormente. Este solo hecho pone en duda la propia fórmula utilizada para determinar el volumen.

¿Puede un BH que deforma el espacio y el tiempo medirse adecuadamente con una fórmula que solo funciona cuando el espacio y el tiempo no están deformados?

Catástrofe

¿Se acerca al asteroide? ¿Este es EL indicado?

& quotay aunque teóricamente, un universo puede ser tan pequeño como para caber en la cabeza de un alfiler & quot

Perdón. ¿Ese es el Universo?

Tiape

No tengo experiencia ni pista, de hecho, de qué causas se expresan en un agujero negro. Sin embargo, hay una perspectiva que me gusta de Josh, quien también afirma no saber mucho.

"No voy a reclamar ningún conocimiento real sobre el tema, o la mayor parte de lo que menciono, así que siéntete libre de corregirme por cualquier aspecto extremadamente imprudente o imposible, pero aquí va."
Un agujero negro para mí, parece que es la personificación de la nada. Hay algo, luego el espacio general y luego un agujero negro. Me parece que algo a nada es relativamente posible, ya que en un momento nada llegó a ser algo, sin embargo, siento que el universo mismo no permitiría tal defecto, ya que el universo parece bastante perfecto en su diseño.
Una teoría con la que me he topado es la teoría de que todos los átomos tienen una forma negativa y positiva entre las que pueden intercambiarse. Es una especie de trato de materia y antimateria, pero todos los átomos experimentan esto, y vivimos en positivo.
Este tipo de interactúa con la idea de un agujero negro, una explosión masiva de algo que creó energía a poderes más allá.
números para los que tenemos palabras (googlplex's), durante un período de años apenas usamos el número para (miles de millones). Y eventualmente explota, y como consecuencia de tal energía, se forma un agujero negro (si eso es todavía lo que la gente cree). Entonces, una ridícula masa de energía positiva sale de un punto del universo, y en este punto, absorbe en masa, todo, un pozo de gravedad perfecto e ineludible.
¿Podría ser posible que después de que irradie tanta energía positiva desde un punto, explote, luego comience a absorber toda la energía positiva que entra en él, para reequilibrar la ridícula cantidad de energía negativa que estaría luego de tal cosa? ?
Puedo imaginarlo, más como una explosión bajo el agua (una implosión en realidad). Primero explota, y luego todo es absorbido hasta que está en su punto natural. Excepto que se trata de una bomba masiva (mucho más grande que cualquier bomba que podamos hacer o imaginar), pero a escala tan pequeña (se llena a un nivel subatómico, si no a un nivel de electrones) que se necesita un tiempo increíblemente largo para hacerlo. volver a la normalidad.
E incluso entonces eso no tiene en cuenta para decir que toda esta energía que está absorbiendo, no está siendo enviada a otro espacio o incluso a otro tiempo.
Entonces, como resumen, supongo que lo que estoy concluyendo que son los agujeros negros es una enorme esfera negativa. Y como todas las cosas quieren ser neutrales, absorbe tanto positivo (la realidad en la que vivimos) como sea posible, prácticamente, indefinidamente, toda la materia positiva que se le acerca para ser absorbida sin defecto, sin escape posible. Para responder si tiene masa, realmente no lo sé con certeza, pero por lo que puedo decir, tiene una masa finita. Pero el tiempo necesario para que alcance un punto neutro es absolutamente ridículo, ya que tendría que llenar todo ese espacio impecablemente, hasta lo absoluto con la poca energía que recibe de la luz, o pequeños fragmentos de átomos. .
Pero, de nuevo, no tengo ningún conocimiento real sobre el tema, es solo mi conjetura sobre lo que he leído y aprendido durante un tiempo.

Siento que todo intenta llegar a un punto de estabilidad pero, en virtud de su existencia, no puede. El viaje continúa.

XXXXXUSERXXXXX

“Personalmente estoy de acuerdo en que las cosas pueden ocurrir, y probablemente sucedieron, en nuestro universo a una velocidad mayor que la de la luz. & quot

Ellas hacen. Pero no material cosas.

Mira la Luna y luego la galaxia más lejana. Tu pensamiento ha viajado quizás miles de millones de años luz en una fracción de segundo. Pero tus pies estan quietos atrapado aquí.

XXXXXUSERXXXXX

No tengo experiencia ni pista, de hecho, de qué causas se expresan en un agujero negro. Sin embargo, hay una perspectiva que me gusta de Josh, quien también afirma no saber mucho.

"No voy a reclamar ningún conocimiento real sobre el tema, o la mayor parte de lo que menciono, así que siéntete libre de corregirme por cualquier aspecto extremadamente imprudente o imposible, pero aquí va."
Un agujero negro para mí, parece que es la personificación de la nada. Hay algo, luego el espacio general y luego un agujero negro. Me parece que algo a nada es relativamente posible, ya que en un momento nada llegó a ser algo, sin embargo, siento que el universo mismo no permitiría tal defecto, ya que el universo parece bastante perfecto en su diseño.
Una teoría con la que me he topado es la teoría de que todos los átomos tienen una forma negativa y positiva entre las que pueden intercambiarse. Es una especie de trato de materia y antimateria, pero todos los átomos experimentan esto, y vivimos en positivo.
Este tipo de interactúa con la idea de un agujero negro, una explosión masiva de algo que creó energía a poderes más allá.
números para los que tenemos palabras (googlplex's), durante un período de años apenas usamos el número para (miles de millones). Y eventualmente explota, y como consecuencia de tal energía, se forma un agujero negro (si eso es todavía lo que la gente cree). Entonces, una ridícula masa de energía positiva sale de un punto del universo, y en este punto, absorbe en masa, todo, un pozo de gravedad perfecto e ineludible.
¿Podría ser posible que después de que irradie tanta energía positiva desde un punto, explote, luego comience a absorber toda la energía positiva que entra en él, para reequilibrar la ridícula cantidad de energía negativa que estaría luego de tal cosa? ?
Puedo imaginarlo, más como una explosión bajo el agua (una implosión en realidad). Primero explota, y luego todo es absorbido hasta que está en su punto natural. Excepto que se trata de una bomba masiva (mucho más grande que cualquier bomba que podamos hacer o imaginar), pero a escala tan pequeña (se llena a un nivel subatómico, si no a un nivel de electrones) que se necesita un tiempo increíblemente largo para hacerlo. volver a la normalidad.
E incluso entonces eso no tiene en cuenta para decir que toda esta energía que está absorbiendo, no está siendo enviada a otro espacio o incluso a otro tiempo.
Entonces, como resumen, supongo que lo que estoy concluyendo que son los agujeros negros es una enorme esfera negativa. Y como todas las cosas quieren ser neutrales, absorbe tanto positivo (la realidad en la que vivimos) como sea posible, prácticamente, indefinidamente, toda la materia positiva que se le acerca para ser absorbida sin defecto, sin escape posible. Para responder si tiene masa, realmente no lo sé con certeza, pero por lo que puedo decir, tiene una masa finita. Pero el tiempo necesario para que alcance un punto neutro es absolutamente ridículo, ya que tendría que llenar todo ese espacio impecablemente, hasta lo absoluto con la poca energía que recibe de la luz, o pequeños fragmentos de átomos. .
Pero, de nuevo, no tengo ningún conocimiento real sobre el tema, es solo mi conjetura sobre lo que he leído y aprendido durante un tiempo.

Fuente CompartirCrear 11 dic, 2012 a las 20:00
Josh & quot

Siento que todo intenta llegar a un punto de estabilidad pero, en virtud de su existencia, no puede. El viaje continúa.

Un agujero negro no es "nada" porque hay una masa medible, ondas de gravedad, partículas entrelazadas. Somos biológicos diminutos que estamos aquí por un segmento de tiempo muy pequeño. No lo sabemos. Inventamos la "materia oscura" y la "energía oscura" para llenar los huecos de nuestro conocimiento. Quiero decir, el universo que podemos observar todavía se ESTÁ EXPANDIENDO. Y no sabemos por qué. Es interesante que nos encontremos con una singularidad cada vez que seguimos una investigación lo suficientemente lejos, ya sea la evolución estelar, el & quotBig Bang & quot, matemáticas, música o teoría unificada.

Referencia:
Gödel, Escher, Bach: una eterna trenza dorada
Douglas Hofstadter - 1979

Helio

Creo que encontrará que Hawking Radiation tiene que ver con lo que puede o no escapar de un BH. La idea general es que cuando las partículas virtuales entran y salen del espacio-tiempo, como se sabe, están en pares. Entonces, a medida que estos pares salen, se separan, uno cae en el BH y el otro se forma donde la velocidad de escape es un poco menor que c. Esta radiación es extremadamente débil para los BH, pero aparentemente no para los microagujeros negros de corta duración.

No hay evidencia de que yo sepa que sugiera ligeramente que estos eventos tienen alguna conexión con el interior del EH, aparte de que la gravedad del BH es la causa, por supuesto.

Correcto, y todas las teorías de BH (no la teoría pseudocientífica) de cualquier credibilidad apoyan este punto de vista. Lo que está en juego es la propia GR. La primera solución (1915, IIRC), como se dijo anteriormente, para el GR de Einstein (también 1915) fue la de un BH, curiosamente, donde la densidad alcanzó un punto donde la velocidad de escape era mayor que c. Recuerde que 10 años antes (1905) SR dejó en claro que nada puede ser más rápido que c.

Sí, eso ciertamente puede y ha sucedido. Einstein, un humilde empleado de patentes, estaba desafiando a Newton con su teoría de RS, entonces, ¿cómo se convirtió en la corriente principal? Es cierto que fue un proceso lento, pero la ciencia se basa en objetivos y una vez que encajaron suficientes puntos, especialmente cuando la teoría anterior se falsificó (por ejemplo, la anomalía de la precesión de Mercurio), se produjo una aceptación cada vez mayor de Einstein.

No. Embryonic estaba en 1915 con Schwarzschild, cuando él los predijo y nadie lo creyó posible. Hoy tenemos videos de estrellas que se mueven a velocidades increíbles alrededor de un punto central en el centro de nuestras ondas de gravedad de la galaxia que solo tienen sentido con las fusiones de BH, rayos X de una región donde un disco de acreción se extrae misteriosamente de una estrella y se calienta. luego desaparecen en las zonas centrales centrales de SN masivas, desaparecen estrellas de neutrones y púlsares que se forman a partir de estrellas menos masivas, etc.

Cualquier teoría científica que pueda explicar todos los eventos observados mejor que las teorías de BH, podría fácilmente merecer un Premio Nobel.

Sí, es una gran excusa para que los astrónomos nunca curen su & quot; fiebre de la apertura de cuotas & quot. Más grande y mejor casi siempre producirá, al menos, mejores resultados. Para mí, lo que es increíble no es lo que los astrónomos no pueden ver, sino cuánto han aprendido de lo poco que pueden ver.

Claro, GR produce resultados increíblemente precisos para la métrica del espacio-tiempo fuera de los agujeros negros, aunque sin duda es diferente a los de aquí, afortunadamente.

IIRC, el primer indicio de que Einstein estaba en el camino correcto con sus valores de equivalencia (gravedad = aceleración) - este es un elemento de GR pero no todo - fue que explicaba el pequeño corrimiento al rojo que se encuentra en la luz emitida por el Sol (es decir, luz del sol). La gravedad en el Sol, como ocurre con toda la gravedad, desplaza la luz hacia el rojo. Los astrónomos solares descubrieron esto años antes que Einstein, pero lo descartaron como Doppler o una mala medición con instrumentos débiles, etc. Pero cada vez era más razonable esperar una mejor respuesta. Einstein supo entonces que estaba en algo, pero lo mantuvo en silencio. Tampoco se jactó de esta solución GR para la órbita de Mercurio. Ambas cosas son algo retrodictivas a su teoría, que los científicos considerarán una solución ad hoc: no se escucha demasiado para producir una teoría que hace predicciones cuando ya se conocen las respuestas.

La gran prueba para Einstein fue el cambio angular en la luz de las estrellas cuando pasa cerca del Sol, una prueba que solo se puede obtener durante un eclipse solar.Esto abordó la otra área de su teoría donde la luz parece ralentizarse y se comporta como si se estuviera produciendo una refracción. Sus ecuaciones hicieron una predicción de deflexión angular muy definida que pasaría o no su teoría. El resultado del eclipse de 1919 es lo que finalmente hizo famoso a Einstein.

Vincenzosassone

Helio

Me pregunto si no existe una paradoja con respecto a la densidad infinita de una singularidad. Si un BH, digamos de 20 soles de masa, tiene una singularidad de densidad infinita, y otro BH, digamos de 40 soles, también tiene densidad infinita, ¿cuál densidad infinita es mayor que la otra densidad infinita? ¿No tendrían sus EH también radios infinitos?

No es de extrañar escuchar que las ecuaciones de la física moderna fallan en las singularidades. La expresión que más me gusta es que "las ruedas se van volando" del vagón.

La ciencia, en mi opinión, solo debe entenderse libremente como una realidad. Prefiero pensar en la ciencia como una conversación con la naturaleza y no como una ciencia basada en objetivos, donde los hechos concretos tienen prioridad. No hay hechos concretos sobre la materia que desaparece, especialmente cuando los EH son estables debido a la muy probable presencia de materia.

Un agujero negro no es "nada" porque hay una masa medible, ondas de gravedad, partículas entrelazadas. Somos biológicos diminutos que estamos aquí por un segmento de tiempo muy pequeño. No lo sabemos. Inventamos la "materia oscura" y la "energía oscura" para llenar los huecos de nuestro conocimiento. Quiero decir, el universo que podemos observar todavía se ESTÁ EXPANDIENDO. Y no sabemos por qué. Es interesante que nos encontremos con una singularidad cada vez que seguimos una investigación lo suficientemente lejos, ya sea la evolución estelar, el & quotBig Bang & quot, matemáticas, música o teoría unificada.

Referencia:
Gödel, Escher, Bach: una eterna trenza dorada
Douglas Hofstadter - 1979

IG2007

"No critique lo que no puede entender. & quot

Creo que encontrará que Hawking Radiation tiene que ver con lo que puede o no escapar de un BH. La idea general es que cuando las partículas virtuales entran y salen del espacio-tiempo, como se sabe, están en pares. Entonces, a medida que estos pares salen, se separan, uno cae en el BH y el otro se forma donde la velocidad de escape es un poco menor que c. Esta radiación es extremadamente débil para los BH, pero aparentemente no para los microagujeros negros de corta duración.

No hay evidencia de que yo sepa que sugiera ligeramente que estos eventos tienen alguna conexión con el interior del EH, aparte de que la gravedad del BH es la causa, por supuesto.

Correcto, y todas las teorías de BH (no la teoría pseudocientífica) de cualquier credibilidad apoyan este punto de vista. Lo que está en juego es la propia GR. La primera solución (1915, IIRC), como se dijo anteriormente, para el GR de Einstein (también 1915) fue la de un BH, curiosamente, donde la densidad alcanzó un punto donde la velocidad de escape era mayor que c. Recuerde que 10 años antes (1905) SR dejó en claro que nada puede ser más rápido que c.

Sí, eso ciertamente puede y ha sucedido. Einstein, un humilde empleado de patentes, estaba desafiando a Newton con su teoría de RS, entonces, ¿cómo se convirtió en la corriente principal? Es cierto que fue un proceso lento, pero la ciencia se basa en objetivos y una vez que encajaron suficientes puntos, especialmente cuando la teoría anterior se falsificó (por ejemplo, la anomalía de la precesión de Mercurio), se produjo una aceptación cada vez mayor de Einstein.

No. Embryonic estaba en 1915 con Schwarzschild, cuando él los predijo y nadie lo creyó posible. Hoy tenemos videos de estrellas que se mueven a velocidades increíbles alrededor de un punto central en el centro de nuestras ondas de gravedad de la galaxia que solo tienen sentido con las fusiones de BH, rayos X de una región donde un disco de acreción se extrae misteriosamente de una estrella y se calienta. luego desaparecen en las zonas centrales centrales de SN masivas, desaparecen estrellas de neutrones y púlsares que se forman a partir de estrellas menos masivas, etc.

Cualquier teoría científica que pueda explicar todos los eventos observados mejor que las teorías de BH, podría fácilmente merecer un Premio Nobel.

Sí, es una gran excusa para que los astrónomos nunca curen su & quot; fiebre de la apertura de cuotas & quot. Más grande y mejor casi siempre producirá, al menos, mejores resultados. Para mí, lo que es increíble no es lo que los astrónomos no pueden ver, sino cuánto han aprendido de lo poco que pueden ver.

Claro, GR produce resultados increíblemente precisos para la métrica del espacio-tiempo fuera de los agujeros negros, aunque sin duda es diferente a los de aquí, afortunadamente.

IIRC, el primer indicio de que Einstein estaba en el camino correcto con sus valores de equivalencia (gravedad = aceleración) - este es un elemento de GR pero no todo - fue que explicaba el pequeño corrimiento al rojo que se encuentra en la luz emitida por el Sol (es decir, luz del sol). La gravedad en el Sol, como ocurre con toda la gravedad, desplaza la luz hacia el rojo. Los astrónomos solares descubrieron esto años antes que Einstein, pero lo descartaron como Doppler o una mala medición con instrumentos débiles, etc. Pero cada vez era más razonable esperar una mejor respuesta. Einstein supo entonces que estaba en algo, pero lo mantuvo en silencio. Tampoco se jactó de esta solución GR para la órbita de Mercurio. Ambas cosas son algo retrodictivas a su teoría, que los científicos considerarán una solución ad hoc: no se escucha demasiado para producir una teoría que hace predicciones cuando ya se conocen las respuestas.

La gran prueba para Einstein fue el cambio angular en la luz de las estrellas cuando pasa cerca del Sol, una prueba que solo se puede obtener durante un eclipse solar. Esto abordó la otra área de su teoría donde la luz parece ralentizarse y se comporta como si se estuviera produciendo una refracción. Sus ecuaciones hicieron una predicción de deflexión angular muy definida que pasaría o no su teoría. El resultado del eclipse de 1919 es lo que finalmente hizo famoso a Einstein.

Helio, entiendo su continua dependencia de las soluciones formuladas. Producen resultados a preguntas que a los matemáticos les gusta creer que son capaces de resolver. Sin embargo, las comunidades científicas y matemáticas todavía están aplicando constantes universales a los objetos que distorsionan esas constantes de maneras que aún tenemos que comprender completamente, ya que nuestra incapacidad para observar cómo se ven afectadas estas constantes está más allá de nuestra capacidad. CASI TODO LO QUE PENSAMOS que sabemos sobre los BH se basa en estas constantes que sin duda están alteradas más allá de nuestra capacidad de detección, ya que no podemos observar más allá del horizonte de eventos.

Desafortunadamente, no entiendo su creencia de que nuestra comprensión de los BH ha progresado más allá de la etapa embrionaria. Cada BH que observamos es mucho más antiguo que la humanidad. Todavía tenemos que ver una forma en nuestras observaciones. Es probable que los BH tengan miles de millones de años, y dado que están a una gran distancia de nosotros, cualquier luz que detectemos en las proximidades de estos BH probablemente haya tardado al menos 1000 años en llegar. Aunque Karl Schwarzschild postuló su existencia en 1916, el primero no se descubrió realmente hasta 1964. Ese BH era Cygnus X-1, el BH mencionado anteriormente que los científicos han declarado recientemente era más grande de lo que se creía, por lo que no estoy de acuerdo (respetuosamente) con sus afirmaciones de que estamos más allá de nuestra comprensión embrionaria de BH.

Sí, creemos que entendemos más, y quizás lo entendemos. Sin embargo, gran parte de esa comprensión se basa en constantes matemáticas que seguramente están pervertidas por las energías masivas asociadas con BH y, por lo tanto, lo más probable es que no se apliquen. tanto como nos gustaría que lo hicieran.


Los científicos han creado agujeros negros. Miden 0,1 mm y constan de 8.000 átomos & # 8211 NeeWS

Los físicos israelíes del Technion-Israel Institute of Technology decidieron crear agujeros negros artificiales y ver si Stephen Hawking tenía razón en que estos objetos podían emitir radiación, aunque nada realmente escapa al alcance de su gravedad más poderosa.

El fallecido y eminente físico Stephen Hawking creía que a pesar de que una vez que las partículas cruzan el horizonte de sucesos, ya no pueden escapar del centro del agujero negro porque su velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz. Mientras tanto, sin embargo, Hawking sugirió que las llamadas partículas virtuales son libres de salir de ellas. Este fenómeno se conoce como radiación de Hawking.

Los científicos israelíes crearon casi 100.000 agujeros negros de 0,1 mm de tamaño, que consistían en 8.000 átomos de rubidio en forma gaseosa. Su objetivo era observar si aparecerían pares de fotones en el borde del horizonte de eventos. Debe enfatizarse aquí que este espacio está vacío, por lo que se supone que las partículas surgen del vacío, es decir, de la nada. Se suponía que uno de los fotones caería en el agujero negro y el otro lo dejaría. Por lo tanto, la radiación debe ser estacionaria.

Los científicos utilizaron el equivalente analógico de la radiación de Hawking, es decir, fotones, en forma de ondas sonoras. Los átomos de rubidio corren más rápido que el sonido, por lo que no deberían salir del agujero negro. Mientras tanto, fuera del agujero negro, las ondas sonoras se movían con normalidad. Durante el transcurso del experimento, los científicos no creyeron lo que veían sus ojos cuando resultó que una ola cayó detrás del horizonte de eventos y la otra salió.

Significa que Stephen Hawking tenía razón, al menos en pequeña escala. La radiación no solo es estacionaria, sino que también surge de la nada. ¿Cómo son los agujeros negros reales? ¿Le está pasando el mismo fenómeno? Aún no lo sabemos. No será fácil demostrarlo. La NASA informa que la solución a este misterio no se dará en los próximos años, debido a que la humanidad aún no cuenta con la tecnología para hacerlo.

La observación de la radiación de Hawking en agujeros negros no será posible con ningún lanzamiento actual o incluso planeado para telescopios espaciales y aquellos que se encuentran apenas en la fase conceptual. Los expertos creen que la investigación a gran escala sobre este fenómeno es cuestión de varias décadas. por que es tan importante? Porque si existe la radiación de Hawking, cambiará nuestra visión del universo.

Hasta ahora sabemos que los agujeros negros devoran todo a su alrededor. En el futuro, estos objetos se comerán toda la materia del universo y se comerán a sí mismos, hasta que solo quede un agujero negro masivo. Mientras tanto, si la materia es capaz de escapar de la gravedad más poderosa de los agujeros negros, significa que una visión tan oscura nunca se hará realidad, porque a pesar de la absorción de materia por estos objetos, una parte de ellos fluye libremente de ellos, manteniendo así el equilibrio en el universo.

Fuente: GeekWeek.pl/ Nature / Technion-Israel Institute of Technology / Fot. NASA / Pexels

* El artículo ha sido traducido según el contenido de GeekWeek.pl & # 8211 Wiadomości por www.geekweek.pl. Si hay algún problema con el contenido, los derechos de autor, deje un informe debajo del artículo. Intentaremos procesar lo más rápido posible para proteger los derechos del autor. ¡Muchas gracias!

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Preguntas sobre los agujeros negros y la escala de Planck

Entonces, comencé a leer este artículo sobre diferentes teorías sobre qué son realmente los agujeros negros y, como es el caso con la mayoría de artículos como ese, generó más preguntas de las que respondió.

En primer lugar, si nada más pequeño que la escala de Planck es relevante y no se puede decir que exista en absoluto, aparte de algunas rarezas, creo recordar que Brain Greene escribió con respecto a la teoría de cuerdas, ¿cuál es la diferencia entre una singularidad y ¿Longitud, área o volumen de Planck? Me parece que son sinónimos por definición. El artículo solo menciona la longitud de Planck, por lo que no sé si realmente se refieren a un núcleo unidimensional, como una cuerda, dentro de un agujero negro, que en este caso no es realmente un agujero negro, o si se refieren a un Planck. Volumen.

En segundo lugar, que diablos es un área o volumen de Planck de todos modos? Siempre he imaginado un cuadrado y un cubo respectivamente, pero con respecto a un agujero negro, me parece que si el centro es realmente un volumen de materia de Planck, tendría que ser esférico. Y me hizo pensar que un Planck Length 3 es en realidad más grande que un Planck Volume, ya que todos los planos menos dos son más anchos que un Planck Area. Del mismo modo, un área de Planck tiene solo dos líneas que en realidad son una longitud de Planck, por lo que ¿no sería realmente un círculo? Y si es es realmente un cuadrado, ¿cómo cuadra ese cuadrado (lo siento) con la idea de que un agujero negro & # x27s entropía puede medirse en términos del número de áreas de Planck en él & # x27s horizonte de eventos cuando necesariamente tendrían que ser (no euclidianos ?) cuadrados con ángulos superiores a 90 °? No tiene sentido para mí si alguna parte del Área o Volumen de Planck tiene una dimensión más larga que la Longitud de Planck, lo que no parece ser posible en un espacio-tiempo curvo.

Por último, y esto se relaciona con mi primera pregunta, ¿por qué un agujero negro dejaría de ser un agujero negro y dejaría de tener un horizonte de eventos solo porque su corazón resultó tener una dimensionalidad distinta de cero? Por lo que recuerdo, se teorizó hace mucho tiempo cuando una estrella creciera lo suficiente como para que su velocidad de escape excediera C, estaría oscuro y, por lo tanto, tendría un horizonte de eventos, no se necesitan singularidades. Obviamente, ahora sabemos que & # x27 no es exactamente cómo funciona, pero, sin embargo, si la estrella todavía estaba allí detrás del velo de la curvatura infinita que crea, ¿en qué se diferencia eso de una singularidad? De cualquier manera, no hay salida aparte de la radiación de Hawking, por lo que parece que los dos objetos son funcionalmente idénticos.

Entonces, ¿alguien puede aclarar qué diablos está tratando de decir el artículo? Gracias.


¿Porcentaje total de fotones desplazados al rojo mientras se alejaban de un agujero negro?

Dado que nadie ha hecho los cálculos, todo lo que hemos dicho sobre los resultados es nuestra mejor suposición. Para saber con certeza cuál es el resultado, como ya se ha señalado, es necesario hacer los cálculos.

Desde el punto de vista de un observador que "flota" en reposo en relación con el agujero, sí. La aberración depende de relativo velocidad.

Como se indicó anteriormente, debes hacer los cálculos y ver si quieres estar seguro. Pero intuitivamente, podemos mirarlo desde dos puntos de vista:

Desde el punto de vista de los barcos, todos están en caída libre y están en reposo entre sí, por lo que no existe el & quot; corrimiento al rojo gravitacional & quot. Sin embargo, si su separación es lo suficientemente grande, la curvatura del espacio-tiempo podría ser detectable entre ellos durante el tiempo de vuelo de un fotón en particular, lo que significaría que la lógica de la oración anterior no sería del todo correcta (ya que asume que toda la flota puede estar contenido dentro de un único marco inercial local durante el tiempo de vuelo de un fotón).

Desde el punto de vista de un observador `` flotando '' en reposo en relación con el agujero, dado que todas las naves espaciales están en caída libre, están desacelerando, por lo que mientras un fotón tendrá un corrimiento al rojo gravitacional a medida que viaja hacia arriba, la nave que lo reciba tendrá desaceleró durante su vuelo, lo que provocará un desplazamiento al azul compensatorio (que es un efecto en el que no pensé cuando publiqué originalmente sobre el desplazamiento al rojo gravitacional). Sin embargo, sin hacer los cálculos, no sabemos con certeza si esos dos efectos se cancelan exactamente (aunque intuitivamente parece que deberían hacerlo).


Información del autor

Afiliaciones

Laboratorio clave de astronomía óptica, Observatorios Astronómicos Nacionales, Academia de Ciencias de China, Beijing, China

Jifeng Liu, Haotong Zhang, Zhongrui Bai, Youjun Lu, Stephen Justham, Wei Zhang, Hailong Yuan, Yiqiao Dong, Yajuan Lei, Song Wang, Yu Bai, Qing Gao, Yilun Wang, Zexi Niu, Kaiming Cui, Chuanjie Zheng, Lan Zhang , Zhaoxiang Qi, Tianmeng Zhang, Huijuan Wang, Juanjuan Ren, Junbo Zhang, Yongheng Zhao y amp Gang Zhao

Escuela de Astronomía y Ciencias Espaciales, Universidad de la Academia de Ciencias de China, Beijing, China

Jifeng Liu, Youjun Lu, Roberto Soria, Stephen Justham, Yilun Wang, Zexi Niu, Kaiming Cui, Chuanjie Zheng, Xiaoyong Mu, Yongheng Zhao y amp Gang Zhao

Centro Conjunto WHU-NAOC de Astronomía, Universidad de Wuhan, Wuhan, China

Departamento de Astronomía, Caltech, Pasadena, CA, EE. UU.

Instituto de Astronomía de Sydney, Universidad de Sydney, Sydney, Nueva Gales del Sur, Australia

El Instituto Anton Pannekoek de Astronomía, Universidad de Ámsterdam, Ámsterdam, Países Bajos

Escuela de Astronomía y Ciencias Espaciales, Universidad de Nanjing, Nanjing, China

Laboratorio clave de astronomía y astrofísica modernas (Universidad de Nanjing), Ministerio de Educación, Nanjing, China

Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT, EE. UU.

Laboratorio clave CAS para la investigación en galaxias y cosmología, Departamento de Astronomía, Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei, China

Tinggui Wang y amperio Yaoquan Chu

Centro Astronómico Nicolaus Copernicus, Academia Polaca de Ciencias, Varsovia, Polonia

Instituto de Astrofísica de Canarias, La Laguna, España

Jorge Casares, Antonio Cabrera-Lavers & amp Romano Corradi

Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Santa Cruz de Tenerife, España

Jorge Casares & amp Rafael Rebolo

Departamento de Astronomía, Universidad de California, Berkeley, CA, EE. UU.

Escuela de Física y Tecnología, Universidad de Wuhan, Wuhan, China

Centro Monash de Astrofísica, Facultad de Física y Astronomía, Universidad de Monash, Victoria, Australia

Observatorio Astronómico de Shanghai, Academia de Ciencias de China, Shanghai, China

Zhaoxiang Qi y amperio Shilong Liao

INAF – Osservatorio Astrofisico di Torino, Pino Torinese, Italia

Departamento de Astronomía, Universidad de Xiamen, Xiamen, China

Wei-Min Gu, Junfeng Wang y Jianfeng Wu

Instituto Kavli de Astronomía y Astrofísica, Universidad de Pekín, Beijing, China

Escuela de Física y Astronomía, Universidad Sun Yat-Sen, Zhuhai, China

Departamento de Física y Centro Tsinghua de Astrofísica, Universidad de Tsinghua, Beijing, China

Departamento de Astronomía, Universidad de Michigan, Ann Arbor, MI, EE. UU.

Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, Cambridge, MA, EE. UU.

Laboratorio clave de materia oscura y astronomía espacial, Observatorio de la Montaña Púrpura, Academia de Ciencias de China, Nanjing, China

Laboratorio clave para la estructura y evolución de objetos celestes, observatorios de Yunnan, Academia de Ciencias de China, Kunming, China

Zhanwen Han, Jujia Zhang y Xiaoli Wang

GRANTECAN, Breña Baja, España

Antonio Cabrera-Lavers, Romano Corradi y Rafael Rebolo

Instituto de Óptica y Tecnología Astronómicas de Nanjing, Academia de Ciencias de China, Nanjing, China

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Contribuciones

J.L. y H.Z. son igualmente responsables de supervisar el descubrimiento y las observaciones de seguimiento. H.Z. y Z.H. propuso la campaña de monitoreo de LAMOST, y el grupo de H.Z. redujo los datos de LAMOST con un esfuerzo meticuloso. J.L. propuso las observaciones de GTC / Keck / Chandra, y su grupo y el de H.Z. llevaron a cabo la posterior reducción y análisis de datos. J.L. escribió el manuscrito con la ayuda principalmente de H.Z., Y. Lu, R.S., S.W., X.L., Y.S., T.W., Y.B., Z.B., W.Z., Q.G., Y.W., Z.Z., K.B. y J.C. W.W., A.H., W.M.G., J. Wang, J. Wu, L.S., R.S., X.W., J.B., R.D.S. y Q.L. también contribuyó a la interpretación física y la discusión. H.Y., Y.D., Y. Lei, Z.N., K.C., C.Z., X.M., L.Z., T.Z., H.W., J.R., Junbo Zhang, Jujia Zhang y X.W. también contribuyó a la recopilación y reducción de datos. A.W.H. y hola. contribuyó a recopilar y reducir los datos de Keck. A.C.L., R.C. y R.R. contribuyeron a recopilar y reducir los datos de GTC. Z.Q., S.L. y M.L. contribuido a la utilización de los datos de Gaia. Y.Z., G.Z., Y.C. y X.C. contribuido a la implementación de LAMOST. Todos contribuyeron al artículo de diversas formas.

Autores correspondientes


"Los astrónomos han encontrado el agujero negro más grande jamás medido: es 40 mil millones de veces la masa del sol, o aproximadamente dos tercios de la masa de todas las estrellas de la Vía Láctea", escribe Astronomy.com.

Un lector comparte su informe: El gigantesco agujero negro acecha en una galaxia que es supermasiva en sí misma y probablemente se formó a partir de las colisiones de al menos ocho galaxias más pequeñas.

Holm 15A es una enorme galaxia elíptica en el centro de un cúmulo de galaxias llamado Abell 85. Cuando dos galaxias espirales, como nuestra Vía Láctea y la cercana Galaxia de Andrómeda, chocan, pueden fusionarse y formar una galaxia elíptica. En entornos abarrotados como los cúmulos de galaxias, estas galaxias elípticas pueden colisionar y fusionarse nuevamente para formar una galaxia elíptica aún más grande. Sus agujeros negros centrales también se combinan y forman agujeros negros más grandes, que pueden expulsar enormes franjas de estrellas cercanas a los bordes de la galaxia recién formada. La galaxia elíptica extragrande resultante generalmente no tiene mucho gas para formar nuevas estrellas, por lo que su centro se ve bastante desnudo después de que su agujero negro expulsa las estrellas cercanas. Los astrónomos llaman a estas enormes galaxias elípticas con centros débiles "galaxias con núcleo". Las galaxias con núcleos masivos a menudo se encuentran en los centros de los cúmulos de galaxias.

Los autores del nuevo estudio encontraron que Holm 15A, la enorme galaxia en el centro de su cúmulo de galaxias de origen, debe haberse formado a partir de otra fusión de dos galaxias elípticas con núcleo ya enormes. Eso significaría que Holm 15A probablemente se formó a partir de la combinación de ocho galaxias espirales más pequeñas durante miles de millones de años. Esta serie de fusiones también creó el agujero negro en su centro, un monstruo casi tan grande como nuestro sistema solar pero con una masa de 40 mil millones de soles.
Uno de los autores del estudio dice que su descubrimiento finalmente confirma la teoría actual sobre cómo funcionan los cuásares.


¿Qué es esta radiación?

La radiación electromagnética se propaga por el espacio libre o por un medio material en forma de ondas electromagnéticas de varias frecuencias, como las ondas de radio, que tienen baja frecuencia, y los rayos gamma, que corresponden a las frecuencias más altas del espectro electromagnético, con energías superiores a 1 millones de electronvoltios (eV). Los rayos gamma corresponden al rango de energía tratado en el papel.

Se sabe que los rayos gamma pueden ser producidos por protones y neutrones altamente energéticos conocidos como rayos cósmicos (CR). Sin embargo, no estamos seguros de dónde se producen estas partículas alrededor del BH en SgrA * y qué mecanismos las aceleran. Se conjetura que la aceleración de CR puede ser causada por un proceso llamado reconexión magnética. Esto ocurre cuando dos líneas de campo magnético en direcciones opuestas se acercan entre sí. Como las direcciones del campo son opuestas, cuando se tocan, se produce la aniquilación del campo en el punto de conexión. Sin embargo, se reconectan rápidamente cambiando de dirección. Por ejemplo, si inicialmente estuvieran orientados horizontalmente, después de la reconexión se orientarían verticalmente, cambiando así la configuración de los campos magnéticos y liberando energía en el sistema. Este mecanismo se encarga de convertir la energía magnética en energía cinética de las partículas.

Pero espera ... ¿BH tiene campos magnéticos? ¡Ellos si! El campo es advecido por la materia en acumulación que cae en él y las partículas cargadas siguen las líneas del campo durante el proceso de reconexión.


Respuestas y respuestas

Bueno, es raro que un artículo resuelva un tema tan complejo. Este artículo no cita ninguno de los trabajos involucrados en el siguiente artículo, que aboga por un rango de masa completamente diferente de PBH para la materia oscura, y llega a conclusiones completamente contradictorias.

Mi comprensión del PBH para la materia oscura es que habían descartado que esos agujeros negros fueran un componente importante de la materia oscura, excepto por el rango de los agujeros negros de masa intermedia (decenas a decenas de miles de masas solares). ¿Están diciendo que este rango de masa está descartado en este documento?

Editar:
Respondiendo a mi propia pregunta, ¡parece que mis conocimientos están desactualizados! Parece que los agujeros negros más grandes fueron descartados por su impacto en las supernovas: https://arxiv.org/abs/1712.02240

Aparentemente, las lentes gravitacionales de agujeros negros más grandes magnificarían las supernovas demasiado para coincidir con las observaciones actuales.

Bueno, es raro que un artículo resuelva un tema tan complejo. Este artículo no cita ninguno de los trabajos involucrados en el siguiente artículo, que aboga por un rango de masa completamente diferente de PBH para la materia oscura, y llega a conclusiones completamente contradictorias.

FWIW, no le doy mucho crédito a este que se basa en supuestos muy dependientes del modelo, como un modelo inflacionario particular, que se basa en un conjunto de datos muy delgado que tiene enormes incertidumbres estadísticas debido al tamaño pequeño de la muestra y sin comparaciones con nada parecido a un nulo o hipótesis alternativa. Y es contrario a otra literatura previa que usa una metodología diferente para hacer la misma pregunta como:
https://arxiv.org/abs/1712.02240 citado anteriormente en este hilo.

[Entregado el 7 de julio de 2020 (v1), última revisión el 13 de julio de 2020 (esta versión, v2)]
Evidencia de la materia oscura primordial del agujero negro a partir de las tasas de fusión de LIGO / Virgo
Karsten Jedamzik

Mi punto es que entre los expertos en la materia, la cuestión apenas está resuelta. Por ejemplo, se necesitaron muchos años para llegar a un consenso de que la expansión se estaba acelerando. La cosmología no tiene el lujo ni los experimentos repetibles, y casi todos La interpretación de las observaciones depende del modelo. No tengo una opinión sobre la probabilidad general de que el PBH sea materia oscura, pero no creo que este artículo por sí solo vaya a cambiar muchas mentes. Anoto las siguientes observaciones:

1) El artículo que cita aún no se ha publicado en una revista revisada por pares. El que cité ha sido publicado en una revista revisada por pares de primer nivel.

2) El artículo que cité discute el tema de los argumentos de lentes contra el PBH grande como materia oscura, por lo que son muy conscientes de ello. Mientras tanto, el artículo que citas, aunque se subió después de la publicación del que cito, parece no tener conocimiento de él (no lo cito ni un trabajo similar, que pude encontrar)

Mi punto es que entre los expertos en la materia, la cuestión apenas está resuelta. Por ejemplo, se necesitaron muchos años para llegar a un consenso de que la expansión se estaba acelerando. La cosmología no tiene el lujo ni los experimentos repetibles, y casi todos La interpretación de las observaciones depende del modelo. No tengo una opinión sobre la probabilidad general de que el PBH sea materia oscura, pero no creo que este artículo por sí solo vaya a cambiar muchas mentes. Anoto las siguientes observaciones:

1) El artículo que cita aún no se ha publicado en una revista revisada por pares. El que cité ha sido publicado en una revista revisada por pares de primer nivel.

2) El artículo que cité discute el tema de los argumentos de lentes contra el PBH grande como materia oscura, por lo que son muy conscientes de ello. Mientras tanto, el artículo que citas, aunque se subió después de la publicación del que cito, parece no tener conocimiento de él (no lo cito ni un trabajo similar, que pude encontrar)

JUEVES 4 DE FEBRERO DE 2021
Investigadores de UC Berkeley encuentran 1200 lentes para examinar la materia oscura

Un equipo de investigación encontró más de 1.200 lentes gravitacionales que podrían usarse para comprender y recopilar más datos sobre la materia oscura. La materia oscura solo se puede observar indirectamente a través de sus efectos gravitacionales.

ÚLTIMA ACTUALIZACIÓN 4 DE FEBRERO DE 2021

Un equipo que incluye a investigadores de UC Berkeley ha encontrado más de 1.200 lentes gravitacionales potenciales, objetos celestes que han demostrado ser una poderosa adición a las herramientas de los astrónomos y podrían ayudar a desmitificar la materia oscura de la que está compuesto la mayor parte del universo.

Las lentes gravitacionales son fenómenos astronómicos en los que dos galaxias u otros objetos grandes se alinean en relación con un punto focal, doblando la luz a través de sus campos gravitacionales de una manera que crea múltiples imágenes de la galaxia, según un comunicado de prensa del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, o Laboratorio de Berkeley. Dado que la materia oscura solo se puede observar indirectamente a través de sus efectos gravitacionales, tales lentes permiten a los astrofísicos rastrear su cantidad y distribución.

En mayo, los investigadores encontraron 355 lentes y ampliaron la búsqueda a partes más oscuras de los datos, como imágenes de menor resolución y galaxias de forma incierta, según Xiaosheng Huang, profesor asociado de UCSF y autor principal.

"(Lentes gravitacionales) fue algo que se planteó como hipótesis 60 años antes de que se viera", dijo David Schlegel, científico principal de la división de física de Berkeley Lab, que codirige el Instrumento espectroscópico de energía oscura relacionado, o DESI. "Einstein formuló la hipótesis en la década de 1920 de que podíamos ver este efecto ... pero ahora, estamos encontrando miles de ellos".

Las imágenes se descubrieron utilizando técnicas de aprendizaje automático para rastrear un estudio de imágenes del universo tomado para el proyecto DESI, que abarca imágenes que cubren "aproximadamente la mitad del cielo", según Schlegel. El equipo ya ha comenzado a buscar más lentes en el último lanzamiento de la encuesta, según Huang.

Huang dijo que el equipo planea trazar la distribución e intensidad de la luz emitida por estos lentes e imágenes de mayor resolución para determinar si estos sistemas realmente pueden usarse como lentes. Luego, el equipo planea construir modelos matemáticos para los sistemas con el fin de hacer un "progreso serio" hacia la determinación de la naturaleza de la materia oscura, agregó Huang.

Según Schlegel, las lentes gravitacionales tienen aplicaciones mucho más amplias que la búsqueda de materia oscura, y más lentes significan que los investigadores pueden ser más selectivos al elegir cuál usar para modelar y medir mejor la escala y expansión del universo.

Los estudiantes de UC Berkeley jugaron "papeles importantes" en estos descubrimientos, según Huang. El estudiante de segundo año del campus, Saurav Banka, proporcionó una inspección humana de los candidatos a lentes sugeridos por el modelo de aprendizaje automático para mejorarlo. Banks dijo que su participación en la investigación lo inspiró a realizar un doctorado.

El junior de Campus, Andi Gu, ha estado con el proyecto durante un año y medio y trabaja para desarrollar técnicas para mejorar la eficiencia del modelo de aprendizaje automático.

"Es muy emocionante, definitivamente es un privilegio como estudiante tener esta oportunidad única", dijo Gu. "Mi investigador principal (Huang) me ha inculcado un sentido de responsabilidad en el sentido de que debemos asegurarnos de que nuestros resultados sean examinados a fondo antes de publicarlos porque pueden tener un impacto grave en la dirección del campo".

29 DE MARZO DE 2021
La materia oscura es la fuente más probable de exceso de rayos gamma del centro galáctico
por INFN

En el pasado reciente, las misiones espaciales dedicadas al estudio de señales astrofísicas en el espectro de alta energía revelaron una serie de excesos enigmáticos no previstos por los modelos teóricos. Para encontrar una explicación a estas anomalías, se han propuesto muchas soluciones. La hipótesis más interesante invoca la contribución de la elusiva materia oscura, la misteriosa forma de materia cuatro veces más abundante que la materia bariónica, y de la que los científicos hasta ahora solo han detectado efectos gravitacionales.


Dos estudios teóricos recientes llevados a cabo por Mattia di Mauro, investigador de la división de Turín del INFN, uno de los cuales apareció hoy en Revisión física D, confirman que esta explicación es compatible con excesos medidos, lo que demuestra además que no es refutada por posibles discrepancias entre los datos teóricos y observacionales. Los resultados obtenidos se basan en un análisis innovador y refinado que compara los datos adquiridos en los últimos 11 años por el principal instrumento a bordo del Fermi de la NASA, el Fermi Large Area Telescope (LAT), con mediciones de otras anomalías astronómicas registradas por el detector orbital Pamela y por el experimento del Espectrómetro Magnético Alfa (AMS-02) a bordo de la Estación Espacial Internacional. Pamela y AMS son gestionadas por colaboraciones internacionales en las que INFN juega un papel decisivo.

A partir de 2009, año en el que las mediciones de Fermi arrojaron un excedente de fotones con energías iguales o superiores a 1 GeV (2000 veces la masa de un electrón) provenientes del centro de nuestra galaxia, la comunidad astrofísica ha tratado de explicar las observaciones. de varias formas, incluida la posible presencia de miles de púlsares débiles cerca del centro galáctico y la posible contribución de rayos gamma proporcionada por la materia oscura. Estos análisis estaban sujetos a una gran incertidumbre ya que se referían a modelos del llamado fondo de rayos gamma astrofísico, producido por rayos cósmicos o por fuentes conocidas, que, aunque capaces de incluir una cierta variabilidad, están sujetos a un gran error.

Para describir las propiedades del exceso de rayos gamma con mayor precisión y evaluar si es realmente compatible con la materia oscura, el nuevo estudio se basó en el conjunto más amplio de datos recopilados en el último año por el LAT y utilizó una técnica de análisis que minimiza las incertidumbres del trasfondo astrofísico mediante la adopción de múltiples modelos. “La metodología de análisis empleada”, explica Mattia di Mauro, “ha aportado información muy relevante sobre la distribución espacial del exceso de radiación gamma, que puede explicar qué genera el exceso de fotones de alta energía en el centro galáctico. Si el exceso fuera, por ejemplo, causado por la interacción entre los rayos cósmicos y los átomos, esperaríamos observar su mayor distribución espacial a menores energías y su menor difusión a mayores energías debido a la propagación de partículas cósmicas. Mi estudio, por otro lado, subraya cómo la distribución espacial del exceso no cambia en función de la energía. Este aspecto nunca se había observado antes y podría explicarse por la interpretación de la presencia de materia oscura de la materia oscura. Esto se debe a que creemos que las partículas que componen el halo de materia oscura deberían tener energías similares. El análisis muestra claramente que el exceso de rayos gamma se concentra en el centro galáctico, exactamente lo que esperaríamos encontrar en el corazón de la Vía Láctea si la materia oscura fuera de hecho un nuevo tipo de partícula ''.


Un segundo estudio, que se publicará en la misma revista, examina la validez de la hipótesis de la materia oscura utilizando las predicciones de un modelo más grande que describe las posibles interacciones de partículas de este escurridizo componente del universo. Un modelo teórico demostró cómo la existencia de partículas de materia oscura no es refutada por otras anomalías registradas en el trasfondo astrofísico. Estos incluyen el exceso de positrones medidos por Pamela y AMS-02, si se atribuye a un exceso de materia oscura, y la no detección de fotones de alta energía de galaxias enanas cercanas a la nuestra, cuyos movimientos estelares implican la presencia de altas concentraciones de materia oscura.

Di Mauro dice: `` A partir del modelo físico desarrollado en este segundo estudio, luego de considerar diferentes resultados para la interacción y aniquilación de partículas de materia oscura, alternativas que precederían a la producción de fotones de alta energía, verificamos cuál de estas posibilidades se ajustaba mejor a el exceso de rayos gamma del centro galáctico, considerando también el excedente de positrones y la no detección de rayos gamma de las galaxias enanas. Esta comparación ha permitido derivar propiedades precisas de la materia oscura, propiedades compatibles con el exceso del centro galáctico y los límites superiores encontrados con otros datos de partículas ''.


Contenido

La idea de un cuerpo tan masivo que ni siquiera la luz podría escapar fue propuesta brevemente por el pionero astronómico y clérigo inglés John Michell en una carta publicada en noviembre de 1784. Los cálculos simplistas de Michell asumieron que tal cuerpo podría tener la misma densidad que el Sol, y concluyó que tal cuerpo se formaría cuando el diámetro de una estrella excede el del Sol en un factor de 500, y la velocidad de escape de la superficie excede la velocidad habitual de la luz. Michell señaló correctamente que tales cuerpos supermasivos pero no radiantes podrían ser detectables a través de sus efectos gravitacionales en cuerpos visibles cercanos. [7] [25] [26] Los estudiosos de la época estaban inicialmente entusiasmados con la propuesta de que estrellas gigantes pero invisibles pudieran estar escondidas a plena vista, pero el entusiasmo se apagó cuando la naturaleza ondulatoria de la luz se hizo evidente a principios del siglo XIX. [27]

Si la luz fuera una onda en lugar de un "corpúsculo", no está claro qué influencia tendría la gravedad en el escape de las ondas de luz, si es que tiene alguna. [7] [26] La física moderna desacredita la noción de Michell de un rayo de luz disparado directamente desde la superficie de una estrella supermasiva, siendo ralentizado por la gravedad de la estrella, deteniéndose y luego en caída libre hacia la superficie de la estrella. [28]

Relatividad general

En 1915, Albert Einstein desarrolló su teoría de la relatividad general, habiendo demostrado anteriormente que la gravedad influye en el movimiento de la luz. Solo unos meses después, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de campo de Einstein, que describe el campo gravitacional de una masa puntual y una masa esférica. [29] Unos meses después de Schwarzschild, Johannes Droste, un estudiante de Hendrik Lorentz, dio de forma independiente la misma solución para la masa puntual y escribió más extensamente sobre sus propiedades. [30] [31] Esta solución tuvo un comportamiento peculiar en lo que ahora se llama el radio de Schwarzschild, donde se volvió singular, lo que significa que algunos de los términos en las ecuaciones de Einstein se volvieron infinitos. La naturaleza de esta superficie no se entendió del todo en ese momento. En 1924, Arthur Eddington mostró que la singularidad desapareció después de un cambio de coordenadas (ver coordenadas de Eddington-Finkelstein), aunque Georges Lemaître tardó hasta 1933 en darse cuenta de que esto significaba que la singularidad en el radio de Schwarzschild era una singularidad de coordenadas no físicas. [32] Arthur Eddington, sin embargo, comentó sobre la posibilidad de una estrella con masa comprimida al radio de Schwarzschild en un libro de 1926, señalando que la teoría de Einstein nos permite descartar densidades demasiado grandes para estrellas visibles como Betelgeuse porque "una estrella de 250 millones El radio de kilómetros no podría tener una densidad tan alta como el Sol. En primer lugar, la fuerza de la gravitación sería tan grande que la luz no podría escapar de ella y los rayos retrocederían a la estrella como una piedra a la tierra. En segundo lugar, el desplazamiento al rojo de las líneas espectrales sería tan grande que el espectro desaparecería. En tercer lugar, la masa produciría tanta curvatura de la métrica del espacio-tiempo que el espacio se cerraría alrededor de la estrella, dejándonos afuera (es decir, en ninguna parte ). " [33] [34]

En 1931, Subrahmanyan Chandrasekhar calculó, utilizando la relatividad especial, que un cuerpo no giratorio de materia degenerada por electrones por encima de cierta masa límite (ahora llamado límite de Chandrasekhar a 1,4 M ) no tiene soluciones estables. [35] Sus argumentos fueron rechazados por muchos de sus contemporáneos como Eddington y Lev Landau, quienes argumentaron que algún mecanismo aún desconocido detendría el colapso. [36] Tenían razón en parte: una enana blanca ligeramente más masiva que el límite de Chandrasekhar colapsará en una estrella de neutrones, [37] que en sí misma es estable. Pero en 1939, Robert Oppenheimer y otros predijeron que las estrellas de neutrones por encima de otro límite (el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff) colapsarían aún más por las razones presentadas por Chandrasekhar, y concluyeron que era probable que ninguna ley de la física interviniera y detuviera al menos a algunos estrellas de colapsar a agujeros negros. [38] Sus cálculos originales, basados ​​en el principio de exclusión de Pauli, lo dieron como 0,7 M La consideración posterior de la repulsión neutrón-neutrón mediada por una fuerza fuerte elevó la estimación a aproximadamente 1,5 M hasta 3,0 M . [39] Las observaciones de la fusión de estrellas de neutrones GW170817, que se cree que generó un agujero negro poco después, han refinado la estimación del límite TOV a

Oppenheimer y sus coautores interpretaron la singularidad en el límite del radio de Schwarzschild como una indicación de que este era el límite de una burbuja en la que el tiempo se detuvo. Este es un punto de vista válido para los observadores externos, pero no para los observadores en caída. Debido a esta propiedad, las estrellas colapsadas se denominaron "estrellas congeladas", porque un observador externo vería la superficie de la estrella congelada en el tiempo en el instante en que su colapso la lleva al radio de Schwarzschild. [45]

Edad de oro

En 1958, David Finkelstein identificó la superficie de Schwarzschild como un horizonte de eventos, "una membrana unidireccional perfecta: las influencias causales pueden atravesarla en una sola dirección". [46] Esto no contradecía estrictamente los resultados de Oppenheimer, pero los amplió para incluir el punto de vista de los observadores en caída. La solución de Finkelstein amplió la solución de Schwarzschild para el futuro de los observadores que caen en un agujero negro. Martin Kruskal ya había encontrado una extensión completa, a quien instó a publicarla. [47]

Estos resultados se produjeron al comienzo de la edad de oro de la relatividad general, que estuvo marcada por la relatividad general y los agujeros negros se convirtieron en temas principales de investigación. Este proceso fue ayudado por el descubrimiento de púlsares por Jocelyn Bell Burnell en 1967, [48] [49] que, en 1969, se demostró que eran estrellas de neutrones en rápida rotación. [50] Hasta ese momento, las estrellas de neutrones, como los agujeros negros, se consideraban meras curiosidades teóricas, pero el descubrimiento de los púlsares mostró su relevancia física y estimuló un mayor interés en todo tipo de objetos compactos que podrían formarse por colapso gravitacional. [ cita necesaria ]

En este período se encontraron soluciones de agujeros negros más generales. En 1963, Roy Kerr encontró la solución exacta para un agujero negro giratorio. Dos años más tarde, Ezra Newman encontró la solución axisimétrica para un agujero negro que es a la vez giratorio y con carga eléctrica. [51] A través del trabajo de Werner Israel, [52] Brandon Carter, [53] [54] y David Robinson [55] surgió el teorema de la ausencia de pelo, que afirma que una solución de agujero negro estacionario se describe completamente mediante los tres parámetros de la métrica de Kerr-Newman: masa, momento angular y carga eléctrica. [56]

Al principio, se sospechó que las extrañas características de las soluciones de los agujeros negros eran artefactos patológicos de las condiciones de simetría impuestas, y que las singularidades no aparecerían en situaciones genéricas. Este punto de vista fue sostenido en particular por Vladimir Belinsky, Isaak Khalatnikov y Evgeny Lifshitz, quienes intentaron demostrar que no aparecen singularidades en soluciones genéricas. Sin embargo, a finales de la década de 1960, Roger Penrose [57] y Stephen Hawking utilizaron técnicas globales para demostrar que las singularidades aparecen de forma genérica. [58] Por este trabajo, Penrose recibió la mitad del Premio Nobel de Física 2020, habiendo muerto Hawking en 2018. [59] Basado en observaciones en Greenwich y Toronto a principios de la década de 1970, Cygnus X-1, una fuente de rayos X galáctica descubierto en 1964, se convirtió en el primer objeto astronómico comúnmente aceptado como un agujero negro. [60] [61]

El trabajo de James Bardeen, Jacob Bekenstein, Carter y Hawking a principios de la década de 1970 condujo a la formulación de la termodinámica de los agujeros negros. [62] Estas leyes describen el comportamiento de un agujero negro en estrecha analogía con las leyes de la termodinámica al relacionar la masa con la energía, el área con la entropía y la gravedad de la superficie con la temperatura. La analogía se completó cuando Hawking, en 1974, mostró que la teoría cuántica de campos implica que los agujeros negros deberían irradiar como un cuerpo negro con una temperatura proporcional a la gravedad superficial del agujero negro, prediciendo el efecto ahora conocido como radiación de Hawking. [63]

Etimología

John Michell utilizó el término "estrella oscura", [64] ya principios del siglo XX, los físicos utilizaron el término "objeto colapsado gravitacionalmente". La escritora científica Marcia Bartusiak atribuye el término "agujero negro" al físico Robert H. Dicke, quien a principios de la década de 1960 comparó el fenómeno con el Agujero Negro de Calcuta, conocido como una prisión donde la gente entraba pero nunca salía con vida. [sesenta y cinco]

El término "agujero negro" fue utilizado en forma impresa por La vida y Noticias de ciencia revistas en 1963, [65] y por la periodista científica Ann Ewing en su artículo "'Black Holes' in Space", de fecha 18 de enero de 1964, que era un informe sobre una reunión de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia celebrada en Cleveland, Ohio. [66] [67]

En diciembre de 1967, un estudiante supuestamente sugirió la frase "agujero negro" en una conferencia de John Wheeler. [66] Wheeler adoptó el término por su brevedad y "valor publicitario", y rápidamente se hizo popular, [68] lo que llevó a algunos a darle crédito a Wheeler. con acuñar la frase. [69]

El teorema de la ausencia de pelo postula que, una vez que alcanza una condición estable después de la formación, un agujero negro tiene solo tres propiedades físicas independientes: masa, carga eléctrica y momento angular; de lo contrario, el agujero negro no tiene rasgos característicos. Si la conjetura es cierta, dos agujeros negros cualesquiera que compartan los mismos valores para estas propiedades, o parámetros, son indistinguibles entre sí. El grado en que la conjetura es cierta para los agujeros negros reales bajo las leyes de la física moderna es actualmente un problema sin resolver. [56]

Estas propiedades son especiales porque son visibles desde el exterior de un agujero negro. Por ejemplo, un agujero negro cargado repele otras cargas similares como cualquier otro objeto cargado. De manera similar, la masa total dentro de una esfera que contiene un agujero negro se puede encontrar usando el análogo gravitacional de la ley de Gauss (a través de la masa ADM), lejos del agujero negro. [70] Del mismo modo, el momento angular (o giro) se puede medir desde lejos utilizando el arrastre del cuadro por el campo gravitomagnético, a través, por ejemplo, del efecto Lense-Thirring. [71]

Cuando un objeto cae en un agujero negro, cualquier información sobre la forma del objeto o la distribución de la carga en él se distribuye uniformemente a lo largo del horizonte del agujero negro y se pierde para los observadores externos. El comportamiento del horizonte en esta situación es un sistema disipativo que es muy análogo al de una membrana elástica conductora con fricción y resistencia eléctrica: el paradigma de la membrana. [72] Esto es diferente de otras teorías de campo como el electromagnetismo, que no tienen fricción ni resistividad a nivel microscópico, porque son reversibles en el tiempo. Debido a que un agujero negro finalmente alcanza un estado estable con solo tres parámetros, no hay forma de evitar perder información sobre las condiciones iniciales: los campos gravitacional y eléctrico de un agujero negro dan muy poca información sobre lo que entró. La información que se pierde incluye todas las cantidades que no se pueden medir lejos del horizonte del agujero negro, incluidos los números cuánticos aproximadamente conservados, como el número total de bariones y el número de leptones. Este comportamiento es tan desconcertante que se le ha llamado la paradoja de la pérdida de información del agujero negro. [73] [74]

Propiedades físicas

Los agujeros negros estáticos más simples tienen masa, pero no tienen carga eléctrica ni momento angular. Estos agujeros negros a menudo se denominan agujeros negros de Schwarzschild en honor a Karl Schwarzschild, quien descubrió esta solución en 1916. [29] Según el teorema de Birkhoff, es la única solución de vacío que es esféricamente simétrica. [75] Esto significa que no hay diferencia observable a una distancia entre el campo gravitacional de tal agujero negro y el de cualquier otro objeto esférico de la misma masa. La noción popular de un agujero negro "succionando todo" en su entorno es, por tanto, correcta sólo cerca del horizonte de un agujero negro lejano, el campo gravitacional externo es idéntico al de cualquier otro cuerpo de la misma masa. [76]

También existen soluciones que describen agujeros negros más generales. Los agujeros negros cargados no rotatorios se describen mediante la métrica Reissner-Nordström, mientras que la métrica Kerr describe un agujero negro rotatorio no cargado. La solución de agujero negro estacionario más general conocida es la métrica de Kerr-Newman, que describe un agujero negro con carga y momento angular. [77]

Si bien la masa de un agujero negro puede tomar cualquier valor positivo, la carga y el momento angular están restringidos por la masa. La carga eléctrica total Q y el momento angular total J se espera que satisfagan

por un agujero negro de masa METRO. Los agujeros negros con la masa mínima posible que satisfaga esta desigualdad se denominan extremos. Existen soluciones de las ecuaciones de Einstein que violan esta desigualdad, pero no poseen un horizonte de eventos. Estas soluciones tienen las llamadas singularidades desnudas que se pueden observar desde el exterior y, por lo tanto, se consideran poco físico. La hipótesis de la censura cósmica descarta la formación de tales singularidades, cuando se crean mediante el colapso gravitacional de la materia realista. [2] Esto está respaldado por simulaciones numéricas. [78]

Debido a la fuerza relativamente grande de la fuerza electromagnética, se espera que los agujeros negros que se forman por el colapso de las estrellas retengan la carga casi neutra de la estrella. Sin embargo, se espera que la rotación sea una característica universal de los objetos astrofísicos compactos. La fuente de rayos X binaria candidata a agujero negro GRS 1915 + 105 [79] parece tener un momento angular cercano al valor máximo permitido. Ese límite no cargado es [80]

permitiendo la definición de un parámetro de giro adimensional tal que [80]

0 ≤ c J G M 2 ≤ 1. < Displaystyle 0 leq < frac >> leq 1.> [80] [Nota 1]

Clasificaciones de agujeros negros
Clase Aprox.
masa
Aprox.
radio
Agujero negro supermasivo 10 5 –10 10 M 0,001–400 AU
Agujero negro de masa intermedia 10 3 M 10 3 kilometros ≈ Rtierra
Agujero negro estelar 10 M 30 kilometros
Micro agujero negro hasta METROLuna hasta 0,1 mm

Los agujeros negros se clasifican comúnmente según su masa, independientemente del momento angular, J. El tamaño de un agujero negro, determinado por el radio del horizonte de sucesos, o el radio de Schwarzschild, es proporcional a la masa, METRO, mediante

dónde rs es el radio de Schwarzschild y M es la masa del sol. [82] Para un agujero negro con un giro distinto de cero y / o carga eléctrica, el radio es más pequeño, [Nota 2] hasta que un agujero negro extremo podría tener un horizonte de eventos cercano a [83]

Horizonte de eventos

La característica definitoria de un agujero negro es la aparición de un horizonte de sucesos, un límite en el espacio-tiempo a través del cual la materia y la luz pueden pasar solo hacia adentro, hacia la masa del agujero negro. Nada, ni siquiera la luz, puede escapar del interior del horizonte de sucesos. [85] [86] El horizonte de eventos se conoce como tal porque si un evento ocurre dentro del límite, la información de ese evento no puede llegar a un observador externo, lo que hace imposible determinar si tal evento ocurrió. [87]

Como predice la relatividad general, la presencia de una masa deforma el espacio-tiempo de tal manera que los caminos que toman las partículas se inclinan hacia la masa. [88] En el horizonte de sucesos de un agujero negro, esta deformación se vuelve tan fuerte que no hay caminos que se alejen del agujero negro. [89]

Para un observador distante, los relojes cercanos a un agujero negro parecerían marcar más lentamente que los que están más lejos del agujero negro. [90] Debido a este efecto, conocido como dilatación del tiempo gravitacional, un objeto que cae en un agujero negro parece ralentizarse a medida que se acerca al horizonte de sucesos, y tarda un tiempo infinito en alcanzarlo. [91] Al mismo tiempo, todos los procesos en este objeto se ralentizan, desde el punto de vista de un observador externo fijo, haciendo que cualquier luz emitida por el objeto parezca más roja y más tenue, un efecto conocido como desplazamiento al rojo gravitacional. [92] Finalmente, el objeto que cae se desvanece hasta que ya no se puede ver. Normalmente, este proceso ocurre muy rápidamente con un objeto que desaparece de la vista en menos de un segundo. [93]

Por otro lado, los observadores indestructibles que caen en un agujero negro no notan ninguno de estos efectos cuando cruzan el horizonte de eventos. De acuerdo con sus propios relojes, que les parece que marcan normalmente, cruzan el horizonte de eventos después de un tiempo finito sin notar ningún comportamiento singular en la relatividad general clásica, es imposible determinar la ubicación del horizonte de eventos a partir de observaciones locales, debido a Principio de equivalencia de Einstein. [94] [95]

La topología del horizonte de sucesos de un agujero negro en equilibrio es siempre esférica. [Nota 4] [98] Para los agujeros negros no giratorios (estáticos), la geometría del horizonte de eventos es precisamente esférica, mientras que para los agujeros negros giratorios el horizonte de eventos es achatado. [99] [100] [101]

Singularidad

En el centro de un agujero negro, como lo describe la relatividad general, puede haber una singularidad gravitacional, una región donde la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita. [102] Para un agujero negro no giratorio, esta región toma la forma de un solo punto y para un agujero negro giratorio, se difumina para formar una singularidad de anillo que se encuentra en el plano de rotación. [103] En ambos casos, la región singular tiene volumen cero. También se puede demostrar que la región singular contiene toda la masa de la solución del agujero negro. [104] Por tanto, se puede pensar que la región singular tiene una densidad infinita. [105]

Los observadores que caen en un agujero negro de Schwarzschild (es decir, sin rotación y sin carga) no pueden evitar ser llevados a la singularidad una vez que cruzan el horizonte de eventos. Pueden prolongar la experiencia acelerando para ralentizar su descenso, pero solo hasta un límite. [106] Cuando alcanzan la singularidad, se trituran a una densidad infinita y su masa se suma al total del agujero negro. Antes de que eso suceda, habrán sido destrozados por las crecientes fuerzas de las mareas en un proceso que a veces se denomina espaguetificación o "efecto de fideos". [107]

En el caso de un agujero negro cargado (Reissner-Nordström) o en rotación (Kerr), es posible evitar la singularidad. Extender estas soluciones tanto como sea posible revela la posibilidad hipotética de salir del agujero negro a un espacio-tiempo diferente con el agujero negro actuando como un agujero de gusano.[108] La posibilidad de viajar a otro universo es, sin embargo, solo teórica ya que cualquier perturbación destruiría esta posibilidad. [109] También parece posible seguir curvas cerradas en forma de tiempo (volviendo al propio pasado) alrededor de la singularidad de Kerr, lo que conduce a problemas de causalidad como la paradoja del abuelo. [110] Se espera que ninguno de estos efectos peculiares sobreviviría en un tratamiento cuántico adecuado de los agujeros negros rotativos y cargados. [111]

La aparición de singularidades en la relatividad general se percibe comúnmente como una señal del colapso de la teoría. [112] Sin embargo, se espera que esta ruptura ocurra en una situación en la que los efectos cuánticos deberían describir estas acciones, debido a la densidad extremadamente alta y, por lo tanto, a las interacciones de las partículas. Hasta la fecha, no ha sido posible combinar los efectos cuánticos y gravitacionales en una sola teoría, aunque existen intentos de formular tal teoría de la gravedad cuántica. En general, se espera que tal teoría no presente singularidades. [113] [114]

Esfera de fotones

La esfera de fotones es un límite esférico de espesor cero en el que los fotones que se mueven en tangentes a esa esfera quedarían atrapados en una órbita circular alrededor del agujero negro. Para los agujeros negros que no giran, la esfera de fotones tiene un radio 1,5 veces el radio de Schwarzschild. Sus órbitas serían dinámicamente inestables, por lo tanto, cualquier pequeña perturbación, como una partícula de materia que cae, causaría una inestabilidad que aumentaría con el tiempo, ya sea colocando al fotón en una trayectoria hacia afuera y haciendo que escape del agujero negro, o hacia adentro. espiral donde eventualmente cruzaría el horizonte de eventos. [115]

Si bien la luz aún puede escapar de la esfera de fotones, cualquier luz que cruce la esfera de fotones en una trayectoria entrante será capturada por el agujero negro. Por lo tanto, cualquier luz que llegue a un observador externo desde la esfera de fotones debe haber sido emitida por objetos entre la esfera de fotones y el horizonte de eventos. [115] Para un agujero negro de Kerr, el radio de la esfera de fotones depende del parámetro de giro y de los detalles de la órbita del fotón, que puede ser prograda (el fotón gira en el mismo sentido del giro del agujero negro) o retrógrada. [116] [117]

Ergosfera

Los agujeros negros giratorios están rodeados por una región del espacio-tiempo en la que es imposible permanecer quieto, llamada ergosfera. Este es el resultado de un proceso conocido como relatividad general de arrastre de cuadros que predice que cualquier masa en rotación tenderá a "arrastrarse" ligeramente a lo largo del espacio-tiempo que la rodea inmediatamente. Cualquier objeto cerca de la masa giratoria tenderá a comenzar a moverse en la dirección de rotación. Para un agujero negro en rotación, este efecto es tan fuerte cerca del horizonte de eventos que un objeto tendría que moverse más rápido que la velocidad de la luz en la dirección opuesta para quedarse quieto. [119]

La ergosfera de un agujero negro es un volumen delimitado por el horizonte de sucesos del agujero negro y el ergosurface, que coincide con el horizonte de eventos en los polos pero se encuentra a una distancia mucho mayor alrededor del ecuador. [118]

Los objetos y la radiación pueden escapar normalmente de la ergosfera. A través del proceso de Penrose, los objetos pueden emerger de la ergosfera con más energía de la que entraron. La energía extra se toma de la energía rotacional del agujero negro. Por lo tanto, la rotación del agujero negro se ralentiza. [120] Una variación del proceso de Penrose en presencia de fuertes campos magnéticos, el proceso de Blandford-Znajek se considera un mecanismo probable para la enorme luminosidad y los chorros relativistas de los cuásares y otros núcleos galácticos activos.

Órbita circular más estable interna (CIUO)

En la gravedad newtoniana, las partículas de prueba pueden orbitar de manera estable a distancias arbitrarias de un objeto central. En la relatividad general, sin embargo, existe una órbita circular estable más interna (a menudo llamada ISCO), dentro de la cual, cualquier perturbación infinitesimal a una órbita circular conducirá a inspiral en el agujero negro. [121] La ubicación de la CIUO depende del giro del agujero negro, en el caso de un agujero negro de Schwarzschild (giro cero) es:

y disminuye al aumentar el giro del agujero negro para las partículas que orbitan en la misma dirección que el giro. [122]

Dado el carácter extraño de los agujeros negros, durante mucho tiempo se cuestionó si tales objetos podrían existir realmente en la naturaleza o si eran simplemente soluciones patológicas a las ecuaciones de Einstein. El propio Einstein pensó erróneamente que los agujeros negros no se formarían, porque sostuvo que el momento angular de las partículas que colapsan estabilizaría su movimiento en algún radio. [123] Esto llevó a la comunidad de la relatividad general a rechazar todos los resultados en sentido contrario durante muchos años. Sin embargo, una minoría de relativistas continuó afirmando que los agujeros negros eran objetos físicos, [124] y para fines de la década de 1960, habían persuadido a la mayoría de los investigadores en el campo de que no existe ningún obstáculo para la formación de un horizonte de eventos. [ cita necesaria ]

Penrose demostró que una vez que se forma un horizonte de sucesos, la relatividad general sin mecánica cuántica requiere que se forme una singularidad en su interior. [57] Poco después, Hawking mostró que muchas soluciones cosmológicas que describen el Big Bang tienen singularidades sin campos escalares u otra materia exótica (ver "Teoremas de singularidad de Penrose-Hawking"). [ aclaración necesaria ] La solución de Kerr, el teorema sin pelo y las leyes de la termodinámica de los agujeros negros mostraron que las propiedades físicas de los agujeros negros eran simples y comprensibles, lo que los convertía en sujetos respetables para la investigación. [125] Los agujeros negros convencionales se forman por el colapso gravitacional de objetos pesados ​​como las estrellas, pero en teoría también pueden formarse mediante otros procesos. [126] [127]

Colapso gravitacional

El colapso gravitacional ocurre cuando la presión interna de un objeto es insuficiente para resistir la propia gravedad del objeto. En el caso de las estrellas, esto suele ocurrir porque a una estrella le queda muy poco "combustible" para mantener su temperatura a través de la nucleosíntesis estelar, o porque una estrella que habría sido estable recibe materia extra de una manera que no eleva su temperatura central. En cualquier caso, la temperatura de la estrella ya no es lo suficientemente alta como para evitar que colapse por su propio peso. [128] El colapso puede ser detenido por la presión de degeneración de los componentes de la estrella, permitiendo la condensación de la materia en un estado exótico más denso. El resultado es uno de los varios tipos de estrella compacta. El tipo de formas depende de la masa del remanente de la estrella original que queda si las capas externas se han volado (por ejemplo, en una supernova de Tipo II). La masa del remanente, el objeto colapsado que sobrevive a la explosión, puede ser sustancialmente menor que la de la estrella original. Restos superiores a 5 M son producidos por estrellas de más de 20 M antes del colapso. [128]

Si la masa del remanente excede alrededor de 3 a 4 M (el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff [38]), ya sea porque la estrella original era muy pesada o porque el remanente recogió masa adicional a través de la acumulación de materia, incluso la presión de degeneración de los neutrones es insuficiente para detener el colapso. Ningún mecanismo conocido (excepto posiblemente la presión de degeneración de los quarks, ver estrella de quarks) es lo suficientemente poderoso como para detener la implosión y el objeto colapsará inevitablemente para formar un agujero negro. [128]

Se supone que el colapso gravitacional de estrellas pesadas es responsable de la formación de agujeros negros de masa estelar. La formación de estrellas en el universo temprano puede haber resultado en estrellas muy masivas, que tras su colapso habrían producido agujeros negros de hasta 10 3 M . Estos agujeros negros podrían ser las semillas de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de la mayoría de las galaxias. [130] Se ha sugerido además que los agujeros negros masivos con masas típicas de

10 5 M podría haberse formado a partir del colapso directo de las nubes de gas en el universo joven. [126] Estos objetos masivos se han propuesto como las semillas que eventualmente formaron los primeros cuásares observados ya en el corrimiento al rojo z ∼ 7 < displaystyle z sim 7>. [131] Algunos candidatos para tales objetos se han encontrado en observaciones del universo joven. [126]

Si bien la mayor parte de la energía liberada durante el colapso gravitacional se emite muy rápidamente, un observador externo en realidad no ve el final de este proceso. Aunque el colapso toma una cantidad de tiempo finita desde el marco de referencia de la materia que cae, un observador distante vería que el material que cae lentamente se detendrá justo por encima del horizonte de eventos, debido a la dilatación del tiempo gravitacional. La luz del material que colapsa tarda cada vez más en llegar al observador, y la luz emitida justo antes de que se forme el horizonte de sucesos se retrasa una cantidad infinita de tiempo. Por lo tanto, el observador externo nunca ve la formación del horizonte de eventos, en cambio, el material que colapsa parece volverse más tenue y cada vez más desplazado hacia el rojo, eventualmente desvaneciéndose. [132]

Agujeros negros primordiales y el Big Bang

El colapso gravitacional requiere una gran densidad. En la época actual del universo, estas altas densidades se encuentran solo en las estrellas, pero en el universo temprano, poco después del Big Bang, las densidades eran mucho mayores, lo que posiblemente permitió la creación de agujeros negros. La alta densidad por sí sola no es suficiente para permitir la formación de un agujero negro, ya que una distribución de masa uniforme no permitirá que la masa se acumule. Para que los agujeros negros primordiales se hayan formado en un medio tan denso, debe haber habido perturbaciones de densidad iniciales que luego podrían crecer bajo su propia gravedad. Los diferentes modelos para el universo temprano varían ampliamente en sus predicciones de la escala de estas fluctuaciones. Varios modelos predicen la creación de agujeros negros primordiales que varían en tamaño desde una masa de Planck (metroPAG= √ ħc/GRAMO ≈ 1,2 × 10 19 GeV /C 2 ≈ 2.2 × 10 −8 kg) a cientos de miles de masas solares. [127]

A pesar de que el universo primitivo era extremadamente denso, mucho más denso de lo que normalmente se requiere para formar un agujero negro, no volvió a colapsar en un agujero negro durante el Big Bang. Los modelos para el colapso gravitacional de objetos de tamaño relativamente constante, como las estrellas, no se aplican necesariamente de la misma manera al espacio en rápida expansión como el Big Bang. [133]

Colisiones de alta energía

El colapso gravitacional no es el único proceso que podría crear agujeros negros. En principio, los agujeros negros podrían formarse en colisiones de alta energía que logren una densidad suficiente. A partir de 2002, no se han detectado tales eventos, ya sea directa o indirectamente como una deficiencia del balance de masa en experimentos con aceleradores de partículas. [134] Esto sugiere que debe haber un límite inferior para la masa de los agujeros negros. En teoría, se espera que este límite se sitúe alrededor de la masa de Planck, donde se espera que los efectos cuánticos invaliden las predicciones de la relatividad general. [135] Esto pondría la creación de agujeros negros firmemente fuera del alcance de cualquier proceso de alta energía que ocurra en la Tierra o cerca de ella. Sin embargo, ciertos desarrollos en la gravedad cuántica sugieren que la masa mínima de un agujero negro podría ser mucho menor: algunos escenarios de mundo brana, por ejemplo, ponen el límite tan bajo como 1 TeV /C 2. [136] Esto haría concebible la creación de microagujeros negros en las colisiones de alta energía que ocurren cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra, o posiblemente en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN. Estas teorías son muy especulativas y muchos especialistas consideran poco probable la creación de agujeros negros en estos procesos. [137] Incluso si se pudieran formar microagujeros negros, se espera que se evaporen en unos 10-25 segundos, sin representar una amenaza para la Tierra. [138]

Crecimiento

Una vez que se ha formado un agujero negro, puede seguir creciendo absorbiendo materia adicional. Cualquier agujero negro absorberá continuamente gas y polvo interestelar de su entorno. Este proceso de crecimiento es una posible forma a través de la cual se pueden haber formado algunos agujeros negros supermasivos, aunque la formación de agujeros negros supermasivos es todavía un campo de investigación abierto. [130] Se ha sugerido un proceso similar para la formación de agujeros negros de masa intermedia que se encuentran en cúmulos globulares. [139] Los agujeros negros también pueden fusionarse con otros objetos como estrellas o incluso con otros agujeros negros. Se cree que esto fue importante, especialmente en el crecimiento temprano de los agujeros negros supermasivos, que podrían haberse formado a partir de la agregación de muchos objetos más pequeños. [130] El proceso también se ha propuesto como el origen de algunos agujeros negros de masa intermedia. [140] [141]

Evaporación

En 1974, Hawking predijo que los agujeros negros no son completamente negros sino que emiten pequeñas cantidades de radiación térmica a una temperatura ℏC 3 / (8πGMkB) [63] este efecto se conoce como radiación de Hawking. Al aplicar la teoría cuántica de campos a un fondo de agujero negro estático, determinó que un agujero negro debería emitir partículas que muestren un espectro de cuerpo negro perfecto. Desde la publicación de Hawking, muchos otros han verificado el resultado a través de varios enfoques. [142] Si la teoría de Hawking de la radiación de los agujeros negros es correcta, entonces se espera que los agujeros negros se encojan y se evaporen con el tiempo a medida que pierden masa por la emisión de fotones y otras partículas. [63] La temperatura de este espectro térmico (temperatura de Hawking) es proporcional a la gravedad de la superficie del agujero negro, que, para un agujero negro de Schwarzschild, es inversamente proporcional a la masa. Por lo tanto, los agujeros negros grandes emiten menos radiación que los agujeros negros pequeños. [143]

Un agujero negro estelar de 1 M tiene una temperatura de Hawking de 62 nanokelvins. [144] Esto es mucho menor que la temperatura de 2,7 K de la radiación cósmica de fondo de microondas. Los agujeros negros de masa estelar o más grandes reciben más masa del fondo de microondas cósmico de la que emiten a través de la radiación de Hawking y, por lo tanto, crecerán en lugar de encogerse. [145] Para tener una temperatura de Hawking superior a 2,7 K (y poder evaporarse), un agujero negro necesitaría una masa menor que la Luna. Un agujero negro así tendría un diámetro de menos de una décima de milímetro. [146]

Si un agujero negro es muy pequeño, se espera que los efectos de la radiación sean muy fuertes. Un agujero negro con la masa de un automóvil tendría un diámetro de aproximadamente 10-24 my tardaría un nanosegundo en evaporarse, tiempo durante el cual tendría brevemente una luminosidad de más de 200 veces la del Sol. Se espera que los agujeros negros de menor masa se evaporen aún más rápido, por ejemplo, un agujero negro de masa de 1 TeV /C 2 tardaría menos de 10 −88 segundos en evaporarse por completo. Para un agujero negro tan pequeño, se espera que los efectos de la gravedad cuántica jueguen un papel importante y podrían hipotéticamente hacer que un agujero negro tan pequeño sea estable, aunque los desarrollos actuales en la gravedad cuántica no indican que este sea el caso. [147] [148]

Se predice que la radiación de Hawking para un agujero negro astrofísico será muy débil y, por lo tanto, sería extremadamente difícil de detectar desde la Tierra. Sin embargo, una posible excepción es el estallido de rayos gamma emitidos en la última etapa de la evaporación de los agujeros negros primordiales. Las búsquedas de tales destellos no han tenido éxito y proporcionan límites estrictos sobre la posibilidad de existencia de agujeros negros primordiales de baja masa. [149] El telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA, lanzado en 2008, continuará la búsqueda de estos destellos. [150]

Si los agujeros negros se evaporan a través de la radiación de Hawking, un agujero negro de masa solar se evaporará (comenzando una vez que la temperatura del fondo cósmico de microondas descienda por debajo de la del agujero negro) durante un período de 10 64 años. [151] Un agujero negro supermasivo con una masa de 10 11 M se evaporará en alrededor de 2 × 10 100 años. [152] Se predice que algunos agujeros negros monstruosos en el universo continuarán creciendo hasta quizás 10 14 M durante el colapso de supercúmulos de galaxias. Incluso estos se evaporarían en una escala de tiempo de hasta 10 106 años. [151]

Por naturaleza, los agujeros negros no emiten por sí mismos ninguna radiación electromagnética que no sea la hipotética radiación de Hawking, por lo que los astrofísicos que buscan agujeros negros generalmente deben confiar en observaciones indirectas. Por ejemplo, la existencia de un agujero negro a veces se puede inferir observando su influencia gravitacional sobre su entorno. [153]

El 10 de abril de 2019 se publicó una imagen de un agujero negro, que se ve ampliada porque los caminos de luz cerca del horizonte de eventos están muy doblados. La sombra oscura en el medio es el resultado de las trayectorias de luz absorbidas por el agujero negro. [22] La imagen está en falso color, ya que el halo de luz detectado en esta imagen no está en el espectro visible, sino en ondas de radio.

El Event Horizon Telescope (EHT), es un programa activo que observa directamente el entorno inmediato del horizonte de eventos de los agujeros negros, como el agujero negro en el centro de la Vía Láctea. En abril de 2017, EHT comenzó a observar el agujero negro en el centro de Messier 87. [154] "En total, ocho observatorios de radio en seis montañas y cuatro continentes observaron la galaxia en Virgo de forma intermitente durante 10 días en abril de 2017" para proporcionar los datos que arrojan la imagen dos años después, en abril de 2019. [155] Después de dos años de procesamiento de datos, EHT publicó la primera imagen directa de un agujero negro, específicamente el agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la galaxia antes mencionada. [156] [157] Lo que es visible no es el agujero negro, que se muestra como negro debido a la pérdida de toda la luz dentro de esta región oscura, más bien son los gases en el borde del horizonte de eventos, que se muestran como naranja o rojo, que define el agujero negro. [158]

Se cree que el brillo de este material en la mitad "inferior" de la imagen EHT procesada es causado por el haz Doppler, por el cual el material que se acerca al espectador a velocidades relativistas se percibe como más brillante que el material que se aleja. En el caso de un agujero negro, este fenómeno implica que el material visible está rotando a velocidades relativistas (& gt1.000 km / s), las únicas velocidades a las que es posible equilibrar centrífugamente la inmensa atracción gravitacional de la singularidad, y por lo tanto permanecen en órbita por encima del horizonte de sucesos. Esta configuración de material brillante implica que el EHT observó M87 * desde una perspectiva que captura el disco de acreción del agujero negro casi de borde, mientras todo el sistema giraba en el sentido de las agujas del reloj. [159] [160] Sin embargo, la lente gravitacional extrema asociada con los agujeros negros produce la ilusión de una perspectiva que ve el disco de acreción desde arriba. En realidad, la mayor parte del anillo en la imagen EHT se creó cuando la luz emitida por el lado más alejado del disco de acreción se dobló alrededor del pozo de gravedad del agujero negro y escapó, lo que significa que la mayoría de las perspectivas posibles en M87 * pueden ver todo el disco. , incluso eso directamente detrás de la "sombra".

Antes de esto, en 2015, el EHT detectó campos magnéticos justo fuera del horizonte de eventos de Sagitario A *, e incluso discernió algunas de sus propiedades. Se descubrió que las líneas de campo que pasan a través del disco de acreción son una mezcla compleja de orden y enredo. La existencia de campos magnéticos había sido predicha por estudios teóricos de agujeros negros. [161] [162]

Detección de ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros

El 14 de septiembre de 2015, el observatorio de ondas gravitacionales LIGO realizó la primera observación directa exitosa de ondas gravitacionales. [11] [164] La señal fue consistente con las predicciones teóricas para las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros: uno con aproximadamente 36 masas solares y el otro alrededor de 29 masas solares. [11] [165] Esta observación proporciona la evidencia más concreta de la existencia de agujeros negros hasta la fecha. Por ejemplo, la señal de la onda gravitacional sugiere que la separación de los dos objetos antes de la fusión era de solo 350 km (o aproximadamente cuatro veces el radio de Schwarzschild correspondiente a las masas inferidas). Por lo tanto, los objetos deben haber sido extremadamente compactos, dejando los agujeros negros como la interpretación más plausible. [11]

Más importante aún, la señal observada por LIGO también incluyó el inicio del ringdown posterior a la fusión, la señal producida cuando el objeto compacto recién formado se establece en un estado estacionario. Podría decirse que el ringdown es la forma más directa de observar un agujero negro. [166] De la señal LIGO es posible extraer la frecuencia y el tiempo de amortiguación del modo dominante del ringdown. A partir de estos, es posible inferir la masa y el momento angular del objeto final, que coinciden con las predicciones independientes de las simulaciones numéricas de la fusión. [167] La ​​frecuencia y el tiempo de caída del modo dominante están determinados por la geometría de la esfera de fotones. Por lo tanto, la observación de este modo confirma la presencia de una esfera de fotones; sin embargo, no puede excluir posibles alternativas exóticas a los agujeros negros que son lo suficientemente compactos como para tener una esfera de fotones. [166]

La observación también proporciona la primera evidencia de observación de la existencia de binarios de agujeros negros de masa estelar. Además, es la primera evidencia observacional de agujeros negros de masa estelar que pesan 25 masas solares o más. [168]

Desde entonces se han observado muchos más eventos de ondas gravitacionales. [13]

Movimientos adecuados de las estrellas en órbita alrededor de Sagitario A *

Los movimientos adecuados de las estrellas cerca del centro de nuestra propia Vía Láctea proporcionan una fuerte evidencia de observación de que estas estrellas están orbitando un agujero negro supermasivo. [169] Desde 1995, los astrónomos han seguido los movimientos de 90 estrellas que orbitan alrededor de un objeto invisible coincidente con la fuente de radio Sagitario A *. Al ajustar sus movimientos a las órbitas keplerianas, los astrónomos pudieron inferir, en 1998, que un 2.6 × 10 6 M El objeto debe estar contenido en un volumen con un radio de 0,02 años luz para provocar los movimientos de esas estrellas. [170] Desde entonces, una de las estrellas, llamada S2, ha completado una órbita completa. A partir de los datos orbitales, los astrónomos pudieron refinar los cálculos de la masa a 4,3 × 10 6 M y un radio de menos de 0,002 años luz para el objeto que causa el movimiento orbital de esas estrellas. [169] El límite superior del tamaño del objeto es todavía demasiado grande para probar si es más pequeño que su radio de Schwarzschild, sin embargo, estas observaciones sugieren fuertemente que el objeto central es un agujero negro supermasivo ya que no hay otros escenarios plausibles para confinar tanto masa invisible en un volumen tan pequeño. [170] Además, existe alguna evidencia observacional de que este objeto podría poseer un horizonte de eventos, una característica exclusiva de los agujeros negros. [171]

Acreción de materia

Debido a la conservación del momento angular, [173] el gas que cae en el pozo gravitacional creado por un objeto masivo típicamente formará una estructura en forma de disco alrededor del objeto. Las impresiones de los artistas, como la representación adjunta de un agujero negro con corona, comúnmente representan el agujero negro como si fuera un cuerpo de espacio plano que oculta la parte del disco justo detrás de él, pero en realidad las lentes gravitacionales distorsionarían enormemente la imagen del disco de acreción. [174]

Dentro de un disco de este tipo, la fricción haría que el momento angular se transportara hacia afuera, lo que permitiría que la materia cayera más hacia adentro, liberando así energía potencial y aumentando la temperatura del gas. [175]

Cuando el objeto de acreción es una estrella de neutrones o un agujero negro, el gas en el disco de acreción interno orbita a velocidades muy altas debido a su proximidad al objeto compacto. La fricción resultante es tan significativa que calienta el disco interno a temperaturas a las que emite grandes cantidades de radiación electromagnética (principalmente rayos X). Estas fuentes de rayos X brillantes pueden ser detectadas por telescopios. Este proceso de acreción es uno de los procesos de producción de energía más eficientes conocidos, hasta el 40% de la masa restante del material acretado puede emitirse como radiación. [175] (En la fusión nuclear, solo alrededor del 0,7% de la masa en reposo se emitirá como energía). En muchos casos, los discos de acreción están acompañados de chorros relativistas que se emiten a lo largo de los polos, que se llevan gran parte de la energía. El mecanismo para la creación de estos jets actualmente no se comprende bien, en parte debido a la falta de datos. [176]

Como tal, muchos de los fenómenos más energéticos del universo se han atribuido a la acumulación de materia en los agujeros negros. En particular, se cree que los núcleos galácticos activos y los cuásares son los discos de acreción de los agujeros negros supermasivos. [177] De manera similar, se acepta generalmente que las binarias de rayos X son sistemas estelares binarios en los que una de las dos estrellas es un objeto compacto que acumula materia de su compañera. [177] También se ha sugerido que algunas fuentes de rayos X ultraluminosos pueden ser discos de acreción de agujeros negros de masa intermedia. [178]

En noviembre de 2011 se informó la primera observación directa de un disco de acreción de cuásar alrededor de un agujero negro supermasivo. [179] [180]

Binarios de rayos X

Las binarias de rayos X son sistemas estelares binarios que emiten la mayor parte de su radiación en la parte de rayos X del espectro. En general, se cree que estas emisiones de rayos X se producen cuando una de las estrellas (objeto compacto) acumula materia de otra estrella (regular). La presencia de una estrella ordinaria en un sistema de este tipo brinda la oportunidad de estudiar el objeto central y determinar si podría ser un agujero negro. [177]

Si tal sistema emite señales que pueden rastrearse directamente hasta el objeto compacto, no puede ser un agujero negro. Sin embargo, la ausencia de dicha señal no excluye la posibilidad de que el objeto compacto sea una estrella de neutrones. Al estudiar la estrella compañera, a menudo es posible obtener los parámetros orbitales del sistema y obtener una estimación de la masa del objeto compacto. Si es mucho mayor que el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (la masa máxima que una estrella puede tener sin colapsarse), entonces el objeto no puede ser una estrella de neutrones y generalmente se espera que sea un agujero negro. [177]

El primer candidato fuerte para un agujero negro, Cygnus X-1, fue descubierto de esta manera por Charles Thomas Bolton, [181] Louise Webster y Paul Murdin [182] en 1972. [183] ​​[184] Algunas dudas, sin embargo, permaneció debido a las incertidumbres que resultan de que la estrella compañera es mucho más pesada que el agujero negro candidato. Actualmente, los mejores candidatos para los agujeros negros se encuentran en una clase de binarios de rayos X llamados transitorios de rayos X suaves. En esta clase de sistema, la estrella compañera tiene una masa relativamente baja, lo que permite estimaciones más precisas de la masa del agujero negro. Además, estos sistemas emiten rayos X de forma activa solo durante varios meses una vez cada 10 a 50 años. Durante el período de baja emisión de rayos X (llamado inactividad), el disco de acreción es extremadamente débil, lo que permite una observación detallada de la estrella compañera durante este período. Uno de los mejores candidatos de este tipo es V404 Cygni. [177]

Oscilaciones cuasi-periódicas

Las emisiones de rayos X de los discos de acreción a veces parpadean a determinadas frecuencias. Estas señales se denominan oscilaciones cuasi-periódicas y se cree que son causadas por material que se mueve a lo largo del borde interno del disco de acreción (la órbita circular estable más interna). Como tal, su frecuencia está vinculada a la masa del objeto compacto. Por tanto, pueden utilizarse como una forma alternativa de determinar la masa de los agujeros negros candidatos. [185]

Núcleos galácticos

Los astrónomos usan el término "galaxia activa" para describir galaxias con características inusuales, como una emisión de línea espectral inusual y una emisión de radio muy fuerte. Estudios teóricos y observacionales han demostrado que la actividad en estos núcleos galácticos activos (AGN) puede explicarse por la presencia de agujeros negros supermasivos, que pueden ser millones de veces más masivos que los estelares. Los modelos de estos AGN consisten en un agujero negro central que puede ser millones o miles de millones de veces más masivo que el Sol, un disco de gas y polvo interestelar llamado disco de acreción y dos chorros perpendiculares al disco de acreción. [186] [187]

Aunque se espera que se encuentren agujeros negros supermasivos en la mayoría de los AGN, solo se han estudiado más cuidadosamente los núcleos de algunas galaxias en un intento de identificar y medir las masas reales de los candidatos de agujero negro supermasivo central. Algunas de las galaxias más notables con candidatos a agujero negro supermasivo incluyen la Galaxia de Andrómeda, M32, M87, NGC 3115, NGC 3377, NGC 4258, NGC 4889, NGC 1277, OJ 287, APM 08279 + 5255 y la Galaxia Sombrero. [189]

Ahora se acepta ampliamente que el centro de casi todas las galaxias, no solo las activas, contiene un agujero negro supermasivo. [190] La estrecha correlación observacional entre la masa de este agujero y la velocidad de dispersión del abultamiento de la galaxia anfitriona, conocida como relación M-sigma, sugiere fuertemente una conexión entre la formación del agujero negro y la de la propia galaxia. [191]

Microlente (propuesto)

Otra forma en que se puede probar la naturaleza del agujero negro de un objeto en el futuro es a través de la observación de los efectos causados ​​por un fuerte campo gravitacional en su vecindad. Uno de esos efectos es el efecto de lente gravitacional: la deformación del espacio-tiempo alrededor de un objeto masivo hace que los rayos de luz se desvíen tanto como la luz que pasa a través de una lente óptica. Se han realizado observaciones de lentes gravitacionales débiles, en las que los rayos de luz son desviados solo por unos pocos segundos de arco. Sin embargo, nunca se ha observado directamente en busca de un agujero negro. [193] Una posibilidad para observar lentes gravitacionales por un agujero negro sería observar estrellas en órbita alrededor del agujero negro. Hay varios candidatos para tal observación en órbita alrededor de Sagitario A *. [193]

La evidencia de los agujeros negros estelares se basa en gran medida en la existencia de un límite superior para la masa de una estrella de neutrones. El tamaño de este límite depende en gran medida de las suposiciones sobre las propiedades de la materia densa. Nuevas fases exóticas de la materia podrían impulsar este límite. [177] Una fase de quarks libres a alta densidad podría permitir la existencia de estrellas de quarks densas, [194] y algunos modelos supersimétricos predicen la existencia de estrellas Q. [195] Algunas extensiones del modelo estándar postulan la existencia de preones como bloques de construcción fundamentales de quarks y leptones, que hipotéticamente podrían formar estrellas preón. [196] Estos modelos hipotéticos podrían potencialmente explicar una serie de observaciones de candidatos a agujeros negros estelares. Sin embargo, se puede demostrar a partir de argumentos de la relatividad general que cualquier objeto de este tipo tendrá una masa máxima. [177]

Dado que la densidad media de un agujero negro dentro de su radio de Schwarzschild es inversamente proporcional al cuadrado de su masa, los agujeros negros supermasivos son mucho menos densos que los agujeros negros estelares (la densidad media de un 10 8 M agujero negro es comparable al del agua). [177] En consecuencia, la física de la materia que forma un agujero negro supermasivo se comprende mucho mejor y las posibles explicaciones alternativas para las observaciones de los agujeros negros supermasivos son mucho más mundanas. Por ejemplo, un agujero negro supermasivo podría ser modelado por un gran grupo de objetos muy oscuros. Sin embargo, estas alternativas no suelen ser lo suficientemente estables como para explicar los candidatos a agujero negro supermasivo. [177]

La evidencia de la existencia de agujeros negros estelares y supermasivos implica que para que los agujeros negros no se formen, la relatividad general debe fallar como teoría de la gravedad, quizás debido al inicio de las correcciones mecánicas cuánticas. Una característica muy esperada de una teoría de la gravedad cuántica es que no presentará singularidades ni horizontes de eventos y, por lo tanto, los agujeros negros no serían artefactos reales. [197] Por ejemplo, en el modelo fuzzball basado en la teoría de cuerdas, los estados individuales de una solución de agujero negro generalmente no tienen un horizonte de eventos o singularidad, pero para un observador clásico / semiclásico, el promedio estadístico de tales estados parece justo como un agujero negro ordinario según se deduce de la relatividad general. [198]

Se ha conjeturado que algunos objetos teóricos coinciden con las observaciones de candidatos de agujero negro astronómico de manera idéntica o casi idéntica, pero que funcionan a través de un mecanismo diferente. Estos incluyen la gravastar, la estrella negra [199] y la estrella de energía oscura. [200]

Entropía y termodinámica

En 1971, Hawking demostró en condiciones generales [Nota 5] que el área total de los horizontes de eventos de cualquier colección de agujeros negros clásicos nunca puede disminuir, incluso si chocan y se fusionan. [201] Este resultado, ahora conocido como la segunda ley de la mecánica de los agujeros negros, es notablemente similar a la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir. Al igual que con los objetos clásicos a temperatura de cero absoluto, se asumió que los agujeros negros tenían entropía cero. Si este fuera el caso, la segunda ley de la termodinámica se violaría por la entrada de materia cargada de entropía en un agujero negro, lo que resultaría en una disminución de la entropía total del universo. Por lo tanto, Bekenstein propuso que un agujero negro debería tener una entropía y que debería ser proporcional a su área de horizonte. [202]

El vínculo con las leyes de la termodinámica se vio reforzado por el descubrimiento de Hawking de que la teoría cuántica de campos predice que un agujero negro irradia radiación de cuerpo negro a una temperatura constante. Esto aparentemente causa una violación de la segunda ley de la mecánica de los agujeros negros, ya que la radiación llevará energía del agujero negro y hará que se encoja. Sin embargo, la radiación también se lleva la entropía, y se puede probar bajo supuestos generales que la suma de la entropía de la materia que rodea un agujero negro y una cuarta parte del área del horizonte medida en unidades de Planck, de hecho, siempre está aumentando. Esto permite la formulación de la primera ley de la mecánica de los agujeros negros como análoga de la primera ley de la termodinámica, con la masa actuando como energía, la gravedad superficial como temperatura y el área como entropía. [202]

Una característica desconcertante es que la entropía de un agujero negro escala con su área más que con su volumen, ya que la entropía es normalmente una cantidad extensa que escala linealmente con el volumen del sistema. Esta extraña propiedad llevó a Gerard 't Hooft y Leonard Susskind a proponer el principio holográfico, que sugiere que cualquier cosa que suceda en un volumen de espacio-tiempo puede describirse mediante datos sobre el límite de ese volumen. [203]

Aunque la relatividad general se puede utilizar para realizar un cálculo semiclásico de la entropía del agujero negro, esta situación es teóricamente insatisfactoria. En mecánica estadística, se entiende por entropía contar el número de configuraciones microscópicas de un sistema que tienen las mismas cualidades macroscópicas (como masa, carga, presión, etc.). Sin una teoría satisfactoria de la gravedad cuántica, no se puede realizar tal cálculo para los agujeros negros. Se han logrado algunos avances en varios enfoques de la gravedad cuántica. En 1995, Andrew Strominger y Cumrun Vafa demostraron que contar los microestados de un agujero negro supersimétrico específico en la teoría de cuerdas reproducía la entropía de Bekenstein-Hawking. [204] Desde entonces, se han reportado resultados similares para diferentes agujeros negros tanto en la teoría de cuerdas como en otros enfoques de la gravedad cuántica como la gravedad cuántica de bucles. [205]

Paradoja de la pérdida de información

¿Se pierde información física en los agujeros negros?

Debido a que un agujero negro tiene solo unos pocos parámetros internos, la mayor parte de la información sobre la materia que formó el agujero negro se pierde. Independientemente del tipo de materia que entra en un agujero negro, parece que solo se conserva la información relativa a la masa total, la carga y el momento angular. Mientras se pensara que los agujeros negros persistían para siempre, esta pérdida de información no es tan problemática, ya que se puede pensar que la información existe dentro del agujero negro, inaccesible desde el exterior, pero representada en el horizonte de eventos de acuerdo con el principio holográfico. Sin embargo, los agujeros negros se evaporan lentamente al emitir radiación de Hawking. Esta radiación no parece llevar ninguna información adicional sobre la materia que formó el agujero negro, lo que significa que esta información parece haber desaparecido para siempre. [206]

La cuestión de si la información se pierde realmente en los agujeros negros (la paradoja de la información de los agujeros negros) ha dividido a la comunidad de físicos teóricos (ver la apuesta Thorne-Hawking-Preskill). En mecánica cuántica, la pérdida de información corresponde a la violación de una propiedad llamada unitaridad, y se ha argumentado que la pérdida de unitaridad también implicaría violación de la conservación de la energía [207], aunque esto también ha sido discutido. [208] En los últimos años se ha ido acumulando evidencia de que, de hecho, la información y la unitaridad se conservan en un tratamiento gravitacional cuántico completo del problema. [209]

Un intento de resolver la paradoja de la información de los agujeros negros se conoce como complementariedad de los agujeros negros. En 2012, se introdujo la "paradoja del cortafuegos" con el objetivo de demostrar que la complementariedad de los agujeros negros no resuelve la paradoja de la información. De acuerdo con la teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo curvo, una sola emisión de radiación de Hawking involucra dos partículas entrelazadas mutuamente. La partícula saliente escapa y se emite como un cuanto de radiación de Hawking, la partícula que cae es tragada por el agujero negro. Suponga que un agujero negro se formó un tiempo finito en el pasado y se evaporará completamente en un tiempo finito en el futuro. Entonces, emitirá solo una cantidad finita de información codificada dentro de su radiación Hawking. Según investigaciones de físicos como Don Page [210] [211] y Leonard Susskind, eventualmente llegará un momento en el que una partícula saliente deberá enredarse con toda la radiación de Hawking que el agujero negro ha emitido previamente. Esto aparentemente crea una paradoja: un principio llamado "monogamia de entrelazamiento" requiere que, como cualquier sistema cuántico, la partícula saliente no puede estar completamente entrelazada con otros dos sistemas al mismo tiempo, sin embargo, aquí la partícula saliente parece estar entrelazada tanto con la que cae. partícula e, independientemente, con la radiación de Hawking pasada. [212] Para resolver esta contradicción, los físicos pueden eventualmente verse obligados a renunciar a uno de los tres principios probados en el tiempo: el principio de equivalencia de Einstein, la unitaridad o la teoría cuántica de campos locales. Una posible solución, que viola el principio de equivalencia, es que un "cortafuegos" destruya las partículas entrantes en el horizonte de eventos. [213] En general, sigue siendo un tema de debate cuál —si es que hay alguno— de estos supuestos debería abandonarse. [208]



Comentarios:

  1. Fitzpatrick

    Te pido disculpas, pero en mi opinión te equivocas. Escríbeme en PM, hablamos.

  2. Arend

    En esto, algo es una buena idea, está de acuerdo contigo.

  3. Kurihi

    Y luego, una persona es capaz

  4. Urbano

    En mi opinión no tienes razón. Puedo defender la posición. Escríbeme por PM, nos comunicamos.

  5. More

    Si es ciencia ficción

  6. Akinos

    Great, this is a very valuable message.



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