Fundamentos de Astrofísica/Texto completo
Astrofísica es el estudio de la física del universo. Si bien se usó originalmente para denominar la parte teórica de dicho estudio, la necesidad de dar explicación física a las observaciones astronómicas ha llevado a que los términos astronomía y astrofísica sean usados en forma equivalente.
Una vez que se comprendió que los elementos que forman los "objetos celestes" eran los mismos que conforman la Tierra, y que las mismas leyes de la física se aplican a ellos, había nacido la astrofísica como una aplicación de la física a los fenómenos observados por la astronomía.
La mayoría de los astrónomos (si no todos) tienen una sólida preparación en física, y las observaciones son siempre puestas en su contexto astrofísico, así que los campos de la astronomía y astrofísica están frecuentemente enlazados.
Capítulos del libro
editar- Historia de la Astrofísica
- Nacimiento y expansión del universo
- Proceso de formación de estrellas
- La Secuencia Principal: Diagrama de Hertzsprung-Russell
- El colapso estelar
- Física de los agujeros negros
- Texto completo
Este enlace contiene todo el texto del libro: Fundamentos de Astrofísica
Enlaces
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Para más información, véase el artículo «Astrofísica» en Wikipedia. |
Historia de la Astrofísica
editarLa astrofísica nace con la observación, realizada a comienzos del siglo XIX por J. von Fraunhofer (1787-1826) de que la luz del Sol, atravesando un espectroscopio (aparato capaz de descomponer la luz en sus colores fundamentales), da lugar a un espectro continuo sobre el cual se sobreimprimen líneas verticales, que son la huella de algunos de los elementos químicos presentes en la atmósfera solar, por ejemplo el hidrógeno y el sodio. Este descubrimiento introdujo un nuevo método de análisis indirecto, que permite conocer la constitución química de las estrellas lejanas y clasificarlas.
Otros medios de investigación fundamentales para la astrofísica son la fotometría (medida de la intensidad de la luz emitida por los objetos celestes) y la astrofotografía o fotografía astronómica.
La astrofísica es una ciencia tanto experimental, en el sentido que se basa en observaciones, como teórica, porque formula hipótesis sobre situaciones físicas no directamente accesibles. Otra gran zona de investigación de la astrofísica está constituida por el estudio de las características físicas de las estrellas.
La astrofísica también estudia la composición y la estructura de la materia interestelar, nubes de gases y polvo que ocupan amplias zonas del espacio y que en una época eran consideradas absolutamente vacías. Los métodos de investigación astrofísica son también aplicados al estudio de los planetas y cuerpos menores del sistema solar, de cuya composición y estructura, gracias a las investigaciones llevadas a cabo por satélites artificiales y sondas interplenetarias, se ha podido lograr un conocimiento profundo, que en muchos casos ha permitido modificar convicciones muy antiguas.
Nacimiento y expansión del universo
editarEl Universo es generalmente definido como todo lo que existe físicamente: la totalidad del espacio y del tiempo, de todas las formas de la materia, la energía y el impulso, y las leyes y constantes físicas que las gobiernan.
Observaciones astronómicas indican que el Universo tiene una edad de 13,73 ± 0,12 mil millones de años y por lo menos 93 mil millones de "años luz" de extensión. El evento que dio inicio al Universo se denomina Big Bang. En aquel instante toda la materia y la energía del universo observable estaba concentrada en un punto de densidad infinita. Después del Big Bang, el universo comenzó a expandirse para llegar a su condición actual, y lo continúa haciendo.
Ya que, de acuerdo con la teoría especial de la relatividad, la materia no puede moverse a una velocidad superior a la de la luz, puede parecer paradójico que dos objetos del universo puedan haberse separado 93 mil millones de años luz en un tiempo de sólo 13 mil millones de años; sin embargo, esta separación es una consecuencia natural de la teoría de relatividad general.
Dicho simplemente, el espacio puede ampliarse a un ritmo superior que no está limitado por la velocidad de la luz. Por lo tanto, dos galaxias pueden separarse una de la otra más rápidamente que la velocidad de la luz, es el espacio entre ellas el que crece.
Mediciones sobre la distribución espacial y el desplazamiento hacia el rojo ("redshift") de galaxias distantes, la radiación cósmica de fondo de microondas, y los porcentajes relativos de los elementos químicos más ligeros, apoyan la teoría de la expansión del espacio, y más en general, la teoría del Big Bang, que propone que el espacio en sí se creó a partir de la nada en un momento específico en el pasado.
Observaciones recientes han demostrado que esta expansión se está acelerando, y que la mayor parte de la materia y la energía en el universo es fundamentalmente diferente de la observada en la Tierra, y no es directamente observable (véanse materia oscura y energía oscura). La imprecisión de las observaciones actuales ha limitado las predicciones sobre el destino final del Universo.
Los experimentos sugieren que el Universo se ha regido por las mismas leyes físicas, constantes a lo largo de su extensión e historia. La fuerza dominante en distancias cósmicas es la gravedad, y la relatividad general es actualmente la teoría más exacta en describirla. Las otras tres fuerzas fundamentales, y las partículas en las que actúan, son descritas por el Modelo Estándar. El Universo tiene por lo menos tres dimensiones del espacio y una de tiempo, aunque experimentalmente no se pueden descartar dimensiones adicionales muy pequeñas. El espacio-tiempo parece estar conectado de forma sencilla y sin problemas, y el espacio tiene una curvatura media muy pequeña, de manera que la geometría euclidiana es, como regla general, exacta en todo el universo.
Basándose en observaciones del universo observable, los físicos intentan describir el continuo espacio-tiempo en que nos encontramos, junto con toda la materia y energía existentes en él. Su estudio, en las mayores escalas, es el objeto de la cosmología, disciplina basada en la astronomía y la física, en la cual se describen todos los aspectos de este universo con sus fenómenos.
- Edad: el Universo tiene 13.700 millones de años aproximadamente
- Destino final: las pruebas apoyan la Teoría de la expansión permanente del Universo, aunque otras afirman que la materia oscura puede ejercer la fuerza de gravedad suficiente para detener la expansión y hacer que toda la materia se comprima; algo a lo que los científicos llamarían el "Big Crunch" o la Gran Implosión.
La teoría actualmente más aceptada dada por el belga valón Lemaître de la formación del Universo es el modelo del Big Bang, que describe la expansión del espacio-tiempo a partir de una singularidad espaciotemporal. El Universo experimentó un rápido periodo de inflación cósmica que arrasó con todas las irregularidades iniciales. A partir de entonces el Universo se expandió y se convirtió en estable, más frío y menos denso. Las variaciones menores en la distribución de la masa dieron como resultado la segregación fractal en porciones, que se encuentran en el universo actual como cúmulos de galaxias.
Nacimiento del Universo
editarEl hecho de que el Universo esté en expansión se deriva de las observaciones del corrimiento al rojo realizadas en la década de 1920 y que se cuantifican por la ley de Hubble. Dichas observaciones son la predicción experimental del modelo de Fridmann-Robertson-Walker, que es una solución de las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, que predicen el inicio del universo mediante un big bang.
El corrimiento al rojo se refiere a que los astrónomos han observado que hay una relación directa entre la distancia a un objeto remoto (como una galaxia) y la velocidad con que está alejándose. En cambio, si esta expansión ha sido continua en toda la edad del Universo, entonces en el pasado estos objetos distantes que siguen alejándose tuvieron que estar una vez juntos. Esta idea da pie a la teoría del Big Bang’’; el modelo dominante en la cosmología actual.
Durante la era más temprana del Big Bang, se cree que el Universo era un caliente y denso plasma. Según avanzó la expansión, la temperatura cayó a ritmo constante hasta el punto en que los átomos se pudieron formar. En aquella época, la energía de fondo se desacopló de la materia y fue libre de viajar a través del espacio. La energía sobrante continuó enfriándose al expandirse el Universo y hoy forma el fondo cósmico de microondas. Esta radiación de fondo es remarcablemente uniforme en todas direcciones, circunstancia que los cosmólogos han intentado explicar como reflejo de un periodo temprano de inflación cósmica después del Big Bang.
El examen de las pequeñas variaciones en el fondo de radiación de microondas proporciona información sobre la naturaleza del Universo, incluyendo la edad y composición. La edad del universo desde el Big Bang, de acuerdo a la información actual proporcionada por el WMAP de la NASA, se estima en unos 13.700 millones de años, con un margen de error de un 1% (200 millones de años). Otros métodos de estimación ofrecen diferentes rangos de edad, desde 11.000 millones a 20.000 millones. En el libro de 1977 Los Primeros Tres Minutos del Universo, el premio Nobel Steven Weinberg muestra la física qué ocurrió justo momentos después del Big Bang. Los descubrimientos adicionales y los refinamientos de las teorías hicieron que lo actualizara y reeditara en 1993.
Sopa Primigenia
editarHasta hace poco, la primera centésima de segundo era más bien un misterio, impidiendo a Weinberg y a otros describir exactamente cómo era el Universo. Los nuevos experimentos en el RHIC, en el Brookhaven National Laboratory, han proporcionado a los físicos una luz en esta cortina de alta energía, de tal manera que pueden observar directamente los tipos de comportamiento que pueden haber tomado lugar en ese instante.[5]
En estas energías, los quarks que componen los protones y los neutrones no estaban juntos, y una mezcla densa supercaliente de quarks y gluónes, con algunos electrones, era todo lo que podía existir en los microsegundos anteriores a que se enfriaran lo suficiente para formar el tipo de partículas de materia que observamos hoy en día.[6]
Protogalaxias
editarLos rápidos avances acerca de lo que pasó después de la existencia de la materia aportan mucha información sobre la formación de las galaxias. Se cree que las primeras galaxias eran débiles "galaxias enanas" que emitían tanta radiación que separarían los átomos gaseosos de sus electrones. Este gas, a su vez, se estaba calentando y expandiendo, y tenía la posibilidad de obtener la masa necesaria para formar las grandes galaxias que conocemos hoy.
Expansión del Universo
editarLa ley de Hubble es una ley de cosmología física que establece que el corrimiento al rojo de una galaxia es proporcional a la distancia a la que ésta se encuentra.
La ley fue formulada por Edwin Hubble y su colaborador Milton Humason en 1929 después de cerca de una década de observaciones. Es considerada como la primera evidencia observacional del paradigma de la expansión del Universo, actualmente sirve como una de las piezas más citadas como prueba de soporte del Big Bang, según la Ley de Hubble, una medida de la inercia de la expansión del Universo viene dada por la Constante de Hubble.
A partir de esta relación observacional se puede inferir que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a su distancia, relación más general que se conoce como relación velocidad-distancia y que a veces es confundida con la ley de Hubble.
Los cálculos más recientes de la constante, utilizando los datos del satélite WMAP, empezaron en 2003, permitieron dar el valor de 71 ± 4(km/s)/Mpc para esta constante.
En 2006 los nuevos datos aportados por este satélite dieron el valor de 70 (km/s)/Mpc, +2.4/-3.2. De acuerdo con estos valores, el Universo tiene una edad próxima a los 14.000 millones de años. En agosto de 2006, una medida menos precisa se obtuvo independientemente utilizando datos del Observatorio de rayos X Chandra orbital de la NASA: 77 ± 15%(km/s)/Mpc
El Big Bang dejó detrás un flujo de fondo de fotones y neutrinos. La temperatura de la radiación de fondo ha decrecido sin cesar con la expansión del Universo y ahora fundamentalmente consiste en la energía de microondas equivalente a una temperatura de 2.725 K. La densidad del fondo de neutrinos actual es sobre 150 por centímetro cúbico.
Enlaces
editarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Universo
http://es.wikipedia.org/wiki/Big_Bang
http://es.wikipedia.org/wiki/Edad_del_universo
Proceso de formación de estrellas
editarEl proceso de formación de estrellas
editarLa formación estelar es el proceso por el cual grandes masas de gas que se encuentran en galaxias formando extensas nubes moleculares se transforman en estrellas. Estas nubes moleculares pueden ir desde 100.000 masas solares a tan solo unas pocas.
Los modelos de formación establecen un límite inferior bien conocido de 0,08 MSol para poder encender el hidrógeno. Por el contrario, el límite superior es mucho más difuso y viene determinado por un conjunto de factores que frenan el proceso, la fuerza centrífuga creciente al irse comprimiendo la nube, los campos magnéticos crecientes al aumentar las velocidades de las partículas cargadas y los vientos solares intensos que surgen cuando se empieza a estabilizar el embrión estelar. Con todo ello, se calcula que la masa máxima para una estrella estaría en torno a 60 o 100 MSol.
El proceso de formación estelar se divide en dos fases uno como nube molecular y otro como protoestrella.
En un primer momento, la nube colapsa y la radiación escapa libre.
En la segunda etapa se forma un núcleo más denso y opaco a la radiación lo cual hace que se caliente. Finalmente, la caída de material sobre ese núcleo calienta su superficie por lo que la protoestrella empieza a emitir radiación.
Nube molecular
editarLa teoría actual sobre la formación estelar, sostiene que la formación estelar se da en las nubes moleculares gigantes. Estas nubes contienen, básicamente, hidrógeno molecular H2 (90%) y helio (9%), mientras que la abundancia de otros elementos depende fundamentalmente di la historia de nube, como por ejemplo la explosion de alguna supernova en las cercanias de la nube.
Son regiones frías (10-30 K) y densas (103-104 cm-3) con dimensiones que varian entre 10 y 100 parsecs.
Las nubes moleculares no son estructuras uniformes y el gas y el polvo dentro de ellas se distribuye a lo largo de estructuras filamentosas muy complejas con zonas de alta densidad que se corresponden con regiones de formacion estelar.
a mayor fuente de información acerca de las nubes moleculares proviene del analisis de líneas de emision de moleculas como el CO, CS o NH3, a pesar de que el mayor constituyente de las nubes sea el H2. Esto se debe a las altas temperaturas necesarias para excitar esta molecular (~ 510K), mientras que las nubes son muy frias.
Cuanto mas grande es la nube molecular mas corta es su vida. Esto se debe a que en el interior de las nubes moleculares mas grandes se forma estrellas de tipo O y B que emiten fotones de alta energia que destruyen las moleculas.
Se puede describir aproximadamente la compleja estructura de las nubes moleculares en terminos de nubes, clumps y nucleos (cores) protoestelares.
Los clumps representan las estructuras dentro de las cuales se forman los cumulos estelares, mientras que los cores protoestelares representan las estructuras mas pequeñas dentro de las cuales se forman estrellas individuales o grupos de estrellas. Estas ultimas estructuras se forman por la fragmentacion de los clumps. Aun hoy en dia no se entiende completamente como se forman las estrellas debido al colapso de densos nucleos de gas. Debido a alguna clase de desencadenante, estos nucleos se vuelven inestables gravitacionalmente, fragmentándose y colapsando. Los fragmentos pueden ir desde decenas hasta centenares de masas solares.
La causa de la inestabilidad suele ser el frente de choque de alguna explosión de supernova o el paso de la nube por una región densa, como los brazos espirales. También puede ocurrir que una nube suficientemente masiva y fría colapse por sí misma. Sea como sea, el resultado siempre es una región colapsante en caída libre. Dicha región es inicialmente transparente a la radiación por lo que su compresión será prácticamente isoterma. Toda la energía gravitatoria se emitirá en forma de radiación infrarroja. Por otra parte, el centro de la región se contraerá más deprisa que el gas circundante por tener el primero mayor densidad. Así, se diferenciará un núcleo más denso llamado protoestrella.
Inestabilidad de Jeans
editarLa teoría de la fragmentación y colapso gravitatorio de nubes moleculares por su propia gravedad fue desarrollada por James Jeans alrededor del año 1902 y aunque en la actualidad los procesos de formación estelar se conocen con mucha mayor precisión la teoría de Jeans constituye una buena primera aproximación.
Jeans calculó que bajo determinadas condiciones una nube molecular podía contraerse por atracción gravitatoria. Solo hacía falta que fuera lo suficientemente masiva y fría.
Una nube estable, si se comprime, aumenta su presión más rápidamente que su gravedad y retorna espontáneamente a su estado original.
Pero si la nube supera cierta masa crítica entonces se inestabilizará toda y colapsará en todo su volumen.
Éste es el motivo por el cual las inestabilidades suelen producirse en las nubes más grandes dando lugar a brotes intensos de formación estelar. En este escenario clasico, entonces, una nube comienza a colapsar cuando la energia gravitacional de la nube es mas grande que su energia termica:
| Eg | > Eth
Para el caso de una nube homogenea y esferica con masa M, temperatura T y radio R, esta condicion se puede expresar como:
\frac{3}{5}\frac{G M}{R}>\frac{3}{2}\frac{M}{\mu m_H} kT
Donde, G es la constante de gravitacion universal, k es la constante de Boltzmann, μ es el peso molecular medio y mH es el peso del atomo de hidrogeno. Esta inegualdad se expresa normalmente en función de la llamada masa de Jeans, segun la cual el colapso gravitacional comienza cuando:
M_j = \left(\frac{3}{4\pi \rho}\right)^{1/2} \left(\frac{5kT}{2G\mu m_H}\right)^{3/2} \backsimeq 6 M_\odot \left(\frac{T^3}{n}\right)^{1/2}
Donde ρ es la densidad del gas y n=ρ / μmH es la densidad numerica. En ausencia de un soporte por presion, el colapso por gravedad se da en un tiempo de caida-libre:
t_{ff}=\left(\frac{3 \pi}{32 G \rho}\right)^{1/2} \backsimeq 1.4 \times 10^6 \left(\frac{n}{10^3[cm^{-3}]}\right)[yr]
Para los valores tipicos encontrados en las nubes moleculares (T=10 K, n=50 cm − 3), se encuentran valores tipicos para la masa de Jeans de M_J \backsimeq 100 M_\odot y del tiempo de caida libre de t_{ff}\backsimeq 10^5 yr.
Estos valores son mucho mas pequeños de los valores observados de masa (10^4-10^6 M_\odot) y tiempo de vida ( > 107 yr) de las grandes nubes moleculares.
Por lo tanto, segun la teoria clasica, las nubes moleculares deberian tener tiempos de vida mas cortos con una tasa de formacion estelar entorno a 250-300 masas solares por año, mientras que las observaciones indican valores entorno a las 3 masas solares por año. Por lo tanto otros mecanismos capaces de frenar el colapso de la nube son necesarios. Entre ellos, podriamos citar el campo magnetico, la rotacion del nucleo central y la turbulencia del gas.
Protoestrella
editarLa masa, inicialmente homogénea, acaba por formar una esfera de gas en el centro. Dicha esfera se contrae más deprisa diferenciándose del resto de la nube. Esta estructura es el embrión estelar denominado protoestrella. A pesar de la compresión del gas su densidad es, aún, demasiado baja y la radiación sigue escapando libremente. Por ello, la esfera apenas aumenta su temperatura hasta al cabo de unos cientos de miles de años.
El cuerpo entonces se torna opaco a la radiación y empieza a calentarse mientras se contrae. De hecho, la mitad de la energía gravitatoria perdida en el colapso sigue radiándose pero la otra mitad ya se invierte en calentar la protoestrella.
La temperatura aumenta hasta que la presión de la esfera compensa la atracción gravitatoria de ésta. Se estabiliza, así, un núcleo convectivo del tamaño de Júpiter, aproximadamente, al cual se le va agregando más y más materia procedente de la nube circundante que cae más lentamente. Al añadirse más masa el núcleo lo compensa compactándose aún más. En él el transporte térmico por radiación aun no es eficiente ya que el cuerpo está formado por material escasamente ionizado que detiene a los fotones.
El proceso prosigue hasta llegar a unos 2.000 grados momento en el cual las moléculas de hidrógeno se disocian en el núcleo. Ahora la creciente energía gravitatoria se invierte en transformar el gas molecular en un gas formado por átomos libres.
El núcleo se compacta cada vez más y su radiación cada vez más intensa excita el denso gas de la envoltura que cae sobre él. Ahora el medio ya no es transparente a la radiación y solo se aprecia el gas que rodea a la protoestrella. Este gas ha ido conformando, paulatinamente, un disco de acrecimiento debido a la rotación inicial de la nube originaria (ver formación de discos de acrecimiento).
La acreción de materia prosigue, por medio de un disco circumestelar. En dicho disco pueden originarse planetas y asteroides si la metalicidad es lo suficientemente alta. La materia añadida a la protoestrella aumenta la masa y, por lo tanto, su gravedad, por lo que ésta reacciona comprimiéndose más, aumentando así su temperatura. Cuando ha caído gran parte del gas el medio se vuelve transparente a la luz de la protoestrella que empieza, entonces, a ser visible.
El núcleo de la protoestrella no solo acaba por ionizar sus elementos si no que cuando las temperaturas son lo suficientemente altas, comienza la fusión del deuterio. La presión de radiación resultante hace más lento el colapso del material restante pero no lo detiene. Su núcleo sigue comprimiéndose más y la protoestrella sigue acretando masa. En esta etapa se producen flujos bipolares, un efecto que se debe. probablemente, al momento angular del material que cae.
El proceso sigue así hasta que se inicia, finalmente, la ignición del hidrógeno en torno a los 10 millones de grados. Entonces la presión aumenta drásticamente generando fuertes vientos estelares en forma de flujos bipolares (chorros protoestelares, jets protoestelares) que barren y expulsan el resto del material envolvente. La nueva estrella se estabiliza en equilibrio hidrostático y entra en la secuencia principal en la que transcurrirá la mayor parte de su vida.
Pero si el cuerpo está por debajo de las 0,08 masas solares el proceso se abortará antes de tiempo frenado por la presión de los electrones degenerados sin haber llegado aún a encender el hidrógeno. El objeto detendrá su contracción y se enfriará en un tiempo de Kelvin, unos pocos millones de años para convertirse, finalmente, en una enana marrón.
Disco de acreción
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Un disco de acrecimiento es una estructura en forma de disco alrededor de un objeto central masivo. El disco alimenta el cuerpo central siendo atraido por éste y contribuyendo a su aumento de masa.
La dinámica de estos objetos astrofísicos está gobernada principalmente por la ley de conservación del momento angular. El disco puede ser extenso verticalmente dando lugar a una estructura de tipo toroidal.
Los discos de acrecimiento pueden encontrarse alrededor de agujeros negros, núcleos de galaxias activos o AGN (Active Galactic Nuclei) o alrededor de estrellas muy jóvenes en proceso de formación. En este último caso se denominan también discos circumestelares. Los sistemas planetarios se originan a partir de discos de este tipo mediante fenómenos de acrecimiento (o agregación) de las partículas originarias, hasta formar los planetas, satélites y los cuerpos menores del sistema.
Cuando se deja caer miel lentamente, desde un envase, se crea una especie de disco de acrecimiento entre la tierra y la miel del envase, debido a la gravedad. Esto es, básicamente, un disco de acrecimiento, ya que se forma con principios similares, en cuestiones gravitatorias. Podría decirse que, en la tierra, la consistencia de la miel (y líquidos similares) poseen un comportamiento similar al de la masa estelar que compone un disco de acrecimiento, el cual está hecho del plasma que compone las estrellas.
Una estrella u otro astro situado en un sistema binario puede también formar un disco de acrecimiento robando materia de las capas exteriores de su compañera. Esta materia forma un anillo en torno a la estrella captora, pudiendo llegar a caer sobre la superficie de la misma tras describir una trayectoria en espiral. Debido a las enormes velocidades que alcanza la materia en dicha caída se observa una fuerte emisión de rayos X, que ha servido para detectar objetos que no emiten radiación por sí solos, como es el caso de las estrellas de neutrones o los agujeros negros. Estos sistemas binarios se conocen como binarias de rayos X.
El disco es una estructura común en el universo. Tanto galaxias como estrellas se han formado a la vez en discos de acrecimiento de muy diferentes dimensiones. El motivo que origina tan comunes estructuras a partir de informes nubes de gas es sencillo. Casi toda masa de gas posee un cierto momento angular, una mínima cantidad de rotación. Es decir, las inmensas nubes que se colapsan formando estas estructuras giran inicialmente, aunque sea muy lentamente. El sistema de gas en rotación se mantiene en un delicado equilibrio que se puede romper debido, p.ej., a la onda de presión de una supernova o a que alcanza una cantidad de masa crítica. Cuando sobreviene la inestabilidad y la nube se comprime por el efecto creciente de la gravedad ésta empieza a experimentar ciertos cambios que la conducirán a formar un disco.
Al comprimirse la nube gira más deprisa por conservación del momento angular. Pero este giro solo ocurre a lo largo de su plano de giro. En las zonas de mayor rotación la fuerza centrífuga adquiere cada vez mayor intensidad. Esta asimetría cada vez más acusada es la que, poco a poco, acaba por dar forma al disco. Las regiones suprayacentes y subyacentes al plano de giro, es decir los polos, caen libres a gran velocidad mientras que el gas que gira a lo largo de dicho plano se ve muy frenado por la creciente fuerza centrífuga. Así pues, la acción combinada de rotación y gravedad es la que, al final, dará la característica forma de disco.
Los discos de acrecimiento más activos presentan fuertes chorros de emisión de material a lo largo del eje de rotación. Este fenómeno se denomina comúnmente difusión ambipolar. La estructura y naturaleza de los mecanismos de emisión en chorro no se conocen con precisión aunque se cree que tienen que ver con la presencia de un fuerte campo magnético. El material central fuertemente ionizado escupe una parte de sí a través de las líneas de campo que actúan a modo de guías.
Discos de acrecimiento alrededor de estrellas jóvenes
editarLa formación de una estrella a partir de una nube de gas molecular es un proceso que transcurre en escalas de tiempo de 105-106 años. Como el momento angular ha de ser conservado, la mayor parte del material cae inicialmente sobre un disco de acrecimiento que lentamente va acumulándose sobre la estrella central. El momento angular es redistribuido hacia las regiones exteriores del disco, es decir, la mayor parte de la masa acreta sobre la estrella central mientras que una pequeña parte del material exterior se extiende alejándose y llevándose el momento angular necesario para producir el acrecimiento interior. Estos discos tienen periodos de vida de 1-10 Myr. Las estrellas jóvenes muestran señales de acrecimiento por medio de excesos de emisión infrarroja (presencia de disco) y ultravioleta (acreción de material). El disco, iluminado y calentado por la estrella central, puede percibirse en algunas imágenes astronómicas en el infrarrojo y en rangos de onda del milimétrico. Los discos que no pueden resolverse ópticamente (extensión espacial inferior a la resolución del instrumento) pueden detectarse por medio de la distribución espectral de energía (SED Spectral Energy Distribution) que presenta un exceso de emisión en el infrarrojo.
En caso de ser sistemas múltiples, se ha comprobado que se pueden dar dos configuraciones distintas de discos de acrecimiento: o bien se forma un disco alrededor de cada uno de los componentes del sistema y un disco en común alrededor de todos ellos, o directamente se forma un disco en común alrededor de los componentes del sistema, sin discos "individuales".
En estrellas jóvenes pero dentro ya de la secuencia principal y con edades en torno a 100 millones de años se pueden observar discos secundarios de polvo sin restos importantes de gas orbitando la estrella central. Estos discos de segunda generación se formarían a partir de los impactos destructivos entre planetesimales remanentes de la formación planetaria capaces de producir una gran cantidad de polvo.
Formación de estrellas supermasivas
editarLas etapas del proceso están bien definidas para estrellas cuya masa es aproximadamente igual o menor que la masa del Sol. Para masas mayores, la duración del proceso de formación estelar es comparable a las otras escalas de tiempo de su evolución, mucho más cortas, y el proceso no está tan bien definido.
De algún modo se cree que la ignición del hidrógeno empezaría bastante antes de que la estrella llegara a agregar su masa total. Otra gran parte de la masa más exterior sería no solo barrida e impulsada hacia el espacio interestelar sino también fotoionizada por su intensa radiación dando lugar a las regiones HII.
Sea como sea la vida de estas estrellas es tan corta, del orden de cientos o incluso decenas de millones de años, que en tiempos cosmológicos ni siquiera existen. Su formación, vida y destrucción son procesos muy dramáticos en los que apenas si hay descanso.
Se sabe que la opacidad aumenta con la metalicidad ya que los elementos cuanto más pesados más absorben los fotones. Esto se traduce en un mayor empuje por parte de los vientos estelares de las estrellas supermasivas que, con las metalicidades actuales de la galaxia, no logran concentrar más de 120-200 MSol.
Este empuje impide, a partir de cierto punto, que la estrella sigua acretando masa, por eso, las estrellas más pobres en metales pueden llegar a masas mayores. Se cree que las primeras estrellas del universo, muy pobres en metales, se podrían haber formado con masas de varios cientos de masas solares de hidrógeno y helio.
Enlaces
editarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Formaci%C3%B3n_estelar
http://es.wikipedia.org/wiki/Evoluci%C3%B3n_estelar
http://es.wikipedia.org/wiki/Disco_de_acrecimiento http://es.wikipedia.org/wiki/Disco_de_acrecimiento
La Secuencia Principal: Diagrama de Hertzsprung-Russell
editarEl diagrama de Hertzsprung-Russell (comúnmente abreviado como diagrama H-R) muestra el resultado de numerosas observaciones sobre la relación existente entre la magnitud absoluta de una estrella y su temperatura superficial.
Fue realizado en 1911 por el astrónomo Ejnar Hertzsprung y, de manera independiente, en 1913 por Henry Norris Russell.
El diagrama de Hertzsprung mostraba la luminosidad de las estrellas en función de su color, mientras que el diagrama inicial de Russell mostraba la luminosidad en función del tipo espectral. Ambos diagramas son equivalentes.
Usos del diagrama
editarEl diagrama H-R se utiliza para diferenciar tipos de estrellas y para estudiar la evolución estelar. Un examen del diagrama muestra que las estrellas tienden a encontrarse agrupadas en regiones específicas del mismo.
La predominante es la diagonal que va de la región superior izquierda (caliente y brillante) a la región inferior derecha (fría y menos brillante) y se denomina secuencia principal. En este grupo se encuentran las estrellas que extraen su energía de las reacciones termonucleares de fusión del hidrógeno en helio.
En la esquina inferior izquierda se encuentran las enanas blancas, y por encima de la secuencia principal se encuentran las gigantes rojas y las supergigantes.
Diagramas H-R de cúmulos
editarUna de las complicaciones de realizar un diagrama H-R es que la cantidad del eje vertical, la magnitud absoluta, no es observable directamente.
La cantidad observada es la magnitud aparente en alguna banda, y para obtener una magnitud absoluta se necesita una distancia. Las distancias en astronomía son notablemente difíciles de obtener.
En el caso de estrellas individuales relativamente cercanas el único método disponible es la paralaje. Pero en el caso de estrellas que se encuentren a aproximadamente la misma distancia, como cúmulos globulares o cúmulos abiertos, al poner en el eje vertical la magnitud aparente, se encuentra un diagrama reconocible.
De la comparación de ese diagrama con un diagrama teórico, se puede deducir la distancia de un cúmulo y su edad.
Diagrama teórico versus diagrama experimental
editarEl diagrama original tiene en sus ejes cantidades observables: Magnitud y color o tipo espectral.
Sin embargo, las simulaciones de evolución de interiores estelares producen dos cantidades diferentes: luminosidad y temperatura.
Un diagrama HR que tiene esas dos cantidades en sus ejes es a veces llamado diagrama H-R teórico.
En apariencia es bastante similar al observacional, pero la relación exacta entre ellos depende de los detalles del modelo de atmósfera estelar usado, y no es trivial.
Procesos astrofísicos que tienen lugar en el seno de una estrella
editarEnlaces
editarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_Hertzsprung-Russell
El colapso estelar
editarEl colapso estelar
editarEs el proceso que comienza luego de que las estrellas agotan su combustible.
Cuando se agota el hidrógeno del núcleo de la estrella, su evolución dependerá de la masa (detalles en evolución estelar) y puede convertirse en una enana blanca o explotar como supernova, dejando también un remanente estelar que puede ser una estrella de neutrones o un agujero negro. La materia expulsada durante los colapsos estelares incluyen elementos pesados producidos en la estrella que más tarde formarán nuevas estrellas y planetas, aumentando así la metalicidad del Universo.
Durante el colapso de las estrellas la gravedad y las interacciones de fusión en las capas más externas del objeto, producen una constante variación del diámetro, en las que acaban venciendo las fuerzas gravitatorias en un momento en el que las capas más externas no tienen ya elementos que fusionar.
Se puede decir que dicho proceso de colapso finaliza en el momento en que la estrella no produce fusiones de material, y dependiendo de la masa total de la estrella, la fusión de material entrará en su proceso degenerativo al colapsar por vencer a las fuerzas descritas en el Principio de exclusión de Pauli, produciéndose una supernova.
Supernovas: Descripción y tipos
editarUna supernova (del latín: nova, 'nueva' ) es una explosión estelar que produce objetos muy brillantes en la esfera celeste, de ahí que se les llamase inicialmente Estrella nova o simplemente Nova, ya que muchas veces aparecían donde antes no se observaba nada.
Posteriormente se les agregó el prefijo "super-" para distinguirlas de otro fenómeno de características similares pero menos luminoso, las novas.
Las supernovas dan lugar a destellos de luz intensísimos que pueden durar desde varias semanas a varios meses. Se caracterizan por un rápido aumento de intensidad hasta alcanzar un pico, para luego decrecer en brillo de forma más o menos suave hasta desaparecer completamente.
Fundamentalmente se originan a partir de estrellas masivas que ya no pueden fusionar más su agotado núcleo, incapaz de sostenerse tampoco por la presión de degeneración de los electrones, lo que las lleva a contraerse repentinamente y generar, en el proceso, una fuerte emisión de energía. También existe otro proceso más violento aún, capaz de generar destellos incluso mucho más intensos. Suceden cuando una enana blanca compañera de otra estrella, aún activa, agrega suficiente masa de ésta como para superar el límite de Chandrasekhar y proceder a la fusión instantánea de todo su núcleo, lo cual genera una explosión termonuclear que expulsa casi todo, si no todo, el material que la formaba.
Las supernovas provocan la expulsión de las capas superficiales de la estrella en forma de enormes ondas de choque, llenando el espacio que la rodea con elementos pesados. Los restos eventualmente componen nubes de polvo y gas. Cuando el frente de onda de la explosión alcanza otras nubes de gas y polvo cercanas, las comprime y puede desencadenar la formación de nuevas nebulosas solares que originen, en cierto tiempo, nuevos sistemas estelares (quizá con planetas, al estar éstas enriquecidas con los elementos procedentes de la explosión).
Las supernovas pueden liberar varias veces 1044 Julios de energía. Esto ha resultado en la adopción del foe (1044 Julios) como unidad estándar de energía para el estudio de supernovas.
Tipo I
editarSin líneas de Balmer del hidrógeno
Tipo Ia Línea Si II a 615.0 nm
Las supernovas de tipo Ia carecen de helio y presentan, en cambio, una línea de silicio en el espectro de emisión.
Tipo Ib Línea He I a 587.6 nm
Los tipos Ib y Ic no poseen la línea del silicio presente en el tipo Ia y se cree que corresponden a estrellas al borde de su extinción (como las tipo II), pero que perdieron su hidrógeno anteriormente, por lo que las líneas de hidrógeno no aparecen tampoco en sus espectros. Las supernovas de tipo Ib son teóricamente el resultado del colapso de una estrella de Wolf-Rayet con cuyos intensos vientos logran desprenderse del hidrógeno de las capas externas. Se conocen también varias de estas supernovas en sistemas binarios y esto es porque la estrella compañera puede ayudar a desligar gravitatoriamente al gas de las capas más externas de la otra estrella la cual pierde su cubierta sin necesidad de ser tan masiva. En casos extremos no solo escapa el hidrógeno sino también el helio dejando al desnudo el núcleo de carbono, éste es el caso de las supernovas Ic. Estas supernovas tiene un mecanismo de explosión esencialmente idéntico al de las supernovas de colapso gravitatorio típicas, las tipo II.
Tipo Ic Sin líneas del helio
Tipo II
editarLas supernovas de tipo II son el resultado de la imposibilidad de producir energía una vez la estrella alcanza el equilibrio estadístico nuclear con un núcleo denso de hierro y níquel. Estos elementos ya no pueden fusionarse para dar más energía. La barrera de potencial de sus núcleos es demasiado fuerte para que la fusión sea rentable por lo que ese núcleo estelar inerte deja de sostenerse a sí mismo y a las capas que están por encima de él.
La desestabilización definitiva de la estrella ocurre cuando la masa del núcleo de hierro alcanza el límite de Chandrasekhar, normalmente toma apenas unos días. Es en ese momento cuando vence a la presión que aportan los electrones degenerados del núcleo y este sucumbe.
Con el colapso del núcleo éste llega a calentarse en torno a los 3.000 millones de grados momento en el que la estrella emite fotones de tan alta energía que hasta son capaces de partir los átomos de hierro en partículas alfa y neutrones en un proceso llamado fotodesintegración, estas partículas son a su vez destruidas por otros fotones generándose así una avalancha de neutrones en el centro de la estrella.
{}^{56}Fe+\gamma \rightarrow 13{}^4He+4n {}^{4}He+ \gamma \rightarrow 2p +2n
Estas reacciones son endotérmicas por lo que no ayudan a sostener el núcleo compacto y éste sigue colapsando, emitiendo más y más neutrones cada vez. De hecho provocan un enfriamiento del mismo, lo que se traduce en una menor presión y, por tanto, en una aceleración del proceso. Los propios átomos de hierro captan parte del inmenso flujo de neutrones, transformándose en elementos más pesados en un proceso llamado captura de neutrones, en concreto el proceso-R.
El núcleo cae tan deprisa que deja un espacio de baja densidad casi vacío entre él y el resto de material estelar. El manto, por su parte, empieza a caer sobre el núcleo frenándose por el aluvión de fotones de frecuencia extrema que mantiene a raya esa caída fotodesintegrando las capas más interiores de la cubierta estelar. Esta destrucción de núcleos no sólo transmite momento sino que también produce un flujo de neutrones y protones que serán capturados por las capas siguientes para formar elementos más pesados.
Con líneas de Balmer del hidrógeno
Tipo II-P Meseta
Tipo II-L Decrecimiento lineal
Enanas blancas
editarUna enana blanca es un remanente estelar que se genera cuando una estrella de masa menor a 9-10 masas solares ha agotado su combustible nuclear. De hecho, se trata de una etapa de la evolución estelar que atravesará el 97% de las estrellas que conocemos, incluido el Sol. Las enanas blancas son, junto a las enanas rojas, las estrellas más abundantes en el universo.
El físico Stephen Hawking, en el glosario de su conocida obra Historia del tiempo, define a la enana blanca de la siguiente manera:
El físico Stephen Hawking, en el glosario de su conocida obra Historia del tiempo, define a la enana blanca de la siguiente manera: {{cita|Estrella fría estable, mantenida por la repulsión debida al principio de exclusión entre electrones.
Las enanas blancas están compuestas por átomos en estado de plasma, pero como en su núcleo no se produce fusión nuclear, la estrella no posee ninguna fuente de energía que frene el colapso gravitatorio, por lo que la enana blanca se va comprimiendo sobre sí misma. A medida que la gravedad va comprimiendo la enana blanca, la distancia entre los átomos en el seno de la misma disminuye radicalmente, por lo que los electrones tienen menos espacio para moverse, y se presionan unos a otros a grandes velocidades, y se dice entonces que los electrones se encuentran degenerados. Así pues, la única fuerza que frena el colapso gravitatorio es la presión de degeneración de los electrones. Esto permite que las enanas blancas puedan alcanzar densidades tan enormes que una masa similar a la del Sol cabría en un volumen parecido al terrestre. Es decir, varias toneladas por cm³: dichas densidades son sólo superadas por las que presentan las estrellas de neutrones y los agujeros negros. Este tipo de estrella emite solamente energía térmica almacenada, y por ello tiene una luminosidad muy débil.[3]
Las estrellas que finalizan sus días como enanas blancas, al acabar la fusión del hidrógeno, se expanden como una gigante roja para fusionar en su núcleo el helio en carbono y oxígeno. Si la gigante roja no posee suficiente temperatura como para fusionar el carbono y el oxígeno, se comprime debido a la fuerza gravitatoria, produciendo así una nebulosa planetaria y formando un remanente estelar: la enana blanca.[4]
El 99% de las enanas blancas está constituido básicamente por carbono y oxígeno, que son los residuos de la fase de fusión del helio. Sin embargo, sobre la superficie se halla una capa de hidrógeno y helio prensados y poco degenerados, que forman la atmósfera de la enana blanca. Sólo unas pocas estarán formadas íntegramente por helio[5] [6] al no haber llegado a quemarlo, o por oxígeno, neón y magnesio,[7] productos de la combustión del carbono.
Recién formadas, las enanas blancas poseen temperaturas muy altas, pero al no producir energía, se van enfriando gradualmente. Teóricamente, las enanas blancas se enfriarían con el tiempo hasta tal punto que su brillo no sea visible, para entonces convertirse en una enana negra.[4] Sin embargo, el proceso de enfriamiento es tan lento, que la edad del universo desde el Big Bang es demasiado corta para albergar a una de estas enanas negras. De hecho, las enanas blancas más frías que se conocen poseen temperaturas de varios miles de kelvin.[8] [3] El término enana blanca fue acuñado por Willem Luyten en 1922.[9
Estrellas de neutrones
editarUna estrella de neutrones es un remanente estelar dejado por una estrella supergigante después de agotar el combustible nuclear en su núcleo y explosionar como una supernova tipo II, Tipo IB o Tipo IC. Como su nombre indica, este tipo de estrellas está compuesto principalmente de neutrones, con otro tipo de materiales tanto en su corteza sólida hecha de hierro, como en su interior, que puede contener tanto protones y electrones, como piones y kaones. La masa original de la supernova debe ser mayor que 9-10 masas solares y menor que un cierto valor que depende de la metalicidad. Para masas menores que 9-10 masas solares, la estrella degenera en una enana blanca, formando a su alrededor una nebulosa planetaria, mientras que para masas mayores al límite superior, la estrella degenera en un agujero negro.
La típica estrella de neutrones tiene una masa entre 1,35 y 2,1 masas solares, con un radio correspondiente de 20 y 10 km.
Enlaces
editarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Estrella
http://es.wikipedia.org/wiki/Supernova
http://www.austrinus.com/index.php?option=com_content&view=article&id=157&Itemid=112
http://es.wikipedia.org/wiki/Hipernova
http://es.wikipedia.org/wiki/Lista_de_restos_de_supernova
http://es.wikipedia.org/wiki/Estrella_de_neutrones
http://es.wikipedia.org/wiki/P%C3%BAlsar
Física de los agujeros negros
editarLa física de los agujeros negros
Un agujero negro u hoyo negro es una región del espacio-tiempo provocada por una gran concentración de masa en su interior, con enorme aumento de la densidad, lo que provoca un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera los fotones de luz, puede escapar de dicha región, fueron descritos en el año 1783 por John Michell.
La curvatura del espacio-tiempo o «gravedad de un agujero negro» provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es debido a la gran cantidad de energía del objeto celeste.
El horizonte de sucesos separa la región de agujero negro del resto del Universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo la luz. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio.
En 1963, Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometría cuasi-esférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y su momento angular L.
En los años 70, Hawking y Ellis demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros.
Se cree que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos. La existencia de agujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en especial a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas.
Proceso de formación
editarEl origen de los agujeros negros es planteado por el astrofísico Stephen Hawking en su libro titulado Agujeros negros y la historia del tiempo. Allí él mismo comenta acerca del proceso que da origen a la formación de los agujeros negros.
Dicho proceso comienza posteriormente a la muerte de una gigante roja (estrella de gran masa), llámese muerte a la extinción total de su energía. Posteriormente al pasar varios miles de millones de años la fuerza gravitatoria de dicha estrella comienza a ejercer fuerza sobre si mismo originando una masa concentrada en un pequeño volumen, convirtiéndose de ese modo en una enana blanca. En este punto dicho proceso puede proseguir hasta el colapso de dicho astro por la auto atracción gravitatoria que termina por convertir a esta enana blanca en un agujero negro.
Este proceso acaba por reunir una fuerza de atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz en éste.
Historia del agujero negro
editarEl concepto de un cuerpo tan denso que ni la luz pudiese escapar de él, fue descrito en un artículo enviado en 1783 a la Royal Society por un geólogo inglés llamado John Michell.
Por aquel entonces la teoría de Newton de gravitación y el concepto de velocidad de escape eran muy conocidas. Michell calculó que un cuerpo con un radio 500 veces el del Sol y la misma densidad tendría, en su superficie, una velocidad de escape igual a la de la luz y sería invisible.
Pierre-Simon Laplace
editarEn 1796, el matemático francés Pierre-Simon Laplace explicó en las dos primeras ediciones de su libro Exposition du Systeme du Monde la misma idea aunque, al ganar terreno la idea de que la luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores.
Albert Einstein
editarEn 1915, Einstein desarrolló la relatividad general y demostró que la luz era influenciada por la interacción gravitatoria.
Agujeros negros de Kerr y de Schwarzschild
editarUnos meses después, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel entonces. El propio Schwarzschild pensó que no era más que una solución matemática, no física.
Subrahmanyan Chandrasekhar
editarEn 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró que un cuerpo con una masa crítica, (ahora conocida como límite de Chandrasekhar) y que no emitiese radiación, colapsaría por su propia gravedad porque no había nada que se conociera que pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de atracción gravitatoria sería mayor que la proporcionada por el principio de exclusión de Pauli). Sin embargo, Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzaría un tamaño nulo, lo que implicaría una singularidad desnuda de materia, y que debería haber algo que inevitablemente pusiera freno al colapso, línea adoptada por la mayoría de los científicos. Posteriormente se ha probado que el límite de Chandrasekhar es correcto, y Subrahmanyan Chandrasekhar recibió el Premio Nobel de Física en 1983.
Robert Oppenheimer
editarEn 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podría sufrir un colapso gravitatorio y, por tanto, los agujeros negros podrían ser formados en la naturaleza. Esta teoría no fue objeto de mucha atención hasta los años 60 porque, después de la Segunda Guerra Mundial, se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica.
Estudios de Hawking, Penrose y Bekenstein
editarEn 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en determinados casos no se podía impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso. La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsares. Poco después, el término "agujero negro" fue acuñado por John Wheeler.
Jacob David Bekenstein es un físico teórico que investiga la relación entre los agujeros negros, su entropía y su relación con la teoría de la información, también estudia la teoría gravitacional, la magnetohidrodinámica relativista y la dinámica galáctica.
Teorías de Smolin y Jayant Narlikar
editarLa teoría de los universos fecundos o de selección natural cosmológica es una teoría del físico Lee Smolin, que aplica criterios semejantes a los de la selección natural darwiniana a la cosmología, de suerte que el universo conocido podría ser el resultado de una evolución y una mutación de universos anteriores.
Smolin considera teóricamente que el colapso de un agujero negro provoca la aparición de un nuevo universo del "otro lado" de la singularidad, tal universo podría tener leyes, constantes y parámetros propios, algo diferentes del universo conocido (por ejemplo otra velocidad de propagación máxima, diferente de c, otras constantes cosmológicas etc.). Así, esta noción biologicista del universo supone posibles "reproducciones" y "mutaciones" de universos, lo que conlleva implícita la noción de un multiverso. Cabe considerar que tal biologicismo no es exactamente análogo al de los procesos biológicos reducidos de la Tierra.
La idea de una evolución y una mutación de universos supone también la existencia de universos "más primitivos" (acaso más simples). Según expresa Smolin en The Life of the Cosmos (La vida del cosmos), los universos dominantes podrían ser aquellos que poseyeran más agujeros negros.
Jayant Vishnu Narlikar es un astrofísico indio, se le considera uno de los principales expertos y defensores de la Teoría del Estado Estacionario en cosmología, algunos de sus libros son "de nubes blancas a agujeros negros", "La estructura del universo" y "Fenómenos violentos en el universo".
Clasificación teórica
editarSegún su origen: Teóricamente pueden existir al menos tres clases de agujeros negros:
Agujeros negros primordiales: Aquellos que fueron creados temprano en la historia del Universo. Sus masas pueden ser variadas y ninguno ha sido observado.
Según la masa:
- Microagujeros Negros:
Un microagujero negro, también llamado agujero negro de mecánica cuántica e inevitablemente miniagujero negro, es un simple agujero negro pequeño, en el que los efectos de la mecánica cuántica juegan un importante rol.
- Agujeros negros de masa estelar:
Se forman cuando una estrella de masa 2,5 mayor que la masa del Sol se convierte en supernova e implosiona. Su núcleo se concentra en un volumen muy pequeño que cada vez se va reduciendo más.
- Agujeros negros supermasivos:
con masas de varios millones de masas solares. Son el corazón de muchas galaxias. Se forman en el mismo proceso que da origen a las componentes esféricas de las galaxias.
Según el momento angular
Un agujero negro sin carga y sin momento angular es un agujero negro de Schwarzschild, mientras que un agujero negro rotatorio (con momento angular mayor que 0), se denomina agujero negro de Kerr.
Zonas observables
editarEn las cercanías de un agujero negro se suele formar un disco de acrecimiento. Lo compone la materia con momento angular, carga eléctrica y masa, la que es afectada por la enorme atracción gravitatoria del mismo, ocasionando que inexorablemente atraviese el horizonte de sucesos y, por lo tanto, lo incremente.
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En cuanto a la luz que atraviesa la zona del disco, también es afectada, tal como está previsto por la Teoría de la Relatividad. El efecto es visible desde la Tierra por la desviación momentánea que produce en posiciones estelares conocidas, cuando los haces de luz procedentes de las mismas transitan dicha zona.
Hasta hoy es imposible describir lo que sucede en el interior de un agujero negro; sólo se puede imaginar, suponer y observar sus efectos sobre la materia y la energía en las zonas externas y cercanas al horizonte de sucesos y la ergosfera.
Uno de los efectos más controvertidos que implica la existencia de un agujero negro es su aparente capacidad para disminuir la entropía del Universo, lo que violaría los fundamentos de la termodinámica, ya que toda materia y energía electromagnética que atraviese dicho horizonte de sucesos, tienen asociados un nivel de entropía. Stephen Hawking propone en su último libro que la única forma que no aumente la entropía sería que la información de todo lo que atraviese el horizonte de sucesos siga existiendo de alguna forma.
Otra de las implicaciones de un agujero negro supermasivo sería la probabilidad que fuese capaz de generar su colapso completo, convirtiéndose en una singularidad desnuda de materia.
La entropía en los agujeros negros
editarSegún Stephen Hawking, en los agujeros negros se viola el segundo principio de la termodinámica, lo que dio pie a especulaciones sobre viajes en el espacio-tiempo y agujeros de gusano. El tema está siendo motivo de revisión; actualmente Hawking se ha retractado de su teoría inicial y ha admitido que la entropía de la materia se conserva en el interior de un agujero negro (véase enlace externo). Según Hawking, a pesar de la imposibilidad física de escape de un agujero negro, estos pueden terminar evaporándose por la llamada radiación de Hawking, una fuente de rayos X que escapa del horizonte de sucesos.
El legado que entrega Hawking en esta materia es de aquellos que, con poca frecuencia en física, son calificados de bellos. Entrega los elementos matemáticos para comprender que los agujeros negros tienen una entropía gravitacional intrínseca. Ello implica que la gravedad introduce un nivel adicional de impredictibilidad por sobre la incertidumbre cuántica. Parece, en función de la actual capacidad teórica, de observación y experimental, como si la naturaleza asumiera decisiones al azar o, en su efecto, alejadas de leyes precisas más generales.
La hipótesis de que los agujeros negros contienen una entropía y que, además, ésta es finita, requiere para ser consecuente que tales agujeros emitan radiaciones térmicas, lo que al principio parece increíble. La explicación es que la radiación emitida escapa del agujero negro, de una región de la que el observador exterior no conoce más que su masa, su momento angular y su carga eléctrica. Eso significa que son igualmente probables todas las combinaciones o configuraciones de radiaciones de partículas que tengan energía, momento angular y carga eléctrica iguales. Son muchas las posibilidades de entes, si se quiere hasta de los más exóticos, que pueden ser emitidos por un agujero negro, pero ello corresponde a un número reducido de configuraciones. El número mayor de configuraciones corresponde con mucho a una emisión con un espectro que es casi térmico.
Físicos como Jacob D. Bekenstein han relacionado a los agujeros negros y su entropía con la teoría de la información.
Los agujeros negros en la física actual
editarSe explican los fenómenos físicos mediante dos teorías que se contradicen entre ellas; la mecánica cuántica, que explica la naturaleza de «lo muy pequeño», donde predomina el caos y la estadística, y la relatividad general, que explica la naturaleza de «lo muy pesado» y que afirma que en todo momento se puede saber con exactitud dónde está un cuerpo. Cualquiera de estas teorías están experimentalmente confirmadas pero, al intentar explicar la naturaleza de un agujero negro, es necesario discernir si se aplica la cuántica por ser algo muy pequeño o la relatividad por ser algo tan pesado. Está claro que hasta que no se disponga de una física más avanzada no se conseguirá explicar realmente la naturaleza de este fenómeno.
Descubrimientos recientes
editarEn 1995 un equipo de investigadores de la UCLA dirigido por Andrea Ghez demostró mediante simulación por ordenadores la posibilidad de la existencia de agujeros negros supermasivos en el núcleo de las galaxias. Tras estos cálculos mediante el sistema de óptica adaptable se verificó que algo deformaba los rayos de luz emitidos desde el centro de nuestra galaxia (la Vía Láctea). Tal deformación se debe a un invisible agujero negro supermasivo que ha sido denominado Sgr.A (o Sagittarius A), al mismo se le supone una masa 4,5 millones de veces mayor que la del Sol. El agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia actualmente sería poco activo ya que ha consumido gran parte de la materia bariónica, que se encuentra en la zona de su inmediato campo gravitatorio y emite grandes cantidades de radiación. En diciembre de 2008 un equipo del Instituto Max Planck dirigido por Reinhard Genzel confirma la existencia de tal agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea calculándosele una masa de 4 millones de soles y considerándole a una distancia de 27.000 años luz (unos 254.000 millones de km respecto de la Tierra).
Por su parte la astrofísica Feryal Özel ha explicado algunas características probables en torno a un agujero negro: cualquier cosa, incluido el espacio, que entre en la fuerza de marea provocada por un agujero negro se aceleraría a extremada velocidad como en un vórtice y todo el tiempo dentro del área de atracción de un agujero negro se dirigiría hacia el mismo agujero negro.
En el presente se considera que, pese a la perspectiva destructiva que se tiene de los agujeros negros, éstos al condensar en torno a sí materia sirven en parte a la constitución de las galaxias y a la formación de nuevas estrellas.
En junio de 2004 astrónomos descubrieron un agujero negro súper masivo, el Q0906+6930, en el centro de una galaxia distante a unos 12.700 millones de años luz. Esta observación indicó una rápida creación de agujeros negros súper masivos en el Universo joven.
La formación de micro agujeros negros en los aceleradores de partículas ha sido informada,[2] pero no confirmada. Por ahora, no hay candidatos observados para ser agujeros negros primordiales.
El mayor agujero negro
En el año 2007 se descubrió el agujero negro denominado IC 10 X-1. Está en la constelación de Casiopea cerca de la galaxia IC 10, a una distancia de 1,8 millones de años luz de la Tierra, con una masa de entre 24 y 33 veces la de nuestro Sol, y se considera el mayor agujero negro que orbita alrededor de una estrella, o agujero negro "de masa estelar", hasta la fecha.[3] Posteriormente, en abril de 2008, la revista Nature publicó un estudio realizado en la Universidad de Turku (Finlandia). Según dicho estudio, un equipo de científicos dirigido por Mauri Valtonen descubrió un sistema binario, un blazar, llamado OJ287. Tal sistema estaría constituido por un agujero negro menor que orbita en torno a otro mayor, siendo la masa del mayor de 18.000 millones de veces la de nuestro Sol. Se supone que en cada intervalo de rotación el agujero negro menor golpea la ergosfera del mayor dos veces, generándose un quásar.
El menor agujero negro
Sin contar los posibles microagujeros negros que casi siempre son efímeros al producirse a escalas subatómicas; macroscópicamente en abril de 2008 el equipo coordinado por Nikolai Saposhnikov y Lev Titarchuk ha identificado el más pequeño de los agujeros negros conocidos hasta la fecha; ha sido denominado J 1650, se ubica en la constelación Ara (o Altar) de la Vía Láctea (la misma galaxia de la cual forma parte la Tierra). J 1650 tiene una masa equivalente a 3,8 soles y tan solo 24 km de diámetro se habría formado por el colapso de una estrella; tales dimensiones estaban previstas por las ecuaciones de Einstein. Se considera que son prácticamente las dimensiones mínimas que puede tener un agujero negro ya que una estrella que colapsara y produjera un fenómeno de menor masa se transformaría en una estrella de neutrones. Se considera que pueden existir muchos más agujeros negros de dimensiones semejantes.
Chorros de plasma
En abril de 2008 la revista Nature publicó un estudio realizado en la Universidad de Boston dirigido por Alan Marscher explica que chorros de plasma colimados parten de campos magnéticos ubicados cerca del borde de los agujeros negros. En zonas puntuales de tales campos magnéticos los chorros de plasma son orientados y acelerados a velocidades cercanas a C (velocidad de la luz), tal proceso es comparable a la aceleración de partículas para crear una corriente de chorro (jet) en un reactor. Cuando los chorros de plasma que son originados por un agujero negro son observables desde la Tierra tal tipo de agujero negro entra en la categoría de blazar.
Que un agujero negro "emita" radiaciones parece una contradicción, sin embargo esto se explica: todo objeto (supóngase una estrella) que es atrapado por la gravitación de un agujero negro, antes de ser completamente "engullido", antes de pasar tras el horizonte de sucesos, se encuentra tan fuertemente presionado por las fuerzas de marea del agujero negro en la zona de la ergosfera que una pequeña parte de su materia sale disparada a velocidades próximas a la de la luz (como cuando se aprieta fuertemente una naranja: parte del material de la naranja sale eyectado en forma de chorros de jugo, en el caso de los objetos atrapados por un agujero negro, parte de su masa sale disparada centrífugamente en forma de radiación fuera del campo gravitatorio de la singularidad).
Agujero negro: ¿Un universo en formación?
editarNuevas estrellas podrían formarse a partir de los discos elípticos en torno a agujeros negros; tales discos elípticos se producen por antiguas nubes de gas desintegradas previamente por los mismos agujeros negros; las estrellas producidas por condensación o acreción de tales discos elípticos al parecer tienen órbitas muy elípticas en torno a los agujeros negros supermasivos.
Enlaces
editarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Agujero_negro
http://es.wikipedia.org/wiki/Jet_(astronom%C3%ADa)
http://es.wikipedia.org/wiki/Blazar
http://es.wikipedia.org/wiki/Cu%C3%A1sar
http://es.wikipedia.org/wiki/Agujero_negro_de_mec%C3%A1nica_cu%C3%A1ntica
http://es.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A1mica
http://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADa_(termodin%C3%A1mica)
http://es.wikipedia.org/wiki/Lee_Smolin
http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_los_universos_fecundos