Estrellas de un Agujero Negro

Sagitario A es el nombre del agujero negro de nuestra Galaxia. No se puede observar directamente, pero conocemos sus propiedades por las estrellas cercanas que se mueven a su alrededor. El Observatorio Keck de Hawai conjuntamente con astrónomos de la Universidad de UCLA en California han efectuado una gran avance en su conocimiento.

Observatorio Keck

En el centro de nuestra Galaxia existe un supermasivo agujero negro denominado  Sagitario A (Sgr A) con una masa 4 millones de veces la masa Solar. La fuerza de atracción gravitatoria que ejerce sobre las estrellas de su alrededor es enorme. A esas estrellas se las denomina S-stars y se mueven a velocidades del orden de 10.000 km/s, que son unos 36 millones de kilómetros por hora.

Observar el movimiento de estas estrellas S-stars es sumamente importante para conocer las propiedades del agujero negro Sgr A y sobretodo es un laboratorio para comprobar la teoría de la Relatividad General de Einstein al no poder observar el agujero negro directamente.

La Teoría de la Relatividad esta sobradamente comprobada en las dimensiones de nuestro Sistema Solar, pero ¿también es correcta a escalas mayores?. Comprobar la teoría en el centro galáctico donde las fuerzas gravitacionales son millones de veces superiores a la del Sol supondría extender su validez en toda la Galaxia, a la vez que comprobamos como el agujero negro deforma el espacio-tiempo a su alrededor, describiendo la gravedad como consecuencia de la curvatura del espacio y el tiempo.

Los efectos de la curvatura del espacio y el tiempo se manifiestan de dos maneras. La primera es observar que la órbita de la estrella se desvía de la órbita prevista según la teoría clásica de Newton o también denominada órbita de Kepler. Por ser Johanes Kepler quien en 1609 publico su obra Astronomia Nova donde describía la órbita de los planetas mediantes elipses. Y la segunda por la variación de la longitud de onda de la luz emitida por la estrella.

La idea es muy sencilla, observar las estrellas S-star y medir sus aceleraciones. Para realizar estas medidas se ha utilizado el Observatorio W.M. Keck de Mauna Kea en Hawái. Pero no es tan fácil, solamente dos estrellas cumplen los requisitos necesarios para su observación. Se denominan SO-2 y SO-102 y son las únicas que tiene un periodo orbital inferior a una vida humana. La mayoría de las estrellas que orbitan el agujero negro tiene un periodo superior a los 60 años.

Su observación es sumamente difícil desde la Tierra por la interferencia de la atmósfera. Para reducir el efecto de la turbulencia atmosférica (es el efecto que hace parpadear a las estrellas) los dos telescopios de Mauna Kea crean, mediante láser, una estrella artificial en la atmósfera superior que sirve para medir los efectos de la turbulencia en la baja atmósfera y estos sirven a su vez para corregir en tiempo real el efecto producido por la luz de las estrellas del centro galáctico en su viaje a través de la atmósfera.

Laseres para corregir el efecto de la turbulencia atmosférica

El periodo de SO-2 es de 16 años y el de SO-102 es de 11.2 años, el cual es el período más corto observado de una estrella orbitanto el agujero negro de la Galaxia. Con estas condiciones se ha podido seguir el movimiento de la estrella y determinar el potencial gravitatorio en esta región del centro galactico dominado por SgrA. En una buena aproximación las estrellas siguen orbitas Keplerianas. Estudiando los elementos orbitales como el periodo, excentricidad, tiempo de máximo acercamiento a Sgr A (periapsis) inclinación, ángulo de periapsis y ángulo del nodo ascendente se podran detectar variaciones respecto la orbita Kepleriana en un futuro próximo.

Orbitas de SO-2 y SO-102

Acerca de Carles Paul

Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Barcelona, Master en Física y Matemática Aplicada por la Universidad Politécnica de Cataluña y Master en Historia de la Ciencia por la Universidad Autónoma de Barcelona. Técnico Experto Evaluador Europeo. Profesor titulado de física y matemáticas de la Politècnica de Mataró, des de 1991. Director Científico de Innovem.
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16 respuestas a Estrellas de un Agujero Negro

  1. Anónimo dijo:

    ComproBar no comproVar
    Por otra parte, un blog muy interesante.
    Gerardo.

  2. Anónimo dijo:

    descriBir no descrivir
    Lo siento, pero estas faltas de ortografía hacen que no pueda seguir leyendo, le quitan credibilidad al texto.

    Un saludo

    Gerardo

  3. Carles Paul dijo:

    Pues si, ahora veo que mi corrector de word ha hecho una mezcla entre castellano y catalan (donde las b son v i viceversa) veo tambien que me ha cogido acentos abiertos y para rematar en el wodpress lo ha cogido como ingles…y no lo he repasado…mea culpa…

  4. Curva130R dijo:

    Buen artículo, me recuerda a una clase de gravitación que presencié hace poco.

    Por otro lado, comparto lo que marca Gerardo. El “sobretodo” es un abrigo, mientras “sobre todo” es un indicador de énfasis. Espero no lo tomes a mal, sino como una mera crítica constructiva :). Y sin dramas por el corrector de WordPress, a más de uno le puede pasar.

    Saludos y gracias por el tiempo en escribir estos artículos.

    P.D.: Le acercaré el artículo un profesor que suele “desmitificar” algunas leyendas urbanas sobre la física.

  5. Carles Paul dijo:

    El problema ha sido que recientemente me he pasado a Mac y se ve que el corrector de catalán y castellano se han solapado. Comprobar en catalán es comprovar y así sucesivamente, el automático me ha destrozado el texto. Ahora me doy cuenta porque el otro día “hacer” lo cambio por acer que en catalán es acero. Y para rematar el corrector de wordpress solo me sale en ingles.

    Y es que el idioma no es lo mío, nunca he entendido que todo junto se escriba separado y separado todo junto.

    Por supuesto que agradezco todos los comentarios, sin ellos no me habría dado cuenta de este problema que tengo con el Mac. Instalo otra vez el corrector o me vuelvo a Windows.

    Un Saludo afectuoso

  6. Ángel Blanco dijo:

    1. ¿Cuánta energía consume la creación de espacio-tiempo?
    2. La expansión del universo primario provocó su enfriamiento. Para que el universo primario se enfriara durante su proceso de expansión tuvo que ceder energía. ¿En qué se transformó la energía que perdió y continúa perdiendo el universo?
    3. Todo parece indicar que el espacio-tiempo es una forma de energía. La creación o expansión del espacio-tiempo consume energía. La aniquilación o contracción del espacio-tiempo produce energía, o sea, para contraer el espacio-tiempo hay que recoger energía.
    4. La energía está cuantizada y hay bastantes pruebas de que esto funciona bien hasta ciertos límites. Por tanto la masa debe estar cuantizada también, ya que es una forma de energía concentrada. Si el espacio-tiempo es una forma de energía desconcentrada a su máximo límite, entonces debe estar cuantizada también.

  7. Ángel Blanco dijo:

    5. Tendríamos que la energía la conocemos en tres formas fundamentales: la energía de las fuerzas, o simplemente Energía, la masa como energía concentrada y el espacio-tiempo como energía desconcentrada a su máxima expresión. La suma de todas ellas sería una constante de nuestro universo: Energía Universal o constante universal KU.
    E+m+ET=KU (1)
    E=mc2 (2)
    m(c2+1)+ET=KU (3)
    6. Tenemos una relación bastante probada y buena hasta ciertos límites entre la energía E y la masa m a través de la constante c2. No tenemos una relación entre el espacio-tiempo y la masa y/o la energía. Tampoco sabemos el valor de la energía universal o constante universal KU.
    7. Si el espacio-tiempo es realmente energía extendida (desconcentrada) a su máxima expresión, debe consumir muy poca energía su creación. Dicho de otro modo, una unidad básica de energía se extendería con un valor muy grande de espacio-tiempo.

  8. Ángel Blanco dijo:

    8. Con el universo primario en expansión se usa habitualmente una analogía con un gas en expansión que se enfría. Esta analogía es falsa. Un gas en expansión no se enfría, se calienta y un gas en compresión se enfría, no se calienta. Hay dos formas de expandir un gas, pero ambas consumen energía externa al gas. Una forma es el trabajo mecánico de expandir el volumen y la otra forma es suministrarle energía calórica. El universo no tiene un medio externo, hasta donde sabemos, con el cual intercambiar energía (no se cumpliría entonces el primer principio de la termodinámica), por lo tanto la expansión de su volumen o espacio-tiempo tiene que consumir energía del sistema, o sea del universo. Para comprender bien esto hay que suprimir el concepto de presión, que lleva implícito el concepto de confinamiento por un agente externo. El universo no tiene hasta donde sabemos un agente externo que lo confine.
    9. En el universo físico real que conocemos hay dos cosas que no existen: el cero y el infinito. El cero y el infinito son conceptos matemáticos abstractos que configuran un sistema o marco de referencia absolutos, y quedó demostrado que la física no admite sistemas de referencia preferenciales o absolutos, todos son equivalentes. Por tanto el cero físico es mayor que el cero matemático: 0f=0m+1. De la misma manera el infinito físico es menor que el infinito matemático: ∞f=∞m-1. Por definición, si al infinito matemático le puedo sustraer una unidad (lo cual es imposible) deja de ser infinito y se convierte en una cantidad finita aunque bastante grande. Dicho de otro modo, si se convirtiera toda la energía del universo en espacio-tiempo (con la energía y masa mínimamente posible) tendríamos un espacio-tiempo casi infinito que representaría al infinito físico. Si en física aplicásemos el cero matemático tendríamos nada, y la nada no puede ser objeto de estudio de la física por definición. La física siempre estudia algo real. Por ejemplo: 1×10-1000000 es un valor bastante pequeño, pero no es cero (dudo que la física tenga un valor tan pequeño en cualquiera de sus unidades básicas). En matemática puedo dividir un metro en valores infinitos, o sea, entre uno y cero existen infinitos valores. Pero en física llegará un momento en que no tenga qué ni con qué dividir una medida de longitud o de espacio-tiempo, habríamos llegado a la unidad básica de espacio-tiempo. La física cuántica no puede trabajar con unidades menores que esta.

  9. Ángel Blanco dijo:

    10. El espacio vacío no existe, es una abstracción matemática. En nuestro universo real no hay ningún espacio vacío. En el universo actual no concibo un espacio por el cual no esté pasando en cualquier instante de tiempo al menos un fotón, por lo tanto no está vacío. De lo contrario debería existir un punto tal en el espacio-tiempo desde el cual no existiría el universo, o sea no se observaría nada, ni sentiríamos ninguna fuerza. La misma existencia de espacio-tiempo significa energía extendida a su máxima expresión, por lo que en física un espacio-tiempo vacío sería aquel que no tiene otro tipo de energía que el suyo propio.

  10. Ángel Blanco dijo:

    11. Nuestro universo actual está en expansión con dos procesos opuestos: un proceso de conversión de masa en energía (formación de estrellas y su posterior desarrollo) y otro proceso de concentración y conversión de energía en masa (los llamados agujeros negros, que son luminosos). La energía generada del primer modo se convierte en masa y en espacio-tiempo. Los agujeros negros luminosos absorben muchísima más energía (en forma de masa y partículas elementales) de la que pueden emitir. Llegará un momento en la historia del universo en que no podrán crearse nuevas estrellas en ningún lugar del mismo, cesará la construcción de fábricas convertidoras de masa en energía. A partir de este momento comenzará a frenarse la expansión del universo. La energía que producirán las estrellas que aún sobreviven se convertirá principalmente en masa, quedando cada vez menos energía para convertirse en espacio-tiempo. Mientras tanto los agujeros negros luminosos continuarán absorbiendo masa y energía y se convertirán en entes cada vez más masivos con una mayor capacidad de absorber masa y energía. Los agujeros negros luminosos más pequeños y cercanos se irán fusionando en un proceso “suave”, creando entes cada vez mayores y concentrando la masa de regiones cada vez más vastas del universo. El proceso de fusión de agujeros negros luminosos es un proceso “suave” porque se produce el choque con cierto ángulo de incidencia, provocando que dos agujeros negros luminosos comiencen a girar muy rápidamente uno alrededor del otro sin romper todavía sus fronteras u horizonte de sucesos. Este giro cada vez más rápido creará un campo gravitatorio común que terminará por abrir el horizonte de sucesos en un punto de contacto común (centro de masas gravitatorias) y fusionará las masas y fronteras de ambos agujeros negros luminosos, algo similar a la división de una célula, pero en sentido inverso. Llegará entonces el momento en que las fábricas convertidoras de masa en energía dejen de funcionar (las estrellas). Las que queden se irán apagando si es que no son absorbidas antes por sus respectivos agujeros negros luminosos. En este estado el universo dejará de expandirse por el déficit de energía y se irá concentrando toda la masa y energía en los agujeros negros luminosos. El universo será un lugar cada vez más oscuro, un proceso muy lento que irá recogiendo toda la masa y energía dispersada por el universo y concentrándola en cada vez en menos agujeros negros luminosos. Al mismo tiempo la fusión o concentración de agujeros negros luminosos será cada vez menos suave: las distancias a las que se encuentran serán mayores (chocarán con mayor velocidad de aproximación) y sus ángulos de choque menores. El espacio-tiempo se irá contrayendo y deformando a medida que disminuye la cantidad de agujeros negros. Cuando queden solamente dos agujeros negros estarán situados en extremos opuestos del universo con una enorme distancia y masa, el espacio-tiempo estará extremadamente deformado con muy pocas partículas libres. Estos dos agujeros negros luminosos súpermasivos comenzarán a aproximarse a velocidades cada vez mayores llegando a chocar con un ángulo de incidencia cero, o sea, en la misma línea. En el instante justo antes del choque ya no habrá casi partículas libres de ningún tipo, ni espacio-tiempo que no sea el que esté contraído y deformado alrededor de estos agujeros negros luminosos. A diferencia de todas las fusiones anteriores ésta no será “suave”, será una explosión descomunal, los dos horizontes de sucesos chocarán en un punto de contacto común donde se concentrará toda la energía del choque, lo que deformará y terminará por romper la frontera de sucesos de manera brusca, dispersando toda la energía del choque en todas las direcciones posibles perpendiculares a la dirección de choque. Las fronteras de sucesos tratarán de restaurarse por ambos lados sin lograrlo por lo que ocurrirá una súbita expansión del universo, del espacio-tiempo, estaremos en presencia de un nuevo Big-bang. Las fronteras de sucesos desaparecen bruscamente, ya no hay nada que retenga a la materia confinada.

  11. Ángel Blanco dijo:

    12. Podemos tomar como instante de creación del nuevo universo, el instante en que se rompe bruscamente el horizonte de sucesos de ambos agujeros negros luminosos de manera simultánea. El tiempo transcurre tan lentamente que tendrán “tiempo” para que la ruptura sea un proceso simultáneo en ambos, a pesar de la posible pequeña diferencia de masas.
    13. Según la fórmula (1): E+m+ET=KU, ninguno de sus componentes llegaron a tomar el valor de cero, tanto la energía como el ET se fueron transformando en masa. La energía E llegó a su mínima expresión, al igual que el espacio-tiempo ET, por lo que la energía o constante universal KU llegó a ser prácticamente igual a la masa.
    14. La imagen del Big-bang cambia ligeramente. Sigue naciendo el universo en un punto o zona minúscula con un espacio-tiempo contraído y extremadamente curvado, pero alimentado por dos enormes agujeros negros luminosos supermasivos que se deshacen en una explosión descomunal, eliminando sus horizontes de suceso. Toda la información retenida en los agujeros negros luminosos se vuelca en el nuevo universo. En el instante de la creación del universo había una energía mínima y un espacio-tiempo mínimo, con dos enormes masas.

  12. Ángel Blanco dijo:

    ¿Existe alguna partícula elemental (del modelo estándar) incapaz de absorber o emitir un fotón en al menos uno de sus estados?

  13. Carles Paul dijo:

    Hola Angel, intento contestarte todo a su tiempo. De momento esto…

    1 Todo lo que conocemos sobre la expansión acelerada del universo es evidentemente por observaciones astronómicas y teorías que mas o menos van funcionando…pero la ignorancia lo inunda todo.

    En la creación del espacio-tiempo se genera energía del vacío que va aumentando a medida que aumenta el tamaño del universo…por eso se expande de forma acelerada…cada vez hay más energía de repulsión. La denominada materia oscura del universo.

    Respecto la energía inicial de la expansión…tienes que visualizarlo no como una expansión sobre algo…sino una expansión sobre si mismo. Al mismo tiempo que el universo se expande crea el espacio-tiempo en que se expande y crea energía. Pero como aumenta su tamaño la densidad de energía es menor. Tienes que visualizarlo no como energía sino como densidad de energía, pero a escalas de cúmulos de galaxias, a escala planetaria ni se nota.

    La energía esta cuantizada, los fotones de luz llevan una parte de energía concreta en función de su frecuencia (color en el visible). La masa es algo raro y no se conoce que este cuantizada…la masa no es un invariante relativista…esto significa que varia según el estado de movimiento del observador y por tanto a medida que aumenta la velocidad la masa aumenta y no de forma cuantizada….en cambio la carga si esta cuantizada…curiosamente la carga si esta cuantizada y por tanto cualquier observador mide la misma cantidad de carga eléctrica.

    La Energía siempre es una manifestación de una fuerza…desde el punto de vista newtoniano podemos resolver los problemas mediante fuerzas o mediante energías. Claro esta que E=mc2 lia un poco la cosa, pero no olvidemos que la masa esta relacionada con la fuerza gravitatoria y la inercia…es lo que se denomina el principio de equivalencia: la masa inercial y la gravitatoria son la misma.

    7 Para entender la creación de la energía en el espacio-tiempo tenemos que entender que pasa dentro del espacio-tiempo y esto lo desconocemos…la teoría que intenta descubrir este acertijo es la gravedad cuántica…pero esta muy por definir.

    8 El universo se expande adiabaticamente, esto significa que no mantiene intercambio de energía con nada. Un gas cuando se expande se enfría porque sus moléculas disminuyen la velocidad (la temperatura es la medida de la velocidad de las moléculas) y cuando se comprime se calienta por que hay mas choques de sus moléculas. En el universo a medida que se expande la energía cinética tiende a disminuir y aumentar la energía gravitatoria….por esto si eso universo se expande aceleradamente tiene que existir otro tipo de energía (energía oscura) que compense la perdida.

    9 El tema de los infinitos es un poco liado desde el punto de vista matemático. Si tenemos un saco con infinitas patatas y las separamos en dos sacos, en cada saco tendremos infinitas patatas…es el concepto matemático.
    En física existen los infinitos…la velocidad de la luz es un infinito…nunca se puede llegar a esa velocidad, nos podemos acercar cuanto queramos pero jamas llegaremos a los aprox 300.000km/s…y respecto el cero en física tenemos un cero que es el cero absoluto de temperatura -215,16 ºC por mucho que enfriemos nunca llegaremos a esta temperatura. Por tanto aqui tienes un ejemplo de valores concretos y medibles pero que son infinitos en nuestro universo.

  14. Carles Paul dijo:

    10 Por supuesto, el espacio vacío no existe. Dado que las estrellas están continuamente inundando el universo con fotones, es espacio esta lleno de estos fotones de manera que existe una energía electromagnética permanente en el espacio-tiempo. Se considera tambien que esta inunada de particulas-antiparticulas virtuales, lo tengo en este post.
    https://abcienciade.wordpress.com/2009/11/30/particulas-virtuales-i/

  15. Carles Paul dijo:

    11 Mas o menos de acuerdo. Pero según los datos observacionales actuales el universo continuara expansionandose eternamente y los agujeros negros terminaran por evaporarse mediante la Radiación de Hawking. La idea es que el universo desaparecera como un pompa de jabón.
    https://abcienciade.wordpress.com/2011/07/21/la-radiacion-de-hawking/

  16. Carles Paul dijo:

    Las personas que actualmente estan trabajando en estos temas son Lee Smolin y Leonard Susskind.

    Lee Smolin: Las dudas de la física del siglo XXI.

    Puedes buscar información sobre los libros publicados, no me atrevo a recomendarte ninguno más pues tu mismo encontraras el que mejor se adapte a tus conocimientos.

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