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Simulando agujeros negros.

Muchas veces hacemos simulaciones para observar lo que sucede o sucedería un sistema.
Así, por ejemplo, hacemos una simulación para observar qué sucede durante una colisión de galaxias, ya que no disponemos del tiempo de espera necesario.
También, para estudiar las características de un sistema y verificar la teoría que lo describe, por ejemplo, el caso de un agujero negro.

Podemos emular un agujero negro con el vórtice de succión de un desagüe.

Simulación de agujero neegro en un tanque de agua

Crédito M. Richartz

En las vecindades del desagüe aparece un sutil remolino provocado por el Efecto Coriolis (pdp, El Efecto Coriolis y la conservación del Momento Angular, https://paolera.wordpress.com/2015/07/22/el-efecto-coriolis-y-la-conservacion-del-momento-angular/).
Ese remolino, bien emula el disco de acreción de materia que cae sobre el agujero negro arremolinándose, autofriccionando y recalentándose; lo que genera emisión de energía desde las vecindades del agujero negro.
Si se producen ondas perturbando de alguna manera la superficie del agua, veremos un comportamiento similar a lo que sucede con las ondas de radiación (luz).
Lejos del vórtice, las ondas viajan sin problema. En las vecindades, sienten la velocidad del flujo de agua, del remolino, y son atraídas hacia el vórtice. Eso muestra la radiación absorbida por el agujero negro. Más lejos, las ondas siguen su viaje ya que no sienten la velocidad del flujo de agua.
Pero a distancias intermedias, y más bien hacia el vórtice, las ondas sienten la velocidad del flujo de agua de manera que tienden a desviarse hacia un punto adelante del vértice, dejándolo entre ese punto y el origen de la perturbación. Eso bien emula la desviación de las ondas por el agujero negro, lo que origina las conocidas lentes gravitacionales.
Las ecuaciones de movimiento de las ondas en este caso, coinciden con las que se plantean en las vecindades de un agujero negro.
Incluso, los objetos que floten en el agua, deberán tener cada vez más velocidad para escapar del vórtice a medida que estén más cerca.

Pero hay una simulación más compleja. La que nos permite estimar la temperatura de un agujero negro.
Como todo objeto con energía, el agüero negro debe tener cierta temperatura que obviamente depende de su masa.
Aquí es donde aparece el agujero negro sónico.
Se produjo un flujo de átomos de Rubidio en un estado conocido como condensado de Bose-Einstein. Ese flujo de materia absorbe las ondas de sonido como el agujero negro absorbe las de radiación. Bajo esas condiciones se observó la creación de partículas y antipartículas, las que luego se aniquilaban. Pero en el agujero negro, una queda en el agujero negro y la otra fuera de él. Esta última se aleja dando lugar a la conocida Radiación Hawking.
También se midió la temperatura de ese agujero negro sónico, y su valor estuvo de acuerdo con lo que predice la teoría de Hawking.

Referencias:

Fuente:

pdp

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Conclusiones de la observación del agujero negro de M87

La observación del agujero negro central de M87, sirvió para mucho.
Son varios los beneficios de haber observado la sombra del agujero negro central de la galaxia M87 a unos 55 millones de años luz de casa (pdp, Primera imagen de agujero negro – El supermasivo de M87 en Virgo, https://paolera.wordpress.com/2019/04/10/primera-imagen-de-agujero-negro-el-supermasivo-de-m87-en-virgo/).

Imagen del agujero negro supermasivo en M87 – Crédito: The Event Horizon Telescope (EHT).

En primer lugar se pudo observar lo que hasta ese momento era un objeto predicho por la teoría, o sea que se confirmó su teórica existencia con la observación.

En base al estudio de las estrellas que lo orbitan se estimaba que se mas era de 6 600 000 000 de masas Solares. En base al gas que lo rodeaba (observado en Rayos X), se estimaba que su masa era de 2 400 000 000 masas Solares, cifra que luego de mejoró a 3 500 000 000 de masas Solares.
En base a la observación, el diámetro del horizonte de sucesos (diámetro dentro del cual nada se observa) es de unos 38 000 000 000 Km. Eso implica una masa de 6 500 000 000 de masas Solares.
Luego, no sólo se pudo confirmar su masa sino que, además, se demuestra que el método basado en las estrellas que orbitan un agujero negro es mejor que el basado en el gas que lo rodea.

Finalmente, se pensaba que el agujero negro de M87 estaba relacionado con un agujero de gusano; un pasaje entre distintos lugares del espacio – tiempo.
Según la misma teoría que respalda la existencia de ese tipo de pasadizos, este agujero negro no cumple con las características que debería tener para estar relacionado a un agujero de gusano. Por ejemplo, entre otras cosas, debería ser más chico de lo que se observa. Así entonces, al menos el agujero negro central de M87, no está relacionado con un agujero de gusano.

Rerefencia:

Fuente:

pdp.

Un agujero negro binario es el quinto en tener alto spin.

Los agujeros negros son simples, no tienen pelos (pdp, 17/feb./2016, Teorema de la calvicie, https://paolera.wordpress.com/2016/02/17/el-teorema-de-la-calvicie-los-agujeros-negros-no-tienen-pelos/).

Se caracterizan por su masa, su carga y su spin o rotación.

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Ilustración de agujero negro crédito de keanu2/iStock

Cuando una estrella masiva colapsa, los electrones y protones se unen en neutrones y así nace una estrella de ese tipo que puede terminar como agujero negro (AN), un objeto comprimido (estrella de Plank) que de sus vecindades más cercanas no escapa ni la luz. Pero siempre hay un exceso de un tipo de cargas en alguna capa de la estrella, por lo que el AN suele tener cierta carga neta.
En cuanto a su masa, no podemos decir de dónde provino, ya que la masa que cae en el AN, pasa a ser el mismo AN. Esta característica se observa a través de cómo deforma el espacio-tiempo (E-T) que lo rodea, o incluso en su relación con el objeto compañero si se encuentra en un sistema binario.

Para entender la deformación del E-T se suele recurrir a una similitud con una esfera pesada apoyada en una superficie flexible. Ésta se va a hundir por el peso (masa) de la esfera, haciendo que todo lo que esté dentro de la pendiente del hundimiento precipite hacia la esfera, como lo harían los cuerpos cercanos al AN por gravedad.
Siguiendo con esta figuración; si la esfera rota, la fricción con la superficie hará que ésta se enrosque en las cercanías de la esfera.
Según la Relatividad, si un AN rota lo suficientemente rápido, puede hace rotar el espacio que lo rodea.

La fuente de rayos-X 4U 1630-47 es un sistema binario donde vive un AN de unas 10 masas Solares que toma materia de su estrella compañera. Como es sabido, la materia que cae en el AN se arremolina, autofricciona e irradia energía en altas frecuencias, además de alimentar chorros bipolares de energía y material a alta temperatura.
Estudiando el comportamiento de este objeto en rayos-X, se encontró que rota casi al límite permitido. Cuando un objeto está animado de rotación, su velocidad tangencial no puede superar la de la luz en el vacío, la que según la Relatividad es un límite Físico.
Así, para un AN, su spin puede ir de 0 a 1.
Para éste, el spin calculado es de 0,9.
No es el primero con semejante rotación, contándolo a él, ya son 5 los ANs con alto spin.

Referencia:

Fuente:

  • arXiv:1810.01275v1 [astro-ph.HE] 2 Oct 2018, AstroSat and Chandra view of the high soft state of 4U 1630–47 (4U 1630–472): evidence of the disk wind and a rapidly spinning black hole, Mayukh Pahari et al.
    https://arxiv.org/pdf/1810.01275.pdf

pdp.

Por qué el Univeso no terminó como un agujero negro en lugar de expandirse en el Big Bang.

Artículo corregido el 17/oct./2018 a las 22:50 HOA (GMT -3).
Muchos se preguntan (y me preguntaron) por qué se expandió el Universo en lugar de colapsar como un agujero negro,
La respuesta no es fácil, ya que está relacionada con le evolución y futuro del Universo y eso aún no es tema cerrado.
Vayamos por partes.

Ilustración de agujero negro (Birmingham Libraries)

Recordemos qué es un agujero negro.
Es una región del espacio de la que no puede escapar la luz, y por lo tanto, nada.
La velocidad de escape de un objeto depende de la gravedad generada por la masa del objeto del que se quiere escapar. La gravedad de esa masa depende no sólo de ella sino de la distancia a ella (en realidad de su cuadrado). Cuando una estrella masiva colapsa, la gravedad fuera de ella es la misma ya que la distancia a ella y su masa se mantienen; pero sobre su superficie, la gravedad va en aumento porque la distancia al centro disminuye. Así, llega un momento en que el radio de ese objeto es tal que la luz no puede escapar; y como eso es una velocidad insuperable, nada podrá escapar. A ese radio se lo llama Horizonte de sucesos y tiene la propiedad de que alguien fuera de él no puede ver qué pasa dentro, pero alguien dentro sí puede ver qué pasa afuera, ya que la luz entra pero no sale. Incluso, la estrella (ahora estrella de Planck) puede seguir colapsando y no lo notaremos porque dentro de ese horizonte nada es observable ya que está a una distancia del centro de la estrella que impide la salida de la información.

La pregunta es: si en el origen, toda la masa del Universo estaba en una región muy pequeña (matemáticamente un punto), por qué se expandió en lugar de colapsar en un colosal agujero negro.
Una respuesta que leí por ahí, decía que, como con las estrellas masivas, en el colapso se produjo un estallido que expulsó materia dejando un núcleo compacto en forma de agujero negro.
Pero eso es terriblemente erróneo por varias razones.
La materia aún no existía para que colapse y estalle.
El agujero negro remanente estaría en el lugar donde se produjo el Big Bang y según el Principio cosmológico, el Big Bang se dio en todas partes al mismo tiempo (pdp, 20/jun./2014, Principio cosmológico, https://paolera.wordpress.com/2014/06/20/el-principio-cosmologico/). En otras palabras aún no existía el espacio alrededor de ese objeto capaz de colapsar, como sucede hoy en día alrededor de las estrellas masivas. Nada como hoy lo conocemos existía aún.

Cuando se produjo el Big Bang no sólo apareció la materia sino el espacio-tiempo y las leyes de la Física. En ese instante donde nacía el Todo, aparecían sus leyes, las que aún estamos descubriendo. Luego, no podemos suponer que en el origen, las cosas se comportaban como hoy.
Por ejemplo, el valor de las constantes Universales, como la de gravitación “G” y la velocidad de la luz en el vacío “C”, no habrían sido siempre las mismas (10/abr./2018, Estudiando el valor de G, https://paolera.wordpress.com/2018/04/10/estudiando-la-evolucion-de-g/) (pdp, 24/nov./ 2016, El problema de horizontes y la velocidad de la luz, https://paolera.wordpress.com/2016/11/24/el-problema-de-horzontes-y-la-velocidad-de-la-luz/).

Veamos lo que pudo haber pasado.
Si en el Big Bang apareció la materia y ésta tenía una velocidad de expansión que pudo ser frenada por gravitación, toda esa materia y el espacio que se generaba en ese proceso, habrían recolapsado en lo que sería un Big Crunch. Eso evidentemente no se dio.

Si la velocidad de expansión hubiese superado la de escape debido a la masa aparecida, todo se habría disipado en el espacio que se generaba. No habrían aparecido las partículas formando otras más complejas, y por lo tanto, nada de lo que hoy conocemos.

Evidentemente, las condiciones fueron tales que el Universo se dio en el sutil límite entre el recolapso y la brusca expansión.

El Universo se expandió, pero tuvo tiempo para la aparición de partículas que dieron origen a todo lo que hoy existe (pdp, 09/ago./ 2018, El origen de la materia en el Universo, https://paolera.wordpress.com/2018/08/09/el-origen-de-la-materia-en-el-universo-rompiendo-simetrias/). Luego, en su evolución, las leyes Físicas se fueron plasmando en lo que hoy seguimos estudiando. La energía obscura se encarga de mantener esa expansión y el estudio continua (pdp, 05/ago./ 2018, Sobre el origen de la energía obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).

Referencia:

pdp.

El disco de objetos masivos que rodean a Sgr.A*.

Las estructuras galácticas tienen componentes que no se dan por azar.
Por ejemplo nuestra Galaxia, una enorme espiral con barras y un bulbo en el centro (pdp, 22/oct./2014, Desalineación entre el bulbo y las barras en la Vía Láctea, https://paolera.wordpress.com/2014/10/22/desalineacion-entre-el-bulbo-y-las-barras-en-la-via-lactea/).
En ella, se ha detectado un disco de objetos masivos alrededor del agujero negro supermasivo central Sgr.A*. En su mayoría son estrellas jóvenes y masivas, precursoras de estrellas de neutrones y agujeros negros como los que ya se encuentran en ese disco. Toda una población de objetos de gran masa que tienen una buena probabilidad de generar encuentros y fusiones entre ellos con la consabida producción de ondas gravitatorias. Ese séquito de “pesados” rodea a Sgr.A* en un apretado disco de no más de 2 años luz (en realidad 0,5 pc. algo así como 1,6 AL).

black holes form in disks at the center of galaxies like our milky way

Ilustración de Sgr.A* – Crédito de  NASA/JPL-Caltech.

El vecindario de Sgr.A* es hostil a la formación estelar. La materia se arremolina cayendo en el agujero negro, por lo que no tiene tiempo de formar estrellas. Así, el origen de ese disco de objetos masivos debe ser otro.

Luego de estudios realizados con simulaciones numéricas, se encontró que las estrellas y cúmulos de estrellas que rodean al centro de la Vía Láctea (VL), interactúan fuertemente con Sgr.A* obviamente de manera gravitacional.
Por un lado, estrellas y cúmulos sienten afectadas las inclinaciones de sus órbitas haciendo que tiendan al plano de la VL. A esto se lo conoce como relajación resonante vectorial porque la orientación de las órbitas está dada por un vector (segmento orientado perpendicular al plano de la órbitahttps://es.wikipedia.org/wiki/Vector). También se ven afectadas las excentricidades de esas órbitas (su divergencia respecto del círculo). A eso se lo conoce como relajación resonante escalar, porque la excentricidad no es una magnitud vectorial (no se trata de un segmento orientado).

Los cúmulos que se unen a esa región, se desarman interactuando con el material allí existente. Así colaboran con estrellas que se unen a las que allí tienden desde las vecindades del centro galáctico. Todas toman masa de la que hay cerca del plano galáctico volviéndose más masivas y activas, se fusionan y asocian entre ellas para terminar como agujeros negros y seguramente generar ondas gravitatorias; en suma, se convierten en todos los objetos de gran masa allí encontrados rodeando a Sgr.A*.

Referencia:

Fuentes:

pdp.

Neutrinos de XT 0506+056 (y no es la primera vez).

Convivimos en el Universo con objetos exóticos y muy activos, y de vez en cuando tenemos noticias de ellos.
No sólo nos llega una piedra del espacio cada tanto. Otras veces nos llegan partículas atómicas; rayos cósmicos originados en diferentes eventos. Hace poco recibimos rayos de este tipo desde la activa estrella zombie eta Car (pdp, 04/jul./2018, Rayos cósmicos desde Eta Car., https://paolera.wordpress.com/2018/07/04/rayos-cosmicos-desde-eta-car/).

Los neutrinos son partículas que se originan en cierta actividad del núcleo atómico.
Primero fueron teorizados como partículas de muy pequeña masa por lo que su interacción gravitatoria con otras partículas es muy baja y sin carga eléctrica, por lo que no tiene interacción de ese tipo con otras partículas. Así, costó detectarlas, pero al fin se logró con detectores de neutrinos.
Estos instrumentos consisten en grandes masas capaces de reaccionar cuando un neutrino las impacta. Esto sucede en el telescopio de neutrinos IceCube en la Antártida (https://es.wikipedia.org/wiki/IceCube) que consiste en detectar el impacto de neutrinos en una masa de 1 Km3. de hielo.

Los neutrinos suelen provenir del Sol, originados en los violentos procesos energéticos que se dan en Él, y también las explosiones de estrellas de tipo supernovas. Pero se han detectado neutrinos más energéticos que los de origen Solar, éstos eran unas 300 millones de veces más energéticos, superando incluso los provenientes de supernovas.
Como interactúan muy poco con la materia, no habrían sufrido grandes cambios en su trayectoria hasta Casa; luego, fue posible aproximar la posición de su fuente. En la dirección más probable de donde pudieron provenir, se encuentra el blasar TXS 0506+056.

Un blazar es un núcleo galáctico activo potenciado por un agujero negro central supermasivo. Este agujero negro absorbe materia y en ese proceso, ésta se recalienta por autofricción y emite grandes cantidades de energía desde las vecindades del agujero negro. A su vez, éste emite jets bipolares (en la dirección de sus polos) de materia a alta temperatura y grandes energías. O sea que es como un cuasar pero con el chorro de materia hacia el observador (https://es.wikipedia.org/wiki/Blazar).

Ilustración de un  blasar – crédito de DESY, Science Communication Lab

Para la época en la que se recibió esos neutrinos muy energéticos (unos días después), se detectó una fulguración en rayos gamma (brote de energía de alta frecuencia) proveniente del mismo blazar.
Esto confirma el origen de estos neutrinos. Se habrían producido en el blasar TX 0506+056. Es más; revisando los archivos de datos, a fines del 2014 y principios del 2015, hubo detecciones de este tipo de neutrinos y rayos gamma desde el mismo blasar. Pero en aquellos años el sistema de alerta en tiempo real del IceCube no funcionaba completamente por lo que la correlación entre los eventos no se hizo como hoy en día.
Esto no sólo nos enseña más de los neutrinos y sus orígenes, sino que también podemos obtener nueva información de sus fuentes. Por ejemplo, en este caso, podemos decir que el blasar XT 0506+056 está consumiendo materia más rápido últimamente.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Objetos Gravastars, los casi Agujeros Negros.

En un momento se conjeturó con que los Agujeros Negros podrían no existir, y ser en realidad objetos muy obscuros en lugar de cuerpos de los que ni la luz escapa (pdp, 25/ene./2014, Los Agujeros Negros clásicos podrían no existir, https://paolera.wordpress.com/2014/01/25/los-agujeros-negros-clasicos-podrian-no-existir/).
Según S. Hawking, en el límite del Agujero Negro podrían generarse partículas y antipartículas, unas dentro y otras fuera. La partícula generada en el exterior del Agujero Negro podría escapar si está animada de la velocidad suficiente. Así el Agujero Negro terminó con menos energía ya que de ella se formaron dos partículas de las que una escapó. De esta manera, termina evaporándose.
Si este proceso ocurre durante el colapso del que nacería un Agujero Negro, la evaporación atentaría contra ese colapso y el objeto no llegaría al extremo de ser Agujero Negro. Sería un objeto obscuro, muy rojizo, ocre, ya que la luz perdería mucha energía en escapar de él.

El concepto de espacio vacío es un poco relativo.
En algunos casos, el vacío depende la las dimensiones involucradas. El camino que una partícula puede recorrer antes de chocar con otra, es una medida de la densidad del medio o de cuan vacío está ese medio. Decimos que el espacio exterior está vacío porque si cerramos el puño en ese ambiente, nada atrapamos. Lo mismo diría un microbio en un pelotero, el cual, para nosotros, está lleno de pelotitas (pdp, 19/feb./2016, El camino libre medio, https://paolera.wordpress.com/2016/02/19/caminando-el-espacio-vacio-vacio/).

En el vacío del espacio exterior se dan ciertas propiedades que son descriptas satisfactoriamente por la existencia de partícula virtuales. En otras palabras, el vacío se comporta como si estuviera habitado por ciertas partículas bien descriptas por la mecánica cuántica; así se habla del vacío cuántico.
Las partículas virtuales del vacío espacial podrían colaborar para la existencia de objetos parecidos a los Agujeros Negros; o sea, no tan negros.
Como estas partículas existen en todo el espacio vacío, también existirían dentro de los cuerpos incrustados en ese vacío, de hecho, esos cuerpos se formaron cuando la materia ocupó un lugar (compartió el vacío con esas partículas) y se condensó en un objeto.
Durante el colapso de los cuerpos muy masivos, esas partículas se ven sometidas a condiciones tales que terminan polarizadas. Bajo estas circunstancias, tienden a mantenerse alejadas y se opondrían al colapso. De esta manera, el cuerpo no sería tan compacto y no sería un Agujero Negro ya que la luz podría llegar a escapar. A estos hipotécticos objetos de los llama Gravastars (algo así como graviestrellas).
Los Gravastars, por ser muy masivos, generarían lentes gravitacionales, irradiarían rayos X de la materia recalentada por autofricción que cae en ellos en forma de remolino y hasta generarían ondas gravitacionales; todo con sutiles diferencias respecto a lo producido por los Agujeros Negros.

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Aún se los busca para verificar todas las condiciones necesarias para su existencia.

Referencias:

Fuentes:

pdp.