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¿Qué es un agujero negro?

Lo que muchas personas imaginan cuando se les habla de un Agujero Negro es que es un gran “hoyo” en el espacio por el cual entran cuerpos que nunca salen debido a que este “hoyo” tiene una profundidad indefinida o infinita… Esa idea no esta tan lejos de la realidad, solo que deben de corregirse algunos detalles que aquí veremos…

Para entender lo que es un agujero negro empecemos por una estrella como el Sol. El Sol tiene un diámetro de 1.390.000 kilómetros y una masa 330.000 veces superior a la de la Tierra. Teniendo en cuenta esa masa y la distancia de la superficie al centro se demuestra que cualquier objeto colocado sobre la superficie del Sol estaría sometido a una atracción gravitatoria 28 veces superior a la gravedad terrestre en la superficie.

Una estrella corriente conserva su tamaño normal gracias al equilibrio entre una altísima temperatura central, que tiende a expandir la sustancia estelar, y la gigantesca atracción gravitatoria, que tiende a contraerla y estrujarla.

Si en un momento dado la temperatura interna desciende, la gravitación se hará dueña de la situación. La estrella comienza a contraerse y a lo largo de ese proceso la estructura atómica del interior se desintegra. En lugar de átomos habrá ahora electrones, protones y neutrones sueltos. La estrella sigue contrayéndose hasta el momento en que la repulsión mutua de los electrones contrarresta cualquier contracción ulterior.

La estrella es ahora una «enana blanca». Si una estrella como el Sol sufriera este colapso que conduce al estado de enana blanca, toda su masa quedaría reducida a una esfera de unos 16.000 kilómetros de diámetro, y su gravedad superficial (con la misma masa pero a una distancia mucho menor del centro) sería 210.000 veces superior a la de la Tierra.

En determinadas condiciones la atracción gravitatoria se hace demasiado fuerte para ser contrarrestada por la repulsión electrónica. La estrella se contrae de nuevo, obligando a los electrones y protones a combinarse para formar neutrones y forzando también a estos últimos a apelotonarse en estrecho contacto. La estructura neutrónica contrarresta entonces cualquier ulterior contracción y lo que tenemos es una «estrella de neutrones», que podría albergar toda la masa de nuestro sol en una esfera de sólo 16 kilómetros de diámetro. La gravedad superficial sería 210.000.000.000 veces superior a la que tenemos en la Tierra.

En ciertas condiciones, la gravitación puede superar incluso la resistencia de la estructura neutrónica. En ese caso ya no hay nada que pueda oponerse al colapso. La estrella puede contraerse hasta un volumen cero y la gravedad superficial aumentar hacia el infinito.

Según la teoría de la relatividad, la luz emitida por una estrella pierde algo de su energía al avanzar contra el campo gravitatorio de la estrella. Cuanto más intenso es el campo, tanto mayor es la pérdida de energía, lo cual ha sido comprobado experimentalmente en el espacio y en el laboratorio.

La luz se pierde en un agujero negro

La luz emitida por una estrella ordinaria como el Sol pierde muy poca energía. La emitida por una enana blanca, algo más; y la emitida por una estrella de neutrones aún más. A lo largo del proceso de colapso de la estrella de neutrones llega un momento en que la luz que emana de la superficie pierde toda su energía y no puede escapar. Por eso es que se dice que ni la luz puede escapar de la fuerza gravitacional de un agujero negro.

Un objeto sometido a una compresión mayor que la de las estrellas de neutrones tendría un campo gravitatorio tan intenso, que cualquier cosa que se aproximara a él quedaría atrapada y no podría volver a salir. Es como si el objeto atrapado hubiera caído en un agujero infinitamente hondo y no cesase nunca de caer. Y como ni siquiera la luz puede escapar, el objeto comprimido será negro. Literalmente, un «agujero negro». 

Entonces podemos resumir que un agujero negro, no es un agujero, es una estrella que tiene un campo gravitatorio tan grande que nada que este cerca de ella puede salir de su superficie, ni siquiera la luz, por tanto es un objeto comprimido completamente negro.

Hoy día los astrónomos están encontrando pruebas de la existencia de agujeros negros en distintos lugares del universo…

Y mas recientemente es mas que probable que exista un agujero negro supermasivo en el centro de todas las galaxias que conocemos… Incluida la vía Lactea

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La partícula de Dios

El año pasado se llevo a cabo uno de los descubrimientos mas importantes de los últimos tiempos, quizás del siglo. El “descubrimiento” de la llamada partícula de Dios, el Bosón de Higgs. Para el mundo de la Física es un descubrimiento sorprendente y muy importante, inclusive muchos colegas han llegado a decir que es tan admirable como la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein.

Pero para muchas personas que no se dedican al mundo de la ciencia o que aun no tienen un conocimiento avanzado de la física se les hace confuso poder dar una definición exacta de lo que es el bosón de Higgs  de lo que todos si están seguros es que tiene relación con la gravedad, pero nada mas.

He aquí una explicación bastante simple y que sin necesidad de formulas físicas o matemáticas podremos entender perfectamente que es el bosón de Higgs:

Que es la partícula de Dios…??

Como todos sabemos los átomos tienen dos partes, el núcleo y los electrones que orbitan a su alrededor. Los núcleos a su vez están formador por protones y neutrones y estos últimos están compuestos de unas partículas mas pequeñas llamadas quarks.

El Atomo

La materia que nos rodea esta formada por unas partículas que los físicos llaman fundamentales. entre ellas están los electrones y los quarks. Los electrones tienen otras partículas hermanas que comparten sus propiedades y que son mas pesadas, el muón y el tau. Ademas tenemos los primos del electrón, el muón y el tau, los llamados neutrinos. Los quarks forman partículas como los protones y los neutrones y otras mas exóticas.

Esto a grandes rasgos es lo que se conoce como el contenido de partículas del:

Modelo Estándar.

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Los físicos se encontraron con el problema de descubrir como se comportan las partículas fundamentales y tuvieron que diseñar una teoría para explicar ello. A esta teoría es a la que se le conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas.

El ME (Modelo Estándar) nos dice que las interacciones entre las partículas elementales se llevan a cabo por el intercambio de otras partículas. el nombre genérico de estas ultimas es Bosones Mensajeros.

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En una muy retorcida comparación podríamos imaginar como si fueran niños que se intercambian figurillas de acción para hacer amigos…. los Bosones (los mensajeros) y las partículas elementales serian los niños que interactúan cambiando figurillas. mas o menos, esto es lo que explica la teoría cuántica de campos.

En la naturaleza tenemos cuatro interacciones, que son la forma en la que tienen las particulas de relacionarse entre ellas:

  • El electromagnetismo: que se da entre cargas eléctricas.
  • La Interacción Débil: que puede cambiar el tipo de partícula (ejemplo: un quark d en un quark u, etc.)
  • La Interacción Fuerte: nos explica como se mantienen unidos los quarks entre si.

Como dije anteriormente son cuatro las interacciones, la que nos hace falta es la Gravedad, la que nos mantiene unidos al suelo y la que hace que los planetas orbiten alrededor del Sol. Pero resulta que el Modelo Estándar solo nos habla de las interacciones entre partículas que no son la gravedad. Algún día alguien tendrá que explicar ese detalle.

Bueno, el caso es que según el Modelo Estándar estas interacciones se llevan a cabo cuando dos partículas que interactúan intercambian los mensajeros apropiados.

  • En el caso del electromagnetismo dos cargas eléctricas intercambian fotones.
  • En la interacción débil pueden intercambiar mensajeros llamados W o Z.
  • Y en la interacción fuerte los quarks intercambian mensajeros a los que hemos llamado gluones. 

En un ejemplo mas fácil de entender, podemos imaginar que hay 2 niños y cada uno de ellos tiene en su frente una etiqueta con el signo menos (-). Ellos representaran cargas negativas y se lanzaran entre ellos una pelota amarilla que va a representar a un fotón.

-Que crees que pasara en ese caso con cargas del mismo signo…??

+Claramente se van a repeler entre si…!!

En el caso de los niños (ambos con carga negativa) seria como pedirles que se pasen la pelota (el fotón) cada vez mas fuerte y alto. Entonces ellos tendrían que alejarse cada vez mas para alcanzarla… se estarían repeliendo…!!!

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Ahora supongamos que le cambio la etiqueta a uno de los niños y le pongo una con el signo mas (+) o una carga positiva. En este caso seria como pedirles que se pasen la pelota (el fotón) cada vez mas despacio y mas bajo. Para poder alcanzarla tendrían que acercarse cada vez mas entre si. Se estarían atrayendo…!!!

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El fotón es una partícula de luz y siempre va a la misma velocidad, la velocidad de la luz, pero tiene una cosa que puede variar que es su energía y su momento. Pero la idea de las interacciones funciona básicamente igual.

Ahora que ya tienes una idea clara de las interacciones entre partículas ahora vamos a hablar del Bosón de Higgs…!!!

Los físicos se dieron cuenta hace tiempo que según el Modelo todas las partículas se moverían a la velocidad de la luz siempre. Si eso fuera así implicaría que las partículas no se podrían frenar hasta tenerlas en reposo frente a nosotros, que no podríamos medir su masa y que por tanto la masa en reposo de estas partículas seria 0.

Lo que significa que no pesaríamos nada…!! (El sueño de muchas mujeres, pero eso no viene al caso).

Eso es imposible como lo podemos comprobar fácilmente en la comodidad de nuestro hogar. Algunos físicos entre ellos el profesor Peter Higgs junto con otros, propusieron que en el Modelo faltaba un ingrediente.

Este ingrediente es el campo de Higgs. Podemos pensar en el campo de Higgs como una multitud de partículas,  las partículas de Higgs, que cuando interaccionan con otras partículas el efecto final que tiene es que les da masa…!!!

Pero como es que le da masa a las otras partículas el Higgs…??

Supongamos que conseguimos un sombrero mexicano de esos bien grandes y lo pongo en el suelo. Imaginemos que el punto que esta justo debajo del pico del sombrero mexicano nos dice que el valor del campo de Higgs es 0. Es decir, que no tenemos partículas de Higgs por ningún sitio.

Conforme nos alejamos del centro en cualquier dirección el valor del Higgs aumenta, aparecen partículas de Higgs, y lo hace igual en todas las direcciones. Digamos que es una situación simétrica.

El sombrero representa la energía que tiene el Higgs para cada uno de sus valores. Curiosamente cuando el campo de Higgs es 0 el valor de su energía es alto. Esto es muy curioso. Se espera que cuando no tiene algo de ese algo no tenga energía  el Higgs no se comporta así.

Supongamos que una canica (bolita de vidrio) representa todo el campo de Higgs. Si la ponemos en el pico del sombrero significa que el campo vale 0, no hay partículas  pero su energía es mas alta que si la pusiéramos en cualquier otro punto del sombrero.

Ahora si bien, la suelto desde el punto mas alto del sombrero, inevitablemente caerá…!!

Cuando la canica del Higgs esta en el pico del sombrero puede caer hacia cualquiera de los lados, todo lo ve simétrico, pero cuando cae, la simetría desaparece, ha elegido una posición en el ala del sombrero que es lo mismo que decir que el campo ha dejado de ser cero y pasa a tener un valor, aparecen las partículas de Higgs.

Campo de Higgs.

Los físicos demostraron que al pasar esto, al romperse la simetría, aparecería una partícula.  Esta es la partícula de Higgs y que tendría una masa distinta de cero. Resulta que esta partícula es capaz de interactuar con el resto de partículas  pero lo hace de una forma que cuando ve un fotón lo ignora y por eso el fotón se mueve a la velocidad de la luz.

Por eso dicen que el fotón no tiene masa en reposo. 

Pero cuando la partícula del Higgs se encuentra con un mensajero W, o un Z, o un quark, o un electrón interacciona con ellos teniendo el efecto de que estas partículas adquieren una masa no nula, o que es diferente de cero.

Desgraciadamente la teoría no dice exactamente que masa tendría la partícula aunque nos dice entre que valores podría estar. Por eso es que se construyo el LHC o Gran Colisionador de Hadrones.

Es un centro de Investigación construido cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. En sus 27 kilómetros de recorrido es donde se hacen chocar protones que van muy rápido.  En estas colisiones se producen partículas que a su vez se desintegran en otras partículas.  Los físicos esperaban desde hace años que en algunas de estas colisiones se encontrara el Higgs.

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Y como saber si la partícula producida es el Higgs u otra cosa…??!!

Cuando se produce el Higgs este se desintegra en otras partículas. 

Los físicos aprendieron que una partícula de Higgs se podía desintegrar en dos fotones, en dos mensajeros Z y de otras formas.

Aprendieron a calcular con que probabilidad se desintegraría cada una de estas formas. Lo que hacen es producirse muchas colisiones en el LHC y ver cuantas veces se producen dos fotones, o dos Z, etc.

Luego comprueban si esto esta de acuerdo en lo que sabemos que tiene que producir un Higgs.

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¿Debería importarnos el descubrimiento del bosón de Higgs?

Sin esta partícula y su campo, nada en el universo tendría masa, solo partículas sin masa moviéndose a la velocidad de la luz. El Modelo Estándar explica el 4% de toda la materia y energía del universo, aquellas que forman el universo visible, pero no dice nada sobre la materia oscura, que representa el 24% del cosmos.

Es lo que ocurre cuando uno llega a mitad de la fiesta, se encuentra con que todo el mundo está saltando y riendo, celebrándolo a lo grande, y uno se queda al margen preguntándose: ¿por qué estarán tan contentos?

Lo mismo ha ocurrido entre los físicos y el resto de la humanidad desde el 4 de julio del 2012, cuando la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) anunció el descubrimiento de una nueva partícula (aun falta bastantes cosas que aclarar y confirmar) que están un 99.99999999% seguros que es el bosón de Higgs. Pero aun queda ese 0.000000001% de que no lo sea.

Pero la lógica dicta que es seguro hablar de que la nueva partícula descubierta es el Bosón de Higgs.

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Que el Modelo Estándar sea una teoría correcta no significa que sea completa. De hecho, no lo es. Explica el 4% de toda la materia y energía del universo, aquellas que forman el universo visible. Pero no dice nada sobre la materia oscura, que representa el 24% del cosmos y que guía los movimientos de las galaxias. Y tampoco sobre la energía oscura, que tiene un efecto opuesto a la gravedad, que está acelerando la expansión del universo y que representa el 72% restante.

Los físicos esperan que, a medida que el Higgs revele sus secretos en los próximos años, permita ir más allá del Modelo Estándar y adentrarse en este universo oscuro. “El bosón de Higgs abre una puerta, pero aún no sabemos qué hay detrás”

El descubrimiento del Higgs culmina con éxito una de las aventuras de exploración más largas y ambiciosas de la historia de la ciencia. Ha sido medio siglo de búsqueda para comprender los engranajes que mueven el universo. 

Llegar al Higgs ha sido como llegar por primera vez al polo sur, a la cumbre del Everest o a la Luna. El Higgs “es un canto a la capacidad de la mente humana de descubrir los secretos de la naturaleza. Cambiará nuestra visión sobre nosotros mismos y nuestro lugar en el universo. Sin duda esto es lo que distingue a la gran música, a la gran literatura, al gran arte… y a la gran ciencia”.

Sin bosón y campo de Higgs, por lo tanto, nada en el universo tendría masa. Si hubiera algo, serían partículas sin masa moviéndose a la velocidad de la luz. No habría, por lo tanto, ni estrellas, ni átomos, ni nosotros los físicos preguntándose sobre el bosón de Higgs. 

Curiosamente, ni el bosón ni el campo de Higgs existían en la primera fracción de segundo después del Big Bang. Nacieron poco después por alguna irregularidad cósmica aún no aclarada, De no ser por aquella irregularidad, nada de lo que hace que el universo sea un lugar interesante -para nosotros por lo menos- se hubiera creado.

El descubrimiento del Higgs da sentido a lo que, de otro modo, sería incomprensible. Aunque de todos modos nos queda mucho por descubrir y aprender de este vasto, complejo, enigmático y bello Universo.

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