El documento resume la historia del descubrimiento de los hoyos negros, desde las primeras ideas de que objetos muy masivos podrían atrapar la luz hasta la comprensión moderna de que los hoyos negros son el resultado del colapso gravitacional de estrellas masivas. Explica que un hoyo negro es un objeto cuya velocidad de escape supera la velocidad de la luz debido a su enorme campo gravitatorio y masa concentrada en un pequeño volumen.

1. LOS HOYOS NEGROS
Por Lonnie Pacheco
Jason Lawrence

2. Esta conferencia llega a Usted gracias a
www.astronomos.org

3. Los hoyos negros fascinan a muchos, aunque pocos los entienden
en verdad

4. Un hoyo negro es un objeto tan masivo y con un campo gravitatorio tan
concentrado que ni siquiera la luz puede escapar de sus lazos

5. Algunos dicen que en el centro de la Galaxia del Centauro hay un hoyo
negro que se tragará a toda la galaxia

6. Otros se imaginan que la Tierra
corre peligro de ser devorada por uno

7. ¿Acaso el hoyo negro aspira todo lo que encuentra a su paso?

8. ¿Fue un hoyo negro el que chocó en Tunguska?

9. ¿Cómo suponer que la luz pudiera ser capturada por un objeto así?

10. ¡Si la luz parece viajar a una velocidad infinita!

11. Uno de los primeros hombres en
tratar de determinar si la luz
tenía velocidad fue Galileo

12. Corría la primera década de 1600.
Galileo y un ayudante se colocaron a distancia en dos cumbres
El ayudante sostuvo una linterna (antorcha) tapada, misma que en
repetidas ocasiones descubrió rápidamente

13. Ingenuamente, Galileo intentó contar el tiempo desde que la linterna
era destapada hasta que la luz era visible

16. La luz pareció llegar siempre simultáneamente, sincronizada

17. Obviamente Galileo no consideró que la misma imagen de su ayudante
viajaba también a la misma velocidad de la luz

18. Resultado: la luz viajaba demasiado rápido para ser medida o
efectivamente, tenía una velocidad infinita

19. De alguna manera, los descubrimientos de Galileo sí llevaron a la
determinación de que la luz tenía una velocidad

20. Galileo se había distinguido por ser el primer hombre en descubrir
los satélites de Júpiter

21. Una observación constante mostraba a los satélites transitar
ocasionalmente frente al planeta
Sociedad Astronomica de Hong Kong

22. Observaciones detalladas posteriores permitieron calcular con mucha
precisión el período orbital de cada uno
De este modo que se podía predecir cuándo y dónde aparecería uno
de estos satélites en fechas futuras

23. En 1676, Ole Christensen Roemer fue el primero en descubrir
“accidentalmente” que la luz tenía una velocidad limitada
Ole Christensen Roemer
1675-1676

24. El astrónomo danés notó que los satélites de Júpiter llegaban “tarde” a su
cita, pues llegaban retrasados a la posición calculada
Antonio Cidadao

26. Roemer notó que esto sucedía sólo cuando Júpiter estaba
más lejos de la Tierra
Pero cuando se reducía la distancia al planeta gigante las cosas se
normalizaban y los satélites llegaban puntuales a la posición calculada

27. No era posible que la Tierra influyera de alguna manera para hacer que
los satélites galileanos giraran más rápido alrededor de Júpiter

28. Lo más evidente para Roemer era que cuando Júpiter estaba más lejos de
la Tierra, su luz –y la de sus satélites- se tardaba más
1000 segundos
Esto –pensó él- era porque tenía que recorrer una distancia mayor

29. 300,000,000 Km.
1000 segundos

30. Roemer calculó, en base a esto, que la luz viajaría a unos 225,000
km/seg. ¡Nada mal! Considerando la época en que se realizó este
experimento y que el valor actual es de poco menos de 300,000 km/seg
300,000,000 Km.
1000 segundos
300,000,000 Km. = 300,000 Km/seg
1000 segundos

31. Roemer calculó que la luz viajaría a unos 225,000 km/seg. ¡Nada mal!,
considerando la época (1676) en que se realizó este experimento y que el
valor actual es de poco menos de 300,000 km/seg
Ole Christensen Roemer
225,000 Km/seg.

32. Once años después, en 1687, Newton publicó su famosa obra Principia,
donde expone las leyes fundamentales del movimiento de los cuerpos y
de la gravitación universal

33. En sus enunciados establece que toda masa genera un campo
gravitacional. Este campo actuará en los objetos que le rodean

34. La atracción gravitacional dependerá de la masa y de la distancia. A
mayor masa mayor atracción. A mayor distancia menor atracción

35. Los objetos de mayor masa dominan sobre los objetos de menor masa
En el Sistema Solar domina la masa del Astro Rey

36. Masa del Sol: 332,946 Masas Terrestres

37. Y la luz...¿tiene masa?
Si así es, entonces la luz debe ser dominada por los objetos masivos.

38. Basándose en la Teoría de Gravedad de Newton y en el supuesto de que
la luz tuviera masa, en 1783 John Michell escribió que si una estrella
fuera lo suficientemente masiva y compacta, la atracción gravitacional
sería tan alta que hasta la luz sería atraída por la estrella y ¡no podría
escapar de ella! Michell las llamó estrellas oscuras

39. Michell las llamó estrellas oscuras
(1783)

40. Poco después (1794) el marqués de Laplace –científico francés- sugirió
independientemente una idea similar

41. ¡Qué mala onda!
Pierre Simon Laplace
...pero ante la prevaleciente idea de que la luz era una onda y no una
partícula, dejó de promover sus “descabelladas” ideas

42. ¿Partículas?

43. ¿Ondas?

44. Finalmente, dominó la creencia de que la Luz se propagaba por ondas,
como el agua y el sonido

45. Si la Luz no estaba formada por partículas, entonces seguramente la
gravedad tenía un efecto nulo en ella

46. Pero luego Einstein demostró que la luz se comportaba corpuscularmente
–como sólido- mediante el experimento del efecto fotoeléctrico

47. Einstein demostró que la luz (energía) y la materia eran intercambiables
y que formaban parte del Universo junto con el espacio y el tiempo
2
E=mc
Albert Einstein
1916

49. De acuerdo con Einstein, la topografía del espacio-tiempo depende de
la distribución de la materia
Una concentración de masa distorsiona el espacio y el tiempo

50. Esta expresión describe al Universo mismo
2
E=mc
Sin embargo Einstein no se preocupó por hacer predicciones
en situaciones extremas

51. ¿Qué sucedería en aquellos lugares
donde la materia se concentrara masivamente?

52. En 1916 un matemático alemán, Karl Schwarzschild, demostró –usando
la física de Einstein- que el campo gravitacional de una estrella súper
masiva podría no sólo desviar el curso de la luz, sino
¡llegar al extremo de atraparla!
2
E=mc
Karl Schwarzschild
1916

53. La curvatura del espacio-tiempo sería tan pronunciada que terminaría
doblándose sobre sí misma

54. Schwarzschild envió su propuesta a Einstein y
éste quedó muy complacido y sorprendido por
la simpleza de la solución matemática
Einstein presentó el resultado a la academia como
“singularidad de Schwarzschild”.

55. El modelo de Schwarzschild era bastante exótico, describía que la
curvatura del espacio-tiempo alrededor de un objeto masivo cuyo
material estaría confinado a un solo punto:
la Singularidad
Singularidad de Schwarzschild
“T”

56. Cuando Einstein estudió el caso de la singularidad, se sintió perturbado
al descubrir que el modelo predecía que alrededor de ella existía una
“superficie” que –una vez cruzada- no conocía retorno
Singularidad de Schwarzschild

57. Los objetos serían trasladados a una
Dimensión Desconocida

58. La superficie sería una frontera sin retorno
Cualquier intruso que la cruzara sería expulsado de este Universo

59. ¡¡¡ Qué buena
broma!!!
¡¡¡ ESO NO
PUEDE SER !!!

60. ¡¡¡ He creado un monstruo !!!

61. Schwarzchild debe
estar equivocado
Desde entonces, Einstein hizo todo
lo posible por demostrar que un
objeto así no podría existir

64. Una estrella “fría” y densa
no puede detener el colapso
gravitacional
Subrahmanyan Chandrasekhar
En 1928, un graduado hindú de nombre Subrahmanyan Chandrasekhar
(Chandra para la raza) descubrió matemáticamente que una estrella “fría” y
densa como una enana blanca no sería capaz de detener el colapso
gravitacional si su masa llegaba a unas 1.5 veces la masa del Sol

66. .
El rechazo entre electrones (la degeneración de electrones) no tendría
suficiente fuerza para evitar que la estrella fuera comprimida a una
mayor densidad

68. O.
MASA CRITICA: 1.5 M

69. Chandra dijo que la enana blanca no era indestructible

70. masa de neutrones
Poco después, el científico ruso Lev Davidovich Landau llegó a la
misma conclusión, si bien fue un poco más lejos al concluir que la masa
resultante sería una “estrella” de neutrones

71. Estrella de neutrones
MESSIER 1
(1967)
Gilbert Jones

72. 1967

74. Sir Arthur Eddington

75. Subrahmanyan Chandrasekhar
PREMIO NOBEL DE FISICA (1983)

76. Robert Oppenheimer y Hartland Snyder
1939
OPPENHEIMER

77. Robert Oppenheimer y Hartland Snyder
1939

78. Robert Oppenheimer y Hartland Snyder
1939

79. HOYOS NEGROS
JOHN WHEELER
John Wheeler
1967-69

80. Un Hoyo Negro es, en resumidas cuentas
El colapso gravitacional de una estrella masiva

81. Su velocidad de escape supera a la luz
VELOCIDAD DE ESCAPE
¿ Qué es la velocidad de escape ?

82. Velocidad de Escape
Es la velocidad necesaria para abandonar un cuerpo
(sin retornar hacia él)

83. Ve = 11.2 km/s

84. Trayectoria parabólica

85. Trayectoria elíptica

86. Trayectorias parabólicas o hiperbólicas

87. Secciones Cónicas
Trayectorias posibles

88. Velocidad de Escape (V.e.)
r = radio, distancia al centro del cuerpo
m = masa del cuerpo
G = Constante Gravitacional (deducida por Newton)
= 6.672 x 10 –11 N m2 kg-2

89. Entonces...
Si aumenta la masa, aumenta la Velocidad de escape y,
Si se reduce el radio, aumenta la Velocidad de escape

90. Ve= 11.2 km/s

91. Ve= 2.4 km/s Ve= 11.2 km/s

92. Ve= 2.4 km/s Ve= 11.2 km/s Ve= 59.6 km/s

93. Ve= 617.5 km/s
Ve= 2.4 km/s Ve= 11.2 km/s Ve= 59.6 km/s

94. Enana Blanca 1 Masa Solar Ve= 5,500 km/s
Volker Wendel y Bernd Flach-Wilken

95. Estrella de neutrones 1 Masa Solar* Ve= 125,000 km/s

96. Hoyo Negro 1 Masa Solar* Ve= 300,000 km/s

97. ¡RECUERDA!
Si aumenta la masa, aumenta la Velocidad de escape y,
Si se reduce el radio, aumenta la Velocidad de escape

98. r= 6,378 km Ve= 11.2 km/s

99. A ¼ de su tamaño actual
r= 6,378 km Ve= 11.2 km/s
r= 1,595 km Ve= 22.4 km/s

100. 1,000 veces más pequeña aún
r= 6,378 km Ve= 11.2 km/s
r= 1,595 km Ve= 22.4 km/s
r= 1.6 km Ve= 630 km/s

101. Ve= 617.5 km/s
Ve= 630 km/s
¡ Su velocidad de escape sería superior al la del Sol !

102. ¿Qué sucedería si la Tierra fuera reducida al tamaño de una uva?

103. Su velocidad de escape sería de 300,000 km/s
SERIA UN HOYO NEGRO

104. No se requiere demasiada masa para hacer un hoyo negro
r= 6,378 km Ve= 11.2 km/s
r= 1,595 km Ve= 22.4 km/s
r= 1.6 km Ve= 630 km/s
r= 8 mm Ve= 300,000 km/s

105. Un hoyo negro es un objeto cuya velocidad de escape
es igual o superior a 300,000 km/s

106. No existen mecanismos que puedan aplastar la Tierra
lo suficiente para alcanzar esa condición

107. No existen mecanismos que puedan aplastar la Tierra
lo suficiente para alcanzar esa condición
Sin embargo, las estrellas supermasivas someten
sus núcleos a presiones altísimas
10 17 kg/m3

108. El Sol “sólo” tiene una densidad de 1.5 x 105 kg/m3 en el núcleo
(150,000 kg/m3)

109. ¿Qué pasaría si el Sol se convirtiera en Hoyo Negro?

110. ¿Se comería a todos los planetas?

114. RADIO DE SCHWARZCHILD
Velocidad
de Escape
Radio de
Schwarzchild
c = Velocidad de la luz

115. Velocidad
de Escape
Si aumenta la masa, aumenta la velocidad de escape
Radio de
Schwarzchild
Si aumenta la masa, aumenta el Radio de Schwarzchild

116. Rs = 8 mm Rs = 3 km
Rs 1.4 MO = 4.2 km. Rs 3MO = 9 km.

117. Rs 10 MO = 30 km.

118. La singularidad de Schwarzchild estaría en el centro
.
Sin embargo, bastaría acercarse 30 km para que la luz no pueda escapar
La singularidad es rodeada por el radio de Schwarzchild

119. HORIZONTE DE LOS
EVENTOS
Superficie
HORIZONTE DE LOS EVENTOS

120. ¿ Por qué se llama horizonte de los eventos ?
Porque no podemos ver más allá de él.

121. En teoría, la superficie del horizonte de los eventos es esférica
.
No es palpable y representa la frontera del NO RETORNO

122. Un hoyo negro puede ser orbitado por un cuerpo

123. Pero no hay escapatoria si ingresa al horizonte de los eventos
El objeto se contrae hacia una densidad y tiempo infinitos

124. El Hoyo Negro rompe toda relación con el mundo físico
Las Leyes Universales se “quedan” afuera

125. Nadie sabe qué sucede en el interior del Hoyo Negro
Es impredecible

126. ¿Otra Dimensión ?

127. ¿ Otro Tiempo ?

128. Puede haber cosas insospechadas

130. X

131. PRINCIPIO DE CENSURA
COSMICA
PRINCIPIO
DE CENSURA
COSMICA

132. Una singularidad estará siempre arropada por un horizonte de eventos
.
No existe intercomunicación entre el Universo y la Singularidad
La materia se desnaturaliza cuando ingresa al Hoyo Negro

133. Einstein estableció que la materia distorsionaba el espacio y el tiempo
.
Una singularidad tiene tanta masa concentrada
que el espacio y el tiempo se distorsiona apreciablemente

134. Suena interesante...¿ es acaso comprobable ?

135. Suena interesante...¿ es acaso comprobable ?
.
¡ Claro que sí !

137. Posición
Aparente
1.75°
Posición
Verdadera
Sol
Tierra

138. Posición
Aparente
1.75°
Sir Arthur Eddington
Posición
Verdadera
Sol
Tierra

139. .
1919 Wendy Carlos

140. ¿ Cómo se comportaría la luz en presencia de un hoyo negro ?

141. Los rayos luminosos que caen en el horizonte de eventos se perderían

142. Justo afuera del horizonte de eventos los rayos también se pierden

143. Afuera de 1.5 Radios de Schwarzchild la luz sí puede escapar

144. A mayor distancia, el espacio (y la luz) se desvía menos

145. A mayor distancia, el espacio (y la luz) se desvía menos

146. A mayor distancia, el espacio (y la luz) se desvía menos

147. A mayor distancia, el espacio (y la luz) se desvía menos

148. A mayor distancia, el espacio (y la luz) se desvía menos

149. A mayor distancia, el espacio (y la luz) se desvía menos

150. ESFERA DE FOTONES
¿ Por qué la luz que pasa justo afuera del hoyo negro también se pierde ?

151. Porque a 1.5 Radios de Schwarzchild la distorsión del espacio
es suficiente para atrapar a la luz ¡¡¡ en una órbita circular !!!
La luz no cae más hacia el Hoyo Negro, pero tampoco puede escapar

152. Aquí, a 1.5 radios de Schwarzchild se encuentra la:
ESFERA DE FOTONES

153. A menos de 1.5 radios de Schwarzchild la luz cae inevitablemente
hacia el Hoyo Negro

156. Así, no sólo la singularidad está envuelta por el
Horizonte de los Eventos
1.5 Rs
Alrededor del Horizonte de Eventos está la
Esfera de Fotones

157. Sería interesante ver qué sucede con la luz de una estrella al ingresar a la:
Esfera de Fotones
CONO DE SALIDA
En este ejemplo, el Hoyo Negro avanza hacia la estrella
Y paulatinamente se desarrolla el CONO DE SALIDA

169. PROPIEDADES DE UN HOYO NEGRO
PROPIEDADES
MASA

170. CARGA ELECTRICA NETA
MASA

171. CARGA ELECTRICA NETA
MOMENTO
MASA
ANGULAR

174. CLASIFICACION DE HOYOS NEGROS
CLASIFIACION
Según sus propiedades
PROPIEDADES
1916 HN de Schwarzchild
1918 HN de Reissner-Nordstrom +
1963 HN de Kerr >
1965 HN de Kerr-Newman >+

175. CLASIFICACION DE HOYOS NEGROS
CLASIFICACION MASA
Según su masa
HN Estelares
HN Supermasivos
Mini Hoyos Negros

176. > 3 Masas Solares
Hoyos Negros Estelares

177. Hoyos Negros Supermasivos
106 a 109 Masas Solares
1 a 1,000 millones de Masas Solares

178. Mini Hoyos Negros
?
Mini Hoyo Negro
1011 kg
100 millones de Toneladas
1/10´000,000 mm

187. Observaciones de movimiento orbital de estrellas masivas
alrededor de Sagittarius A* desde VLT
Animacion http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-2002/pr-17-02.html

190. EVAPORACION DE HOYOS NEGROS
Radiación Hawking

196. Cómo detectar un Hoyo Negro

197. Hoyos Negros Aislados

198. Sistemas Binarios sin transferencia de material

199. Sistemas Binarios con transferencia de material

206. GRACIAS
pablo@astronomos.org
Don Dixon

207. Lectura recomendada y sitios consultados
http://www.astronomos.org/articulistas/Lonnie/Hoyos_Negros.htm
http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-03_08.htm
http://cosmos.astro.uson.mx/INFORMATICA/divulgacion/preguntas/res1_30.htm#1

208. www.astronomos.org Derechos Reservados
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