1. AGUJEROS NEGROS
¿Qué son?
¿Dónde están?
Francisco Diego Mazzitelli
Departamento de Física
FCEyN-UBA

2. ESTRELLAS NEGRASESTRELLAS NEGRAS
Velocidad de
escape
Velocidad de escape
mayorque la velocidad
de la luz
“estrella negra”
Michell 1783, Laplace 1795

3. Velocidad de escape:
Tierra: 11Km/seg
Sol: 600 Km/seg
Michell supuso que la luz esta compuesta porpartículas,
y que el campo gravitatorio las afecta.
Laplace supuso lo mismo………pero borró a las
estrellas negras en la tercera edición de su libro,
cuando se hicieron experimentos que mostraron
que la luz tiene carácterondulatorio
vescape =
2GM
R

4. La fuerza de gravedad cambia la
trayectoria de la luz?
Teoría de la Relatividad General (1915)

5. Ascensoracelerado hacia
arriba, en ausencia de
gravedad
Ascensorquieto, en
presencia de gravedad
hacia abajo
DEACUERDO ALPRINCIPIO DEEQUIVALENCIA, LA
GRAVEDADMODIFICA LA TRAYECTORIA DELA LUZ

6. DEFLEXIÓN DELA LUZ PORELSOL
SOL
Estrella lejana
(posicion real)
Estrella lejana
Posicion aparente
Tierra
Primera confirmación (durante un eclipse): Eddington 1919

7. LENTES GRAVITACIONALES
Objeto
muy masivo
Estrella lejana
(posicion real)
Estrella lejana
Posicion aparente
Tierra
Estrella lejana
segunda imagen

8. Hubble space telescope

9. Hubble space telescope

11. Hubble space telescope. Lente gravitacional: Abell 2218

12. La relatividad también predice la existencia de objetos
que no dejan escaparnada, ni siquiera la luz …
Son algo más complicados que las estrellas negras
de Michell y Laplace

13. Karl Schwarzschild 1916
t
R
Horizonte de eventos
singularidad
Superficie de una estrella que colapsa

14. En la década del 60 esas soluciones fueron bautizadas como
AGUJEROS NEGROS porJ.A. Wheeler
A DIFERENCIA DE LAS ESTRELLAS NEGRAS, EN LA
SOLUCIÓN DE SCHWARZSCHILD NINGÚN OBJETO QUE
SE ENCUENTRE A UNA DISTANCIA MENOR QUE CIERTO
VALOR CRÍTICO PUEDE ESCAPAR  HORIZONTE
LEJOS DELHORIZONTEDEEVENTOS, ELCAMPO
GRAVITACIONALDELAGUJERO NEGRO ES INDISTINGUIBLE
DELDEUNA ESTRELLA DESU MISMA MASA (contrariamente a
lo que usualmente aparece en cuentos y películas de ciencia ficción)

15. Existen?
Podemos verlos ?
1. Agujeros negros en sistemas binarios
2. Agujeros negros supermasivos en los
centros de algunas galaxias

16. EQUILIBRIO ESTELAR
• Si la estrella emite luz visible: gravedad vs presión
• Si se acaba el “combustible nuclear”, hay varias
posibilidades:
Cuando M < 1.44 Msol gravedad vs principio de exclusión
de Pauli entre electrones (enana blanca)
Cuando 1.44 Msol < M < 3 Msol gravedad vs principio de
exclusión de Pauli entre neutrones (estrella de neutrones)
Si M > 3 Msol ningún mecanismo físico conocido puede
impedir el colapso gravitacional y la formación de un
agujero negro

17. Sistema binario
Rayos X
Luz visible
http://imagine.gsfc.nasa.gov/

18. Un sistema binario puede contenerun agujero negro si:
La estrella visible es de intensidad variable
El objeto NO visible emite rayos X
La masa del objeto no visible mayorque 3 masas solares
(teóricamente, una estrella así no puede soportarsu propio
peso al “apagarse” y colapsa formando un agujero negro,
típicamente como remanente de una supernova )

19. El primero: Cygnus X1
Masa entre
6 y 10 Msol

20. EL CANDIDATO CYGNUS X-1:
Cygnus X-1 es un sistema binario emisor de rayos X descubierto
en 1962. El objeto visible THDE226868 es una estrella azul
supergigante de magnitud 9, cuya velocidad radial muestra
una periodicidad de 5.6 dias. La potente emisión X del objeto
y el hecho que tanto la emisión X como la visible varían muy
rápidamente, sugieren la presencia de un agujero negro.
La masa de la compañera se estima en 6 masas solares.
http://www.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/cygx1.htm

21. 2
21
3
2
21
)(
)(
),,(
MM
iSenM
iMMf
+
=
Determinarla masa obviamente no es fácil!
Efecto Doppler  velocidad radial  período  función de masa
La masa de la estrella visible puede estimarse porsu espectro, y con
ese dato obtenercotas para la masa del objeto no visible (ya que no se
conoce la inclinación de la órbita)

23. El más grande de la galaxia: SgrA
M= 3 000 000 Msol

24. Ghez et al 2002

25. Descubrimiento de una estrella orbitando alrededor de
SgrA, en el centro de la vía láctea (2002)
Período: 15,2 años
Eccentricidad: 0,87
Velocidad típica: 6 000 Km/seg
Ghez et al 2002

26. Chandra X-Ray Obs (2001)
El agujero negro se traga un bocado
de materia y emite rayos X

27. El más cercano V4641:
Masa: entre 3 y 10 Msol
Distancia a la Tierra: 1500 años luz
16 y 17 de setiembre de 1999 http://apod.nasa.gov/apod/ap000117.html

28. Apuesta entre Hawking y
Thorne (1974)
Del libro “Black holes and Time Warps, K. Thorne

29. OTROS CANDIDATOS 2001-2003, 2004 by Wm. Robert Johnston
Hasta 20 masas solares
Entre 100 y 100 000 masas solares
Más de 1 000 000 de masas solares www.johnstonsarchive.net

30. Relevamiento de sistemas binarios que emiten rayos X y de
galaxias con núcleos activos. NASA – Satélite SWIFT- 2006
Se ven unos 200 candidatos a agujeros negros supermasivos “cercanos”
(a menos de 400 millones de años luz de distancia)

31. Si surge el tema en el aula:
Principales conceptos necesarios:
• Interacción gravitacional (newtoniana!)
• Velocidad de escape
• Existencia de una velocidad límite en la naturaleza
Para fijar ideas:
• Cálculo de velocidades de escape (lo importante no es la masa
sino M/R !!)
• Cálculo de la masa de un agujero negro a partir de datos de
las órbitas de estrellas que giran a su alrededor (en casos
simplificados de órbitas circulares)
• Cálculo de las “fuerzas de marea” en las cercanías de una
estrella de neutrones

32. Además de serun tema de actualidad porsu relevancia académica, es un
excelente ejemplo concreto para discutirla importancia de combinar
observaciones y modelos teóricos para avanzaren la comprensión de los
fenómenos naturales. También ilustra el carácterprovisorio de las
explicaciones de dichos fenómenos.
SITIOS MUY RECOMENDABLES (en inglés):
http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/teachers/blackholes/blackholes.html
http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes/