Blog de Enunlugardelcosmos

Blog dedicado a la cosmología

En este blog encontrarás artículos y noticias relacionadas con el cosmos y con la ciencia.

Agujeros negros y su misterioso mecanismo

Escrito por Enunlugarenelcosmos 14-11-2017 en ciencia. Comentarios (0)

Se conoce que los agujeros negros tragan materia indefinidamente, pero también se conoce que expulsa partículas cuánticas.

Roger Penrose, descubrió como un agujero negro podía perder energía. Dicho descubrimiento recibe el nombre de “Mecanismo de Penrose”. 
Imaginemos un tren que está saliendo de una estación y queremos aún subirnos en él, pues aun lleva una velocidad suficientemente lenta. Podemos intentar subirnos de dos formas: corriendo a favor de la dirección del tren, o en contra corriente. Es clara cuál es la solución que optaríamos para subir al tren, correríamos en la misma dirección del tren. ¿Y por qué no en dirección opuesta? Si vamos en dirección opuesta tenemos muchas posibilidades de que choquemos contra el tren y salgamos despedidos.
Es obvio que correr en la misma dirección del tren contrarresta la velocidad del choque que tendremos con él, mientras que si vamos a contra corriente se producirá una suma de velocidades.
Podemos pensar que, si chocamos contra el tren, al ir a contra corriente, y llevar una energía negativa a la energía que lleva el tren, se producirá un ligero frenado del este debido a nuestro choque. Pero el tren no pierde energía, simplemente le transmitimos una energía negativa.

Los agujeros negros del tipo Kerr tiene una característica principal: la ergosfera.
Los agujeros negros del tipo Kerr son agujeros negros básicos (tipo Schwarzschild) a los que se le asocia un momento angular, es decir, una rotación. Debido a su masa, los agujeros negros tienden a coger velocidades angulares extremas, y si traducimos dicha velocidad angular a la lineal sobre un punto sobre su superficie, obtenemos valores próximos a la velocidad de la luz. Estas velocidades producen un efecto sobre el espacio tiempo que rodea al agujero negro. El espacio tiempo cercano al horizonte de sucesos queda anclado al agujero negro, y este gira junto con él. Este espacio tiempo se denomina ergosfera. Es inevitable que cualquier cosa u objeto que entre en dicha región sufra un arrastre y le haga girar en la misma dirección que el agujero negro.

El Mecanismo de Penrose establece, al igual que con el ejemplo del tren, si entras en la región de la ergosfera en la dirección opuesta a la de rotación, transmitirás al agujero negro una energía negativa a la que lleva. Si este proceso se repite indefiniblemente acabaríamos frenando al agujero negro, convirtiéndolo en estático.

Podemos clasificar la energía de un agujero negro del tipo Kerr en dos partes: energía rotacional, que pude ser extraída mediante el Mecanismo de Penrose, y la energía irreductible, que sería la energía que contendría un agujero sin rotación.

La energía irreductible, no es como su nombre bien indica. Los agujeros negros estáticos pueden perder hasta un total del 25% de su energía inicial, de forma radiada, pero ¿cómo?
En 1972, Jakob Bekenstein propuso un argumento de carácter cuántico para asociar una entropía a un agujero negro, es decir, que emiten calor, en otras palabras, el horizonte de sucesos está caliente.
Stephen Hawking intentó demostrar que Bekenstein estaba equivocado, pero el resultado fue asombroso para sí mismo. No solo dio la razón a Bekentein, si no que calculó la entropía y halló una forma de calcular la temperatura.

Ya vimos anteriormente (post: “¿Cuan pequeños pueden ser los agujeros negros?”) que son las fluctuaciones cuánticas, pero resumiendo, una fluctuación es, por decirlo de algún modo, la aleatoriedad de las partículas cuánticas, cuyas fluctuaciones ocurren en un espacio que denominamos espacio cuántico. Las fluctuaciones son realmente importantes para explicar el mundo. Debido a las fluctuaciones cuánticas, una molécula de agua sobre una persona puede evaporarse, pero también, debido a las fluctuaciones cuánticas, esa persona podría partirse en dos de repente, aunque esto conlleva una probabilidad infinitesimal, pero, podría ocurrir.
Podemos aplicar los mismos ejemplos a un agujero negro, debido a las fluctuaciones cuánticas, un agujero podría evaporar de su horizonte de sucesos pequeños agujeros negros (del orden de la masa de Planck o inferior), o podría romperse en dos. Obviamente es infinitamente más probable que el horizonte de sucesos evapore pequeños agujeros negros a que se parta en dos, pues para que esto ocurra, el total de los átomos del agujero negro se tiene que coordinar para romper espontáneamente el enlace químico que les une. Además, este proceso está prohibido por las leyes de la relatividad.
De nuevo, como vimos anteriormente (post: “¿Cuan pequeños pueden ser los agujeros negros?”), si los agujeros negros pequeños evaporados, son menos pesados que la masa de Planck, los consideraremos como partículas elementales.

Fue en 1975 cuando Hawking consiguió establecer un cálculo de la probabilidad de las fluctuaciones cuánticas. Sabiendo que la energía de una partícula que carece de masa es del orden de:

E≈ħc/S

(donde S es el espacio cuántico), y conociendo el radio de Schwarzschild:

R=2GM/c^2

podemos deducir la energía típica de las partículas emitidas del agujero negro, siempre que hagamos la aproximación

R≈S

Esta energía es emitida con un espectro térmico, por lo tanto, en realidad estamos hablando de temperatura de la radiación emitida. Conocemos a esta temperatura como “Temperatura de Hawking”:

T_H=(ħc^3)/8πGM

Estas energías o, mejor dicho, temperaturas son inversamente proporcionales a la masa, es decir, cuando más grande es la masa, menos energía en forma de calor pierde el agujero negro, y viceversa. Este proceso de pérdida de calor se conoce como “evaporación de agujeros negros”.
Las temperaturas radiadas en forma de energía de los agujeros negros son muy bajas, cercanas al cero absoluto. Además, el ritmo de emisión de partículas con energías correspondiente a TH es del orden de:

R/c

(radio de Schwarzschild/velocidad de la luz). 
Podréis preguntaros: ¿puede un agujero negro desintegrase debido a su evaporación? Sí, pero la radiación es tan baja que tardarían vidas enteras, y no me refiero a vidas humanas, sino ¡a vidas del universo! El universo tiene una edad del orden de 10^10 años, agujeros negros del tamaño de un protón que se hubiesen generado en el Big Bang estarían desintegrándose ahora mismo, pero agujeros negros súper masivos tendrían una vida entorno a los 10^100 años.
Hawking dedujo que un agujero negro de masa M emite unas:

(Mc^2)/T_H partículas

De esta forma, Hawking acabó dando la razón a Bekenstein y acabó desarrollando una fórmula, demostrando que los horizontes estaban calientes y les asignó una medida de información oculta, en otras palabras, una entropía:

S_BH=(c^3 A)/4Għ

Donde A es el área del horizonte.

Este descubrimiento conlleva a otra gran paradoja de la física. Tras la paradoja de Schrödinger, Hawking presentó una paradoja sobre los efectos que conlleva atravesar el horizonte de sucesos, visto desde dos situaciones, un observador A que se deja caer a través del horizonte, y un observador B que observa a A desde la lejanía del horizonte. Esta paradoja se presenta como un conflicto entre dos leyes básicas de la física.

Punto de vista de A: debido al principio de equivalencia (principio básico de la estructura del espacio-tiempo), su historia acaba al llegar a la singularidad (de una forma u otra, desconocida, no sabemos si su final será trágico o no, pero se suele creer que sí), pero previo a su llegada, A observa a B incluso después de atravesar el horizonte.

Punto de vista B: debido al descubrimiento de Hawking sobre la entropía, B observa como A acaba formando parte de la “cabellera oculta” del horizonte del agujero negro (información sobre el horizonte de sucesos), es decir, A acaba formando parte del horizonte. La evaporación del agujero negro incluye la desintegración en partículas de A, por lo tanto, tarde o temprano, A es devuelto al espacio exterior fuera del agujero negro, en forma de partículas, que al fin y al cabo es información.

¿Cuál de los dos puntos de vista es el correcto?
El debate ha llevado a grandes físicos a enfrentarse entre una teoría y otra. Pero hubo dos físicos, ‘t Hooft y Susskind que impusieron una idea delicada y bastante exitosa entre los físicos teóricos: la dualidad de ambas teorías. Y es que al igual que se acabó aceptando la dualidad onda-partícula de la luz y las partículas en general, pensaron que podrían ocurrir las dos situaciones a la vez: A fluye hasta la singularidad atravesando el horizonte de sucesos y también es apilada sobre el horizonte hasta evaporarse en forma de partículas.

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Jorge Barrio Luna.

Las estaciones en Marte.

Escrito por Enunlugarenelcosmos 14-11-2017 en ciencia. Comentarios (0)

Como muchos sabéis, las estaciones se deben a la inclinación del eje de giro del planeta respecto al plano de su órbita respecto al sol, que hace que algunas regiones reciban distinta cantidad de luz solar según la época del año.

Al igual que en la Tierra, el ecuador marciano está inclinado respecto al plano de la órbita en un ángulo de 25°,19 (la Tierra tiene una inclinación de 23º). Las estaciones en Marte no tienen la misma duración que en la Tierra. La diferencia entre sus duraciones es mayor porque la excentricidad de la órbita marciana es mucho mayor que la terrestre. La comparación con las estaciones terrestres muestra que, así como la duración de estas difiere a lo sumo en 4,5 días (excentricidad de menos de un 2 %), en Marte, debido a la gran excentricidad de la órbita, la diferencia llega a ser primeramente de 51 días (excentricidad de casi un 10 %).

Actualmente el hemisferio Norte goza de un clima más benigno que el hemisferio Sur. La razón es evidente: el hemisferio Norte tiene otoños e inviernos cortos y además cuando el Sol está en el perihelio lo cual, dada la excentricidad de la órbita del planeta, hace que sean más benignos. Además la primavera y el verano son largos, pero estando el Sol en el afelio son más fríos que los del hemisferio Sur. Para el hemisferio Sur la situación es la inversa. Hay pues una compensación parcial entre ambos hemisferios debido a que las estaciones de menos duración tienen lugar estando el planeta en el perihelio y recibe más luz y calor del Sol. Debido a la retrogradación del punto Vernal y al avance del perihelio, la situación se va decantando cada vez más.

Imágenes: Comparación de las estaciones de Marte con la Tierra.

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Curiosidades de la Tierra

Escrito por Enunlugarenelcosmos 14-11-2017 en ciencia. Comentarios (0)

La Tierra es el único planeta del sistema solar que tiene de manera permanente los 3 diferentes estados del agua.

Imagen:La canica azul. La tierra vista por el Apollo 17 en 1972

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Retrato Planetario

Escrito por Enunlugarenelcosmos 14-11-2017 en ciencia. Comentarios (0)

El Retrato de Familia o Retrato Planetario es una imagen del Sistema Solar capturada por la sonda espacial Voyager 1 el 14 de febrero de 1990. La imagen es un mosaico compuesto de 60 cuadros individuales, las últimas imágenes capturadas por el programa Voyager.

En el mosaico es posible apreciar siete cuerpos celestes, de derecha a izquierda: Neptuno, Urano, Saturno, Venus, la Tierra y Júpiter. Debido a la distancia y la resolución, no fue posible capturar a Marte y Mercurio. De hecho, nuestro planeta casi queda excluido por un rayo de difracción.

La imagen no aparenta ser natural, debido a que las fotografías fueron tomadas a distintas exposiciones unas de otras y con diferentes filtros a fin de resaltar el máximo de detalles posible. El Sol, por ejemplo, fue capturado con el filtro más oscuro para evitar daños en el equipo.

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El punto azul pálido

Escrito por Enunlugarenelcosmos 14-11-2017 en ciencia. Comentarios (0)

El punto azul pálido es una fotografía de la Tierra tomada por la sonda espacial Voyager 1 desde una distancia de 6000 millones de kilómetros. Carl Sagan tituló una de sus obras Un punto azul pálido inspirándose en esta fotografía, en él relató sus pensamientos en un sentido más profundo de la fotografía:

"Desde este lejano punto de vista, la Tierra puede no parecer muy interesante. Pero para nosotros es diferente. Considera de nuevo ese punto. Eso es aquí. Eso es nuestra casa. Eso somos nosotros. Todas las personas que has amado, conocido, de las que alguna vez oíste hablar, todos los seres humanos que han existido, han vivido en él. La suma de todas nuestras alegrías y sufrimientos, miles de ideologías, doctrinas económicas y religiones seguras de sí mismas, cada cazador y recolector, cada héroe y cobarde, cada creador y destructor de civilizaciones, cada rey y campesino, cada joven pareja enamorada, cada madre y padre, cada niño esperanzado, cada inventor y explorador, cada profesor de moral, cada político corrupto, cada “superestrella”, cada “líder supremo”, cada santo y pecador en la historia de nuestra especie ha vivido ahí ,en una mota de polvo suspendida en un rayo de sol.

La Tierra es un escenario muy pequeño en la vasta arena cósmica. Piensa en los ríos de sangre vertida por todos esos generales y emperadores, para que, en gloria y triunfo, pudieran convertirse en amos momentáneos de una fracción de un punto. Piensa en las interminables crueldades cometidas por los habitantes de una esquina de este píxel sobre los apenas distinguibles habitantes de alguna otra esquina. Cuán frecuentes sus malentendidos, cuán ávidos están de matarse los unos a los otros, cómo de fervientes son sus odios. Nuestras posturas, nuestra importancia imaginaria, la ilusión de que ocupamos una posición privilegiada en el Universo... Todo eso es desafiado por este punto de luz pálida. Nuestro planeta es un solitario grano en la gran y envolvente penumbra cósmica. En nuestra oscuridad ,en toda esta vastedad, no hay ni un indicio de que vaya a llegar ayuda desde algún otro lugar para salvarnos de nosotros mismos.

La Tierra es el único mundo conocido hasta ahora que alberga vida. No hay ningún otro lugar, al menos en el futuro próximo, al cual nuestra especie pudiera migrar. Visitar, sí. Colonizar, aún no. Nos guste o no, por el momento la Tierra es donde tenemos que quedarnos. Se ha dicho que la astronomía es una experiencia de humildad, y formadora del carácter. Tal vez no hay mejor demostración de la locura de la soberbia humana que esta distante imagen de nuestro minúsculo mundo. Para mí, subraya nuestra responsabilidad de tratarnos los unos a los otros más amable y compasivamente, y de preservar y querer ese punto azul pálido, el único hogar que siempre hemos conocido."

Imágenes: 1. Un punto azul pálido (Pale Blue Dot). Puede observarse la Tierra como un punto de luz entre blanco y azulado situado en la franja marrón de más a la derecha de la imagen. 2. En este esquema del sistema solar se puede ver en verde el lugar aproximado desde el cual el Voyager 1, tomó la fotografía. Wikipedia.

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