| Las estrellas no son inmutables, pasan por diferentes etapas dependiendo de su masa. Al final de su vida, cuando toda la masa fusionable se ha consumido, una estrella normal se puede convertir en un objeto cósmico exótico: un agujero negro, una estrella de neutrones, una supernova, una gigante roja, una enana blanca, etc. |
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¿Qué le sucederá al
Sol
cuando se acabe su fuente de energía?
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¿Cuánto tiempo de vida le queda al Sol?
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¿Existe un agujero negro en el centro de
nuestra Galaxia?
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¿Cómo se forma un agujero negro?
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Para entender las respuestas a éstos y muchos otros enigmas sobre la
vida de las estrellas, es importante estudiar los siguientes hechos:
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Una estrella se
forma
cuando la gravedad logra concentrar
en una región suficiente
masa (a la temperatura adecuada) para comenzar la
fusión nuclear. |
Una estrella pasa la mayor parte de la vida consumiendo
hidrógeno para producir helio mediante la fusión nuclear |
Cuando el material fusionable se agota la estrella pierde la presión interna
producida por la fusión nuclear y puede colapsar inmediatamente terminando en
una
enana blanca.
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Estas son las etapas finales a las que puede llegar una estrella al final de su vida, dependiendo de su masa:
El Sol es una estrella con una masa de 2 x 1030 Kilogramos.
Cuando todo el hidrógeno en su núcleo se ha fusionado en
helio el Sol se
convertirá en una estrella gigante roja. Será tan grande
que llegará a incluir las órbitas de Mercurio y Venus.
Esto ocurrirá dentro de 5 mil millones de años y se produce
por el calentamiento de la estrella debido a la fusión de
los elementos más pesados que el helio.
Durante esta etapa, la estrella emite las capas más exteriores de su
atmósfera dando así origen a nubes brillantes de gas y polvo llamadas
nebulosas planetarias.
Cuando todo el combustible nuclear (incluyendo elementos más pesados que el helio)
se ha terminado, la estrella
se enfría y se compacta formando así una
enana blanca.
En estrellas con masa un poco mayor que la del Sol (> 1,4 Msol) la fusión nuclear produce elementos cada vez más pesados. Cuando se forma el hierro, el núcleo de la estrella no puede auto-soportarse y colapsa gravitacionalmente. Las capas exteriores son emitidas como en una super explosión cósmica y el núcleo remanente se compacta formando una estrella de neutrones.
El telescopio Espacial Hubble pudo observar la explosión de
una supernova en 1987 en la galaxia vecina Gran Nube de Magallanes:
Otro mecanismo que da origen a una supernova consiste en lo que ocurre en un sistema binario formado por una estrella normal y una enana blanca. En este sistema las dos estrellas ligadas por la gravedad se mueven en órbita una en torno a la otra. Puesto que la enana blanca es tan densa su gravedad es suficiente para atraer materia de la estrella vecina. Se crea un flujo permanente de gas hacia la enana blanca haciendo que su masa aumente y dispare el proceso de fusión nuclear una vez más. Este evento es explosivo y se observa en el cielo como una estrella que aumenta su brillo rápidamente. A este tipo de estrella se le conoce con el nombre de Supernova Ia y es útil para determinar las distancias astronómicas.
Las estrellas de neutrones se forman como producto de una
supernova.
Durante la explosión de una supernova, la densidad en el
núcleo remanente es tan grande que allí se forma una estrella
de neutrones o un agujero negro.
Púlsares
Así como se conserva la energía, existen otras propiedades
físicas que se conservan. Una de ellas es la cantidad de momento angular,
la cual es una medida de la cantidad de 'impulso' que tiene un objeto en
rotación.
En el
proceso de colapso gravitacional
cuando se forma una
estrella de neutrones
hay una gran cantidad de momento angular
disponible a la estrella de neutrones recien formada.
Como resultado ésta queda girando a
velocidades angulares muy altas.
Se han observado
estrellas de neutrones rotando a una velocidad de más de mil
vueltas por segundo.
Dentro de la estrella de neutrones
se forman campos electricos y magnéticos que emiten
ondas de radio
enfocadas en un haz muy directo que da vueltas.
Cuando un radiotelescopio intercepta el haz de radioondas
se registra una señal que consiste en una secuencia de pulsos.
Justamente fue así como los astrónomos Antony Hewish y Jocelyn Bell
descubrieron los púlsares en 1967.
Si la masa inicial de una estrella es superior a 8 masas
solares, al final de su vida cuando todo el combustible se ha gastado,
la estrella se convierte en un agujero negro.
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¿Qué es un agujero negro?
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¿Qué tan grande es un agujero negro?
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¿Cómo vemos los agujeros negros?
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¿Cómo se puede formar un agujero negro?
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Es una región del espacio con tanta masa concentrada en un punto que ningún objeto, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción gravitacional.
Podemos entender este fenómeno si imaginamos lo que ocurre cuando la densidad de un planeta aumenta de manera colosal.
Si en la Tierra lanzamos un objeto hacia arriba, la gravedad lo jala hacia el centro y éste eventualmente regresa y cae a la superficie. Sin embargo, cada vez que aumentamos la velocidad con la que se lanza el objeto, éste alcanza una altura máxima cada vez mayor. En el caso de la Tierra, si la velocidad con la que se lanza el objeto es igual o mayor a 11,2 kilómetros por segundo, el objeto escapará de la Tierra para siempre. A esta velocidad se le llama la velocidad de escape.
La velocidad de escape de un planeta o estrella depende de su masa. La
luna, por ejemplo, que es más ligera que la Tierra tiene una velocidad
de escape de solo 2,4 kilómetros por segundo.
Podemos imaginar qué pasa si repetimos el experimento en un punto
con tanta masa concentrada en una región tan pequeña,
que la velocidad de escape es mayor que la
velocidad de la luz:
como
nada puede viajar a una velocidad mayor que la velocidad de la luz,
entonces todos los objetos, incluyendo la luz, estarían atrapados
para siempre por la atracción gravitacional de este planeta.
¿Qué tan grande es un agujero negro?
La condición importante para la formación de un agujero negro es que alcance a concentrar una cierta cantidad de masa dentro de un cierto radio. Por ejemplo, si la masa de la Tierra se concentra dentro de una esfera de radio 9 milímetros ésta se convierte en un agujero negro.
El Sol se convertiría en un agujero negro si toda su masa se concentra dentro de una esfera de radio 3 kilómetros. Este radio en general se llama el 'horizonte de eventos' o el 'horizonte causal'. Se llama 'horizonte de eventos' porque cualquier evento que ocurra dentro de esta región nunca podrá ser comunicado al mundo exterior ya que ninguna señal puede salir del agujero negro.
Si el Sol se convierte en un agujero negro, fuera de la
pérdida de la energía solar que le da día a los planetas, no
pasaría nada con sus órbitas. El agujero negro no se tragaría los
planetas.
Para que un objeto sea absorbido por el agujero negro, éste debe
acercarse a una distancia menor que el radio del 'horizonte de eventos'.
¿Cómo vemos los agujeros negros?
Si existen agujeros negros en abundancia, éstos podrían ser la
materia oscura
del universo.
Si un agujero negro no deja escapar la luz, entonces ¿cómo lo podemos ver?
Respuesta: un agujero negro no se ve directamente.
Se ha podido verificar experimentalmente la existencia de agujeros
negros (por ejemplo en el centro de algunas galaxias) examinando
el movimiento de estrellas en torno a su centro
y la radiación emitida por las
partículas
cargadas que caen al
agujero negro.
Los objetos celestes más brillantes que se han llegado a observar son los Quasares (también llamados Nucleos Galácticos Activos o AGN). Estos objetos son galaxias que albergan un agujero negro supermasivo en su centro. La atracción gravitacional generada por este agujero negro es tan intensa que cualquier estrella o nube de gas que se encuentre cerca al centro de la galaxia son chupadas por el agujero negro y desaparecen para siempre. El brillo de los quasares se debe a radiación emitida por la materia acelerada que cae al agujero negro.
Ver por ejemplo:
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Agujero negro en núcleos galácticos
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Agujero negro en el centro de la galaxia NGC 6251
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Núcleos galácticos activos (AGN)
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Galaxia El Remolino (M52)
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Cuando un astrónomo observa una estrella dando vueltas en torno a un
punto,
es posible calcular la masa
concentrada en ese punto simplemente
midiendo la velocidad y el radio de la órbita de la estrella.
De esta forma se han detectado sistemas de estrellas (o gas) en rotación
tan veloz y en un radio tan pequeño, que no queda otra explicación posible
a la de admitir que debe existir un agujero en ese punto.
Imagen atención de H. Ford (JHU, ST ScI), R. Harms, Z. Tsvantanov y NASA
Agujero negro en el centro de M87:
Materia en forma de gas gira a alta velocidad en torno al
centro de la
galaxia M87.
Esta velocidad de rotación de 500 Kilometros/segundo es revelada por
los cambios en el
espectro
de la luz emitida. Debido al
efecto Doppler, el pico del
espectro se corre hacia el azul o hacia el rojo dependiendo
de si la materia se mueve hacia el observador o se aleje.
Para alcanzar las velocidades observadas, el gas debe estar
impulsado por la gravedad de
3.000 millones de soles
concentrada en una región muy pequeña en el centro de la galaxia,
lo cual sólo puede explicarse con la presencia de un agujero negro.
¿Cómo se puede formar un agujero negro?
El mecanismo más efectivo para formar un agujero negro es cuando
las
capas superiores en una estrella de gran masa explotan
mientras
que el núcleo de la estrella implota (es decir se contrae rápidamente).
Esto es justamente lo que ocurre cuando el material fusionable de una
estrella es consumido totalmente. Al acabarse la fuente de presión
en la estrella (que la mantenía en equilibrio contra la gravedad)
toda la masa del núcleo colapsa gravitacionalmente en su centro y
así se genera un agujero negro.