• Radio de Schwarzschild
• Propiedades físicas del agujero negro

Sí después de la explosión de supernova la masa del residuo estelar es superior a 3 masas solares, su colapso no se detiene sino que continua aumentando su densidad y reduciendo su tamaño, originando un intenso campo gravitacional. De acuerdo con la teoría de la relatividad este intenso campo gravitacional produce dos efectos importantes sobre la luz: su deflexión y el desplazamiento hacia el rojo. Conforme una estrella masiva se colapsa, los rayos luminosos describen trayectorias cada vez más curvadas y dejan de ser perpendiculares a la superficie del objeto emisor. Simultáneamente se produce un corrimiento al rojo de la luz cada vez mayor. Así durante el colapso, el objeto pude disminuir tanto de tamaño y adquirir un campo gravitacional tan intenso, que impide a la luz escapar de él.

Se llama velocidad de escape a la velocidad necesaria para que un objeto escape del campo atractivo de otro. La velocidad de escape en la Tierra es próxima a los 11 km s^-1, para lanzar un satélite artificial fuera de la Tierra debe moverse más rápido que la velocidad de escape. Como nada puede moverse más rápido que la velocidad de la luz, cuando la velocidad de escape alcanza ese valor, nada puede escapar de la superficie del objeto que produce ese campo gravitacional tan intenso.

La localización en el espacio donde la velocidad de escape del agujero negro es igual a la velocidad de la luz se llama el horizonte de sucesos. Una vez que el núcleo de una estrella masiva colapsa a su horizonte de sucesos desaparece del universo. Además de curvar el espacio (Figura 3-2-7), la gravedad produce una dilatación del tiempo. Sí se pudiese ver a alguien caer en un agujero negro veríamos que su reloj cada vez funcionaba más lentamente y cuando alcanza el horizonte de sucesos se pararía totalmente. Sin embargo la persona que cae no notaría nada en su reloj.

Radio de Schwarzschild

Una vez que el objeto cruza el horizonte de sucesos ninguna fuerza puede parar el colapso del núcleo hasta un simple punto en el centro del agujero negro. La masa del objeto alcanza densidad infinita en este punto, llamado una singularidad. Un agujero negro tienen por tanto, una estructura muy simple. Está constituido por dos partes: una singularidad o centro rodeada por el horizonte de sucesos o superficie (Figura 3-2-8). La distancia entre la singularidad y el horizonte de sucesos es el llamado Radio de Schwarzschild, que expresado en masas solares es:

R_Sch = 3 M_¤ km

Cuando el objeto alcanza este tamaño deja de ser observado y se convierte en un agujero negro.

Para entender que el colapso es inevitable veamos lo siguiente. En la Tierra nos podemos mover en el espacio en tres dimensiones pero sólo hay una dimensión en el tiempo. En un agujero negro, la intensa gravedad distorsiona la estructura del espacio y del tiempo e intercambia sus dimensiones. En un sentido limitado, dentro de un agujero negro hay libertad para moverse a través del tiempo pero en el espacio, inexorablemente del horizonte de sucesos se va hacia la singularidad no hay otra libertad (dimensión). En la singularidad la intensidad de la gravedad es infinita, luego la curvatura del espacio y del tiempo es también infinita. En la singularidad el espacio y el tiempo se mezclan no existen separados como entidades identificables.

Esta confusión del espacio y tiempo hace que las leyes de la Física no sean adecuadas en la singularidad, afortunadamente estamos apantallados de la singularidad por el horizonte de sucesos y nada que ocurra en la singularidad puede escapar mas allá del horizonte de sucesos.

Las propiedades físicas del agujero negro están determinada por tres cantidades:

1) Su masa, que podemos determinar por los efectos gravitacionales que produce. Sí un agujero negro, por ejemplo, forma parte de un sistema binario por las leyes de Kepler se pude deducir su masa.

2) La carga eléctrica, que se puede deducir por los efectos que produciría en los alrededores del agujero negro. Sí tuviese una carga apreciable atraería a partículas de carga opuesta del medio interestelar, como esto no se observa se supone que los agujeros negros no tienen carga.

3) Su momento angular, que debido a su conservación es de esperar que el agujero negro rote rápidamente.

Un agujero negro rotante está rodeado de un espacio que gira con él. Alrededor del horizonte de sucesos existe una región que no permite estar en reposo, sino que gira alrededor del agujero negro con la geometría rotante del espacio y del tiempo. Esta región se llama ergosfera, como esta región está fuera del horizonte de sucesos es accesible y puede ser atravesada por asteroides o astronautas sin caer en el agujero negro. Cálculos detallados demuestran que los objetos atrapados en la ergosfera pueden salir de ella a tremendas velocidades, el objeto eyectado deja la ergosfera con una energía mayor que la que tenía inicialmente, ha extraído energía de la rotación del agujero negro (proceso Penrose).

Encontrar agujeros negros es, por tanto, muy difícil ya que la luz no escapa, no emiten nada y son de un tamaño muy pequeño. La forma de buscar agujeros negros es mediante la detección de los efectos de su intensa gravedad. Una opción es buscar la distorsión que crean en las imágenes de objetos muy lejanos. Supongamos que la Tierra, un agujero negro y las estrellas del fondo están alineadas, la intensa gravedad en las proximidades del agujero negro produce la deflexión o curvatura de la luz de fondo dando lugar a dos imágenes de la estrella, es el efecto llamado lente gravitacional. Este es el único modo de encontrar agujeros negros aislados en el espacio. No se han encontrado lentes gravitacionales en nuestra Galaxia, pero sí fuera de ella a distancias enormes producidas por los objetos llamados cúasares.