¿Cómo pueden los agujeros negros ser tan densos?

Usted pregunta cómo los átomos pueden estar tan comprimidos. Los átomos están hechos de electrones y quarks (los protones y los neutrones están hechos de quarks) y, hasta donde sabemos, los electrones y los quarks son puntuales, es decir, no tienen tamaño. Entonces, en principio, se pueden comprimir a una densidad infinita si aprietas lo suficiente. En este punto, alguien va a señalar que todas las partículas están formadas en última instancia por cuerdas, y suponiendo que la teoría de cuerdas sea correcta, esperamos que las reglas cambien en tamaños alrededor de la escala de cuerdas. Sin embargo, probablemente se trate de$10^{-34}$de un metro así que vamos a ignorarlo por ahora.

De todos modos, los quarks y los electrones se resisten a ser comprimidos juntos por varias razones, por lo que en condiciones cotidianas vemos densidades cotidianas. La cuestión es que la gravedad siempre es aditiva: más masa significa más gravedad y más presión, y podemos seguir acumulando más materia y la gravedad y la presión seguirán aumentando. En algún momento, la presión se vuelve tan grande que los electrones reaccionan con los protones para formar neutrones, y obtenemos materia compuesta solo de neutrones. Esto se llama neutronio y es el estado de la materia que se encuentra en las estrellas de neutrones . El neutronio tiene una densidad de alrededor$10^{18}$kg/m3$^3$mientras que la materia ordinaria está entre$10^{3}$y$10^{4}$kg/m3$^3$

Cuando intentas comprimir los neutrones, se resisten debido a un fenómeno llamado presión de degeneración , pero puedes seguir agregando masa y esto sigue aumentando la presión hasta que ni siquiera la presión de degeneración puede mantener separados a los neutrones. En ese momento, no está claro exactamente qué sucede porque no entendemos muy bien la física. Sin embargo, es posible que la siguiente etapa sea que los neutrones se disuelvan en un mar de quarks y puedan formar algo así como materia extraña , que tiene su propia presión de degeneración que resiste una mayor compresión.

Pero si agrega aún más masa, puede superar incluso la presión de degeneración de los quarks y, en ese punto, los quarks comienzan a colapsar. Recuerde que comencé diciendo que los quarks son como un punto, por lo que cuando comienzan a colapsar, pueden colapsar sin límite y la densidad se volverá infinita.

En pocas palabras, así es como puedes colapsar la Tierra al tamaño de un guisante.

Bueno, tal vez no. Si la teoría de cuerdas es correcta, los quarks no son puntos como partículas. Una vez que baje a escalas de longitud alrededor de la longitud de Planck , el quark comenzaría a comportarse como una cuerda, no como una partícula puntual, y esperamos que las reglas cambien. Nadie sabe qué sucederá, pero parece probable que el colapso se detenga antes de que la densidad se vuelva infinita.

En realidad es más extremo de lo que crees.

La historia corta es esta:

Asociado con cualquier cantidad de materia, hay un radio asociado conocido como el radio de Schwarzschild .

Hay un teorema en la Relatividad General que establece esencialmente que si alguna vez toda la materia está contenida dentro del radio asociado de Schwarzschild, esa materia debe colapsar a una densidad infinita*, a una singularidad .

En términos generales, existe un efecto "desbocado" en el que la presión del material comprimido en realidad contribuye a que la gravedad actúe para comprimir aún más la materia. El proceso se "alimenta" de sí mismo.

Este colapso forma un agujero negro que consiste en la singularidad, así como un horizonte de eventos .

En el caso de la Tierra, el horizonte de sucesos encerraría un volumen aproximadamente comparable al volumen de un maní.

Sin embargo, el asunto no llena ese volumen; la materia se comprime en una singularidad infinitamente* densa. Una vez que una entidad externa cae dentro de ese volumen, no puede volver a salir; debe caer "en" la singularidad.

*Estrictamente cierto solo para materia no giratoria, con carga neutra. Ver el comentario de Ron Maimon.

Esta densidad no es posible, por eso la tierra no puede convertirse en Agujero Negro. Las masas más grandes necesitan menos densidad para convertirse en un agujero negro. Por ejemplo, ¡los agujeros negros súper masivos en el centro de Glaxy necesitan densidad de agua para convertirse en agujeros negros! enlace

Sin embargo, los agujeros negros estelares tienen mucha menos masa, por lo tanto, una densidad muy alta. Incluso eliminar todo el espacio vacío en el interior del átomo no ayudará. Dará como resultado una estrella de neutrones. Que tiene densidad de neutrones. Los agujeros negros estelares tienen densidades mucho mayores. Realmente no entendemos el estado de la materia bajo una densidad tan alta.

Nuestra comprensión actual del límite de densidad se basa en el principio de exclusión de Pauli de los fermiones. Significa que dos electrones, protones o quarks no pueden ocupar el mismo espacio cuántico. Así que no podemos exprimirlos más.