Ni siquiera la luz

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AGUJEROS
NEGROS
JAVIER DE LUCAS

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Contenidos
• ¿Cuál es la definición de un agujero negro?
• ¿Quién dice que existen los agujeros negros?
• ¿Por qué son negros y por qué son agujeros?
• ¿Cuántos tipos de agujeros negros existen?
• Si son negros ¿Cómo podemos verlos?
• ¿Existe evidencia o es sólo una teoría?

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Filosofía
• Desde épocas remotas el hombre ha intentado
entender el origen y funcionamiento del Universo.
– ¿De dónde viene el Universo?
– ¿Hacia dónde va?
– ¿Por qué estamos aquí?
– ¿Por qué el Universo es como es?
– …??????

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Filosofía
• Hemos llegado a un nivel de conocimiento
muy alto sobre la gravedad, comenzando
con la ley de Gravitación de Newton.

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Ley de gravitación de Newton
• Acción a distancia
1 2
2g
m m
F G
r
=

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• Existe una definición de un agujero negro
desde 1798:

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• “Una estrella luminosa, de densidad igual que la
de la Tierra, con diámetro 250 veces más que el
del Sol, como consecuencia de su fuerza de
atracción, no va a dejar que la luz llegue a
nosotros. ¡Entonces es posible que las masas
luminosas más grandes del Universo no sean
visibles!”
Pierre Laplace, El Sistema del Mundo, Libro 5, Capítulo VI (1798).

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Más reciente…
• Un cuerpo cósmico de intensidad
gravitacional tan alta que ni la luz puede
escapar de él

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Newton: GRAVITACION
UNIVERSAL
– La velocidad de escape de la luz desde una estrella depende
tanto de la masa de la estrella como de su radio.
2 2
2
2
1 1
0 o 0
2 2
1 2
0
2
GMm
mv Fr mv r
r
GM GM
v v
r r
 
− = − = ÷
 
 
− = ⇒ = ÷
 
2
2GM
r
c
=  Radio Schwarzchild

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Einstein: Relatividad
• Líneas rectas en un espacio curvo.
Información
sobre el espacio
Información sobre
distribución de la
masa y energía

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02:43 p.mEspacio-tiempo alrededor del Sol

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Espacio-tiempo alrededor del Sol,
comprimido en un agujero negro

13. 02:43 p.m
02:43 p.mTipos de órbitas
Alrededor del agujero

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UNA DE LAS SOLUCIONES DE LA
TEORIA DE LA RELATIVIDAD
2
2 2
2
2
...
2
Donde 1
Radio Schwarzchild
2
dr
ds Rc dt
R
GM
R
c r
GM
r
c
=− + +
= −
=
En 4 dimensiones

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Agujero
negro
v = c
Esfera
de fotones
Horizonte de eventos
0.9c 1.1c 1.5c 2c
2GM
v
r
=
2
2
s
GM
r
c
=
singularidad

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TIPOS DE AGUJEROS NEGROS
• Existen agujeros negros de tres tamaños:
Masa estelar: más de 20 veces la masa del Sol
Resultado de la explosión de una estrella masiva
Super Masivos (“Galaxias activas”)
• Millones de veces la masa del Sol
• Se encuentran en el centro de las galaxias
Mini agujeros negros (Hawking)

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Actividad
• Vamos a convertir nuestra Tierra en un
agujero negro.

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02:43 p.mHOJA DE CALCULO I

19. 02:43 p.m
02:43 p.mHOJA DE CALCULO II

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Si los agujeros negros son negros,
¿cómo podemos verlos?

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El Espectro Electromagnético abarca
mucho más de lo que podemos ver
Rayos gamma Rayos X Visible Infrarrojo Microondas Radio
Ultravioleta

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Método 1
¿Cómo podemos verlos?

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• Los agujeros negros son a menudo parte de
un sistema de estrellas binarias, en los que
dos estrellas giran una en torno a la otra.
• Lo que vemos desde la Tierra es una estrella
visible que orbita alrededor de lo que parece
ser el vacío.
Sistemas de estrellas binarias

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Sistemas de estrellas binarias
BINARIAS

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• Podemos deducir la masa del agujero negro por la
órbita de la estrella visible que gira en torno a él.
• Cuanto mayor es un agujero negro, mayor es el
empuje gravitacional y mayor el efecto sobre la
estrella visible.
Sistemas de estrellas binarias

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Método 2
¿Cómo podemos verlos?

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Rayos X a partir de agujeros negros
• El Gas que circula hacia la superficie de un
agujero negro cae y produce rayos X.

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F
O
T
O
C
H
A
N
D
R
A
• Cuando hay un agujero negro, el gas pasa el
horizonte de sucesos y desaparece sin dejar
rastro.
• Eso es una señal bien clara de un agujero
negro.
• Observaciones de Chandra  existencia de
horizonte de sucesos.

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02:43 p.mIMAGENES

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Rayos X a partir de agujeros negros
• Los rayos X revelan altas temperaturas y
unos fenómenos altamente energéticos.
• Los datos de los satélites actuales se toman
del observatorio de rayos X Chandra, del
XMM y del Rossi X-ray Timing Explorer

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02:43 p.mRayos X a partir de agujeros negros
• En los sistemas binarios cercanos, la materia
fluye desde una estrella normal hacia un
agujero negro.
• Los rayos X son emitidos desde el disco de
gas caliente que se arremolina alrededor del
agujero negro.

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Imágenes óptica y en rayos X de NGC 253
IMAGENES

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Método 3
¿Cómo podemos verlos?

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02:43 p.mÓptico
• Las imágenes ópticas observan regiones centrales de
otras galaxias.
• Remolinos de materia giran alrededor de un agujero
negro central.
• El gas próximo a un agujero negro hace que se caliente
a temperaturas del ultravioleta y rayos X.
• Esto calienta el gas que lo rodea, por lo que se muestra
rojo en el óptico.
/

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Método 4
¿Cómo podemos verlos?

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Ultravioleta
• El telescopio Hubble ha observado los pulsos
de luz ultravioleta emitidos por la materia cuando
cae en el interior de un agujero negro.
• Estos pulsos surgen a partir de la materia que
orbita alrededor de la fuente de gravedad intensa
de un agujero negro.
Ver la materia que desaparece

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Visible
Ultravioleta

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Método 5
¿Cómo podemos verlos?

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02:43 p.mRayos gamma
• Los rayos gamma se han revelado como los
fenómenos más energéticos del Universo.
• Los chorros en las galaxias activas emiten rayos
gamma y ondas de radio.

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Observatorio de rayos gamma
Compton
Premio Nobel, 1927

43. 02:43 p.m
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V4641 Sagittarius

44. 02:43 p.m
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Imagen Radio

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Método 6
¿Cómo podemos verlos?

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ONDAS

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Observatorio LIGO en Livingston

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Colaboración LIGO
Detección directa
Detectores
en espacio
LISA
Fuentes astrofísicas de
ondas de gravedad
Detectores en la tierra
LIGO, GEO, TAMA, Virgo

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02:43 p.mEL CHANDRA
Subrahmanyan
Chandrasekhar (1910-1995)
Premio Nobel, 1983

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02:43 p.mObservatorio de rayos X Chandra

51. 02:43 p.m
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¿Dónde está Chandra?

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02:43 p.mChandra: detalles de dos agujeros negros
• La siguiente secuencia muestra:
– La mejor imagen de rayos X de Chandra,
– Después, los agujeros negros están marcados.
– Los astrónomos creen que estos agujeros
negros y sus galaxias están en órbita y que se
combinarán eventualmente.

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• best_of_bh_lg.mpg

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NOAO Óptico y Chandra rayos X
secuencia de M74
• En la siguiente secuencia se muestra una imagen
de una galaxia a 32 millones de años luz de la
Tierra.
• La secuencia muestra imágenes ópticas y de rayos
X del mismo agujero negro.

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Stephen Hawking
Un agujero negro tiene:
- Masa
- Carga
- Momento angular...
y ¡Radiación Hawking!

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Concepto de Stringy Fuzzball
(Samir Mathur)
IMAGENES

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Agujero
negro
Horizonte de eventos
c
singularidad

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Basado en este concepto, hay una
nueva teoría de Hawking
publicado en julio de 2005
La información dentro de un agujero
negro no está perdida...
¡Un agujero negro se puede abrir!

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• ¿Preguntas, dudas, comentarios, …?
AGUJEROS NEGROS

63. 02:43 p.m
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FIN
AGUJEROS NEGROS