Cuestión de horizontes


Dada la controversia que ha levantado la noticia sobre la posible inexistencia de los agujeros negros, asignada a Hawking, quiero puntualizar un punto de lo que realmente ha dicho el bueno de Stephen.

No ha dicho que los agujeros negros no existan. Lo que ha dicho es que no podemos trabajar con los horizontes de sucesos, que hay que utilizar otro tipo de horizontes denominados horizontes aparentes.  Esto lo hemos comentado en la anterior entrada: Hawking y el agujero negro. La extraña pareja.

En esta entrada veremos que este punto no es nuevo. De hecho ha sido trabajado desde hace ya varias décadas.  Intentaré aclarar de qué va todo esto sin entrar en las definiciones matemáticas que identifican todos estos conceptos.

El horizonte de sucesos

Un agujero negro se puede definir como (aquí nos restringimos al caso de un agujero negro sin carga y sin rotación):

  1. Es una gran cantidad de materia/energía contenida en un tamaño por debajo de un cierto radio.
  2. Este radio define la región a partir de la cual no se puede escapar del agujero negro. Ni tan siquiera la luz.  Esto define el horizonte de sucesos.

Una característica esencial, al menos eso parece a primera vista, para identificar un agujero negro es la presencia de un horizonte de sucesos (Event horizon, en inglés).

La representación más simple de un agujero negro sería:

Pero los físicos acostumbran a usar unos diagramas más molones para estudiar estas cosas, los conocidos como diagramas de Penrose. En estos diagramas podemos representar todo el espaciotiempo de forma finita. Es decir, estos diagramas incluyen toda la historia de un espaciotiempo, todos los puntos espaciales y todos los temporales. Si usamos es tos diagramas el horizonte de sucesos se identifica de la siguiente forma:

Añadido

Para saber de qué van los diagramas que vamos a usar a continuación:

Diagramas de Penrose 1

Diagramas de Penrose 2

penrose-diagramEn esta imagen está todo claro, se forma el agujero y está limitado por un horizonte de sucesos.  Teniendo en cuenta que los rayos de luz en este diagrama se dibujan formando líneas de 45º respecto al eje OY y el horizonte está también a 45º respecto al eje OY, es evidente que si emitimos un rayo de luz en el horizonte este no podrá escapar y si lo emitimos desde dentro tampoco.  Como nada se puede mover a mayor velocidad que la velocidad de la luz, en el diagrama ninguna partícula puede tener una velocidad con un ángulo mayor de 45º respecto al eje OY.  Así que nada puede escapar del horizonte una vez dentro o sobre él.

Pero los agujeros negros no están ahí desde siempre y permanecerán para siempre que es lo que implica este diagrama. En el universo los agujeros se crean usualmente del colapso de una estrella. Cuando las reacciones nucleares de las estrellas cesan su actividad la gravedad se hace tan intensa, si la estrella supera cierta masa inicial, que colapsa todo el material hacia su centro.  Esto hace que se forme el agujero negro. Pero pasa algo raro con el horizonte de sucesos como se ve en la siguiente imagen:

colapso1

El material de la estrella comienza a colapsar, sin embargo, como se observa en el diagrama, el horizonte de sucesos se comienza a formar mucho antes de que el material de la estrella haya colapsado por completo.

Se dice que el horizonte de sucesos es un objeto teleológico. Para identificarlo se ha de conocer toda la historia pasada y futura del universo en el que está el agujero negro.  Si vemos un diagrama de Penrose de este proceso de colapso se ve claramente lo que decimos:

horizonte1

La línea azul representa la superficie de la estrella. Se ve claramente que el horizonte se crea mucho antes de que el material de la estrella esté todo contenido en este horizonte.  Así pues, el horizonte de sucesos sabe que en un futuro habrá un agujero negro en esa región.

El concepto es muy interesante y muy útil desde el punto de vista matemático, sin embargo, físicamente es preferible tener un horizonte que no dependa de toda la historia del espaciotiempo que contiene al agujero.  Por este motivo se han definido muchos otros horizontes con propiedades más locales y menos teleológicas.

Horizontes de sucesos y radiación Hawking

Como sabemos, Hawking en 1975 predijo que los agujeros negro se evaporan emitiendo radiación al incorporar los efectos cuánticos al estudio del agujero. Pero esto plantea un problema con el horizonte de sucesos.

Si un horizonte de sucesos depende de la historia completa del espaciotiempo que contiene a un agujero negro, si dicho agujero se evapora ¡EL HORIZONTE NO SE FORMARÁ NUNCA!

Se hacen ciertos “apaños” para seguir usando estos horizontes.  Algo así:

El agujero se forma por colapso de una estrella. Se indica donde estaría el horizonte de sucesos si la radiación no existiera. Luego se indica que el agujero desaparece por su evaporación completa.

El agujero se forma por colapso de una estrella. Se indica donde estaría el horizonte de sucesos si la radiación no existiera. Luego se indica que el agujero desaparece por su evaporación completa.

En esta imagen se pinta el horizonte en el lugar donde estaría el horizonte de sucesos. Pero en esta situación dicho horizonte no se formaría jamás ya que desde un principio sabría que el agujero se formaría y se evaporaría por completo después.

Horizonte aparente

Por estos motivos, y muchos otros, el horizonte de sucesos no se puede aplicar a agujeros negros astrofísicos, es decir, los de verdad. Así que los físicos se han afanado en definir otro tipo de horizontes. Veamos uno de ellos, los horizontes aparentes.

El horizonte aparente es un concepto más local, no necesitamos conocer la historia completa del espaciotiempo que contiene al agujero.  Su formación comienza con el colapso, no antes, y coincide con el horizonte de sucesos cuando el agujero está formado:

aparente1En este ejemplo tampoco se introduce la radiación de Hawking, es un ejemplo puramente clásico.

¿Qué pasa si introducimos la radiación de Hawking y el agujero se evapora? Pues la respuesta no es única. Veamos algunos ejemplos:

Propuesta de Ashtekar-Bojowald

ashtekarbojowald Aquí vemos como el agujero se forma y tenemos un horizonte aparente.  El proceso de evaporación se produce y al final el universo vuelve a un espaciotiempo sin agujero, que ni lo recuerda, más allá de tener su radiación.  En realidad, este tipo de horizontes que son capaces de evolucionar se denominan horizontes dinámicos. Se definen por propiedades locales de los sistemas y pueden aparecer y desaparecer de forma natural.

Situación de Hayward

Otra forma de modelizar la evaporación de un agujero negro:

hayward2

Describamos la situación:

1.-  Aquí tenemos un espaciotiempo plano.

2.-  De repente entra un gran flujo de energía en una región pequeña. Esto forma un agujero negro.

3.-  A partir de este punto comienza a producirse la radiación Hawking hasta que el agujero desaparece.

4.-  Tras la evaporación volvemos a un espaciotiempo plano.

Aquí no hay horizonte de sucesos, solo hay una situación transitoria en la que se forma una superficie atrapada, escondida detrás de un horizonte aparente.

Para acabar

Hawking lo que ha dicho es una perogrullada.

Hay que cambiar el horizonte de sucesos por un horizonte aparente.

Esto es conocido desde hace ya varias décadas y hay mucho trabajo hecho al respecto.  Nadie se ha hecho eco nunca de tales trabajos técnicos, pero hoy lo ha dicho Hawking y eso vende.

En fin, no nos dejemos deslumbrar por los focos, porque detrás siempre hay gente mirándonos.

Nos seguimos leyendo…

Referencias

Se me olvidó poner las referencias.

Black hole boundaries

Un fenomenal resumen de todos los tipos de horizontes que se definen en agujeros negros.

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16 Respuestas a “Cuestión de horizontes

  1. Pingback: Agujeros Negros: GUÍA PRÁCTICA PARA COMPRENDERLOS. Capítulo 3 – Mas allá del horizonte de sucesos

  2. Pingback: Agujeros Negros: GUÍA PRÁCTICA PARA COMPRENDERLOS. Capítulo 2 – Mas allá del horizonte de sucesos

  3. Pingback: Agujeros Negros: GUÍA PRÁCTICA PARA COMPRENDERLOS. Capítulo 1. – Mas allá del horizonte de sucesos

  4. .TODO AGUJERO ES NEGRO. SIN DISTINCIÓN DE RAZAS. SI TOMAMOS QUE UN AGUJERO ES UN HUECO PARA DENTRO… HUECO LLEVA A HOQUEDAD. .O SEA OSCURIDAD, SOMBRA, NEGRITUD… MÁS CLARO… PARA MÁS CLARO, SALIR DEL AGUJERO

  5. Este tío no se entera de nada, …también decía que el boson de Higgs no existia…

  6. Pingback: Y si hubiera una estrella de Planck dentro de cada agujero negro | La Ciencia de la Mula Francis

  7. Pingback: Agujeros negros: ¿Qué ha dicho Stephen Hawking exactamente?

  8. Pingback: Bye, bye, agujeros negros | Misiongeek

  9. Pingback: Agujeros negros | Annotary

  10. Pingback: Bitacoras.com

  11. Hola:

    ¿Podrías explicar un poco cómo se interpreta un diagrama de Penrose? Por el texto no está nada claro. ¿La horizontal es el espacio y la vertical es el tiempo? ¿O no es nada de eso?

  12. Pingback: Cuestión de horizontes

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