Desde este programa de EUREKA damos entrada a la asociación astronómica de la Universidad de Salamanca SUPERNOVA en un espacio que han llamado: RADIOACIÓN CÓSMICA.
Este primer programa, que puedes escuchar de AQUI , está dedicado a Stephen (pronunciado Stiven) Hawking. Las grandes aportaciones científicas de Hawking están relacionadas con los agujeros negros (AN). Estos extraños objetos quizás parezcan para la mayoría una curiosidad, sin embargo, si queremos profundizar en las leyes que gobiernan nuestro universo su estudio es fundamental pues en los ANs es donde las dos grandes teorías de la física tienen que tenerse en cuenta: La teórica general de la relatividad y la teoría cuántica de campos (o en un sentido mas amplio Teoría del modelo estándar). Los resultados de estos estudios, como puedes leer en un artículo anterior (leer), tienen profundas implicaciones.
La segunda parte del programa es una entrevista al profesor Miguel Angel Vázquez-Mozo, físico teórico profundo conocedor de la física de los agujeros negros. Para quienes estén interesados en profundizar en el conocimiento de los agujeros negros le hemos planteado a Miguel Angel Vázquez-Mozo unas preguntas adicionales sobre agujeros negros que podéis leer a continuación.
Un agujero negro en principio podría rotar a cualquier velocidad. ¿Llegaría un momento en el que podría empezar a perder masa? (quizás como radiación Berstein-Hawking).
En realidad cuando hablamos de agujeros negros en rotación no se puede hablar de velocidad angular ya que esta no está definida (el agujero negro no es un sólido). La rotación del agujero negro se mide a través de su momento angular. La solución de las ecuaciones de Einstein que lo describe es la llamada métrica de Kerr (La geometría de Kerr es una de las más interesantes que se conocen en relatividad general). Esta métrica presenta un horizonte cuando el momento angular es menor o igual que cierto valor crítico que depende de la masa. Por encima de este valor lo que ocurre es que aparece una singularidad desnuda, es decir no recubierta por un horizonte. En este caso también hay observadores que podrían “viajar en el tiempo” (técnicamente, existen geodésicas cerradas temporales). Si uno acepta los principios de censura cósmica y/o protección cronológica, el caso en el que el momento angular es mayor que el valor crítico debería ser físicamente irrealizable, es decir no se podría obtener a partir de condiciones iniciales genéricas.
A nivel puramente clásico no hay radiación de Hawking y el agujero negro es estable, independientemente de su momento angular. Cuando incluyes los efectos semiclásicos de los campos cuánticos aparece el fenómeno de evaporación. La temperatura de Hawking en este caso depende del momento angular del agujero negro. Todo esto, por supuesto, en el caso subextremal, cuando el momento angular es menor que el valor crítico y por lo tanto hay un horizonte. En el caso extremal (momento angular igual al valor crítico) hay horizonte pero la temperatura de Hawking es igual a cero y el agujero no radia.
Durante el proceso de evaporación el agujero va disminuyendo su masa hasta que se convierte en extremal y deja de radiar. Esto es muy importante, porque quiere decir que un agujero negro subextremal no puede general una singularidad desnuda por radiación de Hawking.
b) ¿En un AN en rotación el horizonte de sucesos es una esfera o se achata?
El área del horizonte efectivamente depende del momento angular, igual que su posición. Por lo que se refiere a la “forma”, si trabajas en las llamadas coordenadas de Boyer-Lindquist el horizonte corresponde a una superficie con un valor constante de la coordenada “radial”. Lo que pasa es que esta coordenada radial no es “física”, en el sentido de que no mide una distancia. De hecho, si uno se fija en la forma “física” del horizonte esta es elipsoidal. Hay que tener en cuenta que en el agujero de Kerr no hay simetría esférica, tan solo cilíndrica. La singularidad que está dentro del horizonte no es un punto, como en el caso de Schwarzschild, sino un anillo.
De hecho, en el agujero de Kerr hay dos superficies relevantes. Una es el horizonte que limita la región de la que nada puede escapar. La otra es la llamada “ergoesfera”, que está fuera del horizonte (lo toca solamente en los polos). En la región entre la ergoesfera y el horizonte se produce un fenómeno curioso llamado “arrastre de los sistemas de referencia”. Lo que ocurre es que un observador en esta región no puede evitar “rotar” con el agujero negro. Es decir, por muy potente que sea su cohete, se verá arrastrado siempre por la rotación y no podrá permaneces estático (fuera de la ergoesfera siempre es posible encontrar observadores estáticos).
La presencia de la ergoesfera da lugar al llamado “proceso de Penrose”, que es una forma de extraer energía del agujero negro de forma puramente clásica. Consiste en hacer que un objeto entre en ergosfera sin atravesar el horizonte (si lo hiciera no habría vuelta atrás). Si este objeto se fragmenta en dos trozos de forma que uno caiga al agujero negro, bajo ciertas condiciones es posible que el otro fragmento emerja de la ergoesfera con más energía que tenía el objeto que entró.
c) ¿Experimentalmente se podría determinar la velocidad angular de rotación de un agujero negro? ( Me refiero a un experimento mental, pues me imagino que cualquier realización practica está fuera de la tecnología actual, al menos por ahora)
El momento angular del agujero negro se refleja en la geometría alrededor del mismo, y por lo tanto sería posible detectarlo. Una manera es mirando la “sombra” que proyecta el agujero negro, ya que su forma dependerá del momento angular y por lo tanto proporciona una forma de “medirlo”. Además de esto, el propio fenómeno del arrastre de sistemas de referencia sería una forma de “detectar” el momento angular del agujero negro.
d) La formula de Hawking donde S proporcianal al A ¿Tambien vale para un AN en rotación? (es decir: ¿si dos agujeros negros tienen la misma área implica que tienen la misma entropía?)
Efectivamente. La entropía de Bekenstein-Hawking siempre es igual a un cuarto del área del horizonte (en unidades naturales \hbar=c=G=1). Este área depende de la masa y del momento angular y por lo tanto también lo hará la entropía. Lo mismo ocurre en agujeros con carga eléctrica (Reissner-Nordstrøm) o carga eléctrica y momento angular (Kerr-Newman). En estos casos el área depende también de la carga del agujero negro.
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