Estoy buscando ayuda para comprender cómo los agujeros negros pueden moverse por el espacio. Esta es probablemente una pregunta trivial para cualquiera que conozca la astronomía, pero probablemente debido a mi falta de educación sobre el tema, no puedo encontrar una respuesta o una visualización por mi cuenta.
Específicamente, mi confusión es la siguiente:
Vi al Dr. Kip Thorne en un documental sobre agujeros negros afirmar que ya no hay materia en un agujero negro una vez que se forma. Dijo algo así como que la materia estaba allí, pero ha sido aplastada hasta desaparecer y básicamente se ha transformado en la energía que produce una curvatura tan grande del espacio-tiempo.
A partir de esa descripción, me parece que dentro del horizonte de sucesos de un agujero negro es simplemente esta enorme "abolladura" en el propio espacio-tiempo la que se está moviendo.
También vi al Dr. Andrew Hamilton en otro documental afirmar que dentro del horizonte de eventos de un agujero negro (nuevamente parafraseando), el espacio está cayendo hacia la singularidad tan rápido que efectivamente arrastra todo consigo (incluida la luz).
Basado en 1 (no queda materia en el agujero negro) y 2 (el espacio está siendo atraído hacia la singularidad gravitacional desde todas las direcciones), trato de imaginar el movimiento del agujero negro, y me parece que si, digamos, el agujero negro se mueve en una dirección, puedo ver cómo su horizonte de eventos también se mueve, atrayendo ese espacio hacia él. Pero, ¿cómo puede el otro extremo del agujero negro dejar que el espacio "escape" para completar el movimiento?
Estoy bastante seguro de que me estoy perdiendo algo aquí, porque, como he aprendido, se han encontrado agujeros negros en galaxias y sistemas solares y en muchos otros lugares donde tienen que estar moviéndose. Pero quiero entender por qué el espacio mismo puede cruzar el horizonte de sucesos cuando otras cosas no pueden. Y en ese sentido, me parece increíble que un agujero negro pueda ser en esencia una especie de cicatriz en el espacio-tiempo que también puede moverse a través de él.
Gracias por cualquier ayuda y perdón por la pregunta prolija.
ACTUALIZACIÓN: Gracias por las respuestas hasta ahora. Espero algún día ser capaz de comprenderlos completamente. :-)
Me gustaría agregar más contexto que ilustre mejor mi pregunta.
Si vas al video aquí y miras el primer minuto más o menos (hasta alrededor de las 31:00)
http://youtu.be/Niurc_6xIYg?t=29m48s
puede ver a Andrew Hamilton explicando sobre qué tengo una pregunta junto con una animación para ilustrar la descripción.
Por un lado, tenemos el espacio-tiempo curvado de tal manera que la estructura del agujero negro permanece intacta, es decir, existe un horizonte de eventos constante generado por esa curvatura extrema. Pero, por otro lado, el Dr. Hamilton describe un flujo de espacio-tiempo entre el horizonte de eventos y el horizonte interior, y dice que es plausible que dentro de esa área, el espacio mismo (que no tiene sustancia, en sus palabras) pueda describirse como fluyendo hacia adentro y siendo arrojado hacia afuera.
No entiendo cómo el espacio puede tener estas dos propiedades opuestas: (1) una curvatura que se mantiene para que exista el agujero negro, es decir, una curvatura generada porque la materia puede interactuar con el espacio y (2) un flujo de espacio que suena como si no estuviera sujeto a la restricción de volver a salir del horizonte de sucesos.
Es esa aparente diferencia entre (1) y (2) lo que quiero entender mejor.
¡Gracias!
- Vi al Dr. Kip Thorne en un documental sobre agujeros negros afirmar que ya no hay materia en un agujero negro una vez que se forma. Dijo algo así como que la materia estaba allí, pero ha sido aplastada hasta desaparecer y básicamente se ha transformado en la energía que produce una curvatura tan grande del espacio-tiempo.
Los agujeros negros aislados son, de hecho, soluciones de vacío para la relatividad general. Así, en particular, la densidad de masa y energía es idénticamente cero en todas partes del espacio-tiempo. Debido a algunos problemas técnicos, esto no implica que los agujeros negros no tengan energía ni masa; más bien, significa que no podemos pensar en ellos directamente como una integral de masa o densidad de energía. Véase también esta pregunta.
- También vi al Dr. Andrew Hamilton en otro documental afirmar que dentro del horizonte de eventos de un agujero negro (nuevamente parafraseando), el espacio está cayendo hacia la singularidad tan rápido que efectivamente arrastra todo consigo (incluida la luz).
Para un agujero negro aislado en un campo de marco particular, esta es una imagen válida. Por ejemplo, el espacio-tiempo de Schwarzschild en las coordenadas de Gullstrand-Painlevé puede interpretarse como un espacio euclidiano que cae en el agujero negro. Sin embargo, el espacio-tiempo en sí mismo es estacionario (incluso estático) en el sentido geométrico: hay un campo similar al tiempo que representa una dirección en la que la geometría del espacio-tiempo permanece sin cambios (de hecho, esto corresponde al tiempo de Schwarzschild). De manera similar, los espaciotiempos de los agujeros negros giratorios son estacionarios.
Pero, en general, no se puede pensar en los agujeros negros como una especie de succionadores del espacio. Es solo una analogía que se aplica a situaciones simples (agujeros negros aislados, sin nada más en el espacio-tiempo) y luego solo en un marco o coordenadas particulares. Eso no quiere decir que sea inútil, por ejemplo, los horizontes acústicos en los fluidos son analogías interesantes para el horizonte de eventos, pero no lo tome demasiado literalmente. Véase también esta pregunta.
- Basado en 1 (no queda materia en el agujero negro) y 2 (el espacio está siendo atraído hacia la singularidad gravitacional desde todas las direcciones), trato de imaginar el movimiento del agujero negro, y me parece que si, digamos, el agujero negro se mueve en una dirección, puedo ver cómo su horizonte de eventos también se mueve, atrayendo ese espacio hacia él.
¿Entonces, cuál es el problema?
Pero, ¿cómo puede el otro extremo del agujero negro dejar que el espacio "escape" para completar el movimiento?
Para agujeros negros realistas, no hay "otro extremo". Si realmente quiere unir todo, entonces interprete el comentario del Dr. Thorne sobre las cosas que caen en la singularidad como aplastadas fuera de la existencia como algo que también se aplica al espacio. No sale de ningún "otro extremo". Deja de existir.
Pero realmente, eso ya pasó el punto donde la analogía del fluido tiene sentido de todos modos. Creo que el Dr. Hamilton podría notar que el espacio-tiempo de Schwarzschild extendido al máximo es un agujero negro, por lo que uno puede pensar que "sale" del agujero blanco correspondiente, pero también le diría que este agujero blanco es un artefacto matemático que no tiene nada que ver con los agujeros negros astrofísicos reales.
Pero quiero entender por qué el espacio mismo puede cruzar el horizonte de sucesos cuando otras cosas no pueden.
Por supuesto que pueden. En la analogía del fluido que cae, son arrastrados por el espacio que está siendo succionado. Tal vez esté pensando en el hecho de que se necesita un tiempo infinito de Schwarzschild para que un objeto alcance el horizonte de sucesos. Pero eso no implica que las cosas no puedan cruzar el horizonte; más bien, es solo un síntoma de que el gráfico de coordenadas de Schwarzschild no cubre el horizonte.
Intuitivamente, piense en un gráfico de coordenadas como una "cuadrícula" dibujada en un parche de espacio-tiempo. Ese parche puede ser todo el espacio-tiempo, o puede ser solo una parte. En el caso de las coordenadas usuales de Schwarzschild, es solo una pieza... una que simplemente no cubre el horizonte.
Con respecto a la última parte, me refiero al espacio que cruza el horizonte de sucesos en sentido contrario, fuera de la esfera que demarca el horizonte de sucesos, mientras que los objetos materiales van en un sentido, dentro pero no fuera, el espacio-tiempo en sí mismo no parece tan restringido, al menos no en el sentido de "fijar" un agujero negro a una parte de sí mismo.
Bien, su pregunta editada proporciona más contexto. Pero la respuesta es completamente la misma: de lo que habla el Dr. Hamilton en el video es de las extensiones analíticas máximas de la solución del agujero negro giratorio, que contiene un pasaje a una región completamente diferente (a veces llamada "universo" diferente). Esto es muy similar al espacio-tiempo de Schwarzschild extendido al máximo, que contiene un agujero de gusano que sale de un agujero blanco en otra región del espacio-tiempo, excepto que la extensión del espacio-tiempo del agujero negro de Kerr en rotación contiene una cadena infinita de tales regiones conectadas.
No he visto el vídeo completo, pero está claro que a eso se refieren cuando dicen "en una nave propulsada por puras matemáticas", porque la estructura causal de tales espaciotiempos es bien conocida. Una vez más, dirijo su atención a la propia página del Dr. Hamilton, vinculada anteriormente, que explica que esta imagen de doble cascada es un artefacto de idealización matemática y no algo que realmente sucede en la realidad.
Sin embargo, incluso si se toma demasiado en serio la extensión analítica máxima de tales espaciotiempos de agujeros negros, es importante enfatizar que no regresa a la misma región, sino a una diferente conectada por un agujero de gusano dentro del horizonte. Si está preparado, también recomiendo los diagramas conformes del Dr. Hamilton de dichos espaciotiempos de agujeros negros, que dejan bastante claro que lo que está sucediendo es toda una "cadena" de agujeros negros y agujeros blancos.
En su mayoría, pero no exclusivamente, las soluciones similares a los agujeros negros (agregué el "-me gusta" como un guiño a las dificultades para definir matemáticamente los BH de una manera satisfactoriamente general) se estudian en la configuración idealizada de espaciotiempos asintóticamente planos. Un espaciotiempo asintóticamente plano tiene la propiedad de ser como el espaciotiempo plano de Minkowski en una noción de infinito elegida correctamente, y puede verse como idealizado, aunque no sea por otra razón, ya que se decide que todos los modelos cosmológicos convencionales no son asintóticamente planos. Sin embargo, esta configuración sigue siendo una buena manera de hacer predicciones sobre agujeros negros reales, ya que podemos aproximarnos a "muy lejanos" para "en el infinito" y "casi planos" para "planos".
En el espacio-tiempo plano, si queremos cambiar nuestro punto de vista, podemos realizar un aumento de Lorentz en nuestras coordenadas, lo que no cambiará la física del espacio-tiempo, pero cambiará la forma en que percibimos ciertas propiedades, como las velocidades de los objetos, longitudes, tiempos entre eventos, etc. En un espacio-tiempo asintóticamente plano, podemos realizar un impulso de Lorentz en nuestras coordenadas en el infinito para lograr un efecto similar sin cambiar la física del espacio-tiempo. Por ejemplo, podemos realizar un impulso de Lorentz en el infinito y extender las nuevas coordenadas potenciadas para crear nuevas coordenadas donde el agujero negro se mueve a través del espacio a una velocidad distinta de cero. En nuestras nuevas coordenadas, algunas propiedades cambiarán (por ejemplo, la forma del horizonte de eventos), mientras que otras propiedades permanecerán invariables.
impresora web