Dudas sobre la existencia de los agujeros negros

**Presentación del artículo
**Agujero negro cuestionable

Traducción francesa:

Dudas sobre la existencia de los agujeros negros.

** ** Autores:

Jean-Pierre Petit, Observatorio de Marsella

| ciencias | jp-petit.com |
|---|---|

Pierre Midy, CRI de Orsay.

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Este trabajo representa los resultados de diez años de esfuerzo. Durante los últimos 30 años, los astrofísicos han tenido solo una palabra en la boca: "agujeros negros". El tema fascina al público y ya se le han dedicado varios libros. Sin embargo, la confirmación observacional aún falta: los agujeros negros "se destacan por su ausencia". Y sin embargo, el cosmos es vasto. Nuestra galaxia sola contiene al menos 100 a 200 mil millones de estrellas. La existencia de ciertos objetos ha sido establecida por observación, como los cuásares, por ejemplo. Ahora conocemos más de cuatro mil. Eso no significa que los entendamos completamente, cómo se forman, cómo evolucionan, cuál es su vida útil. En realidad, no sabemos nada de ellos. Simplemente están catalogados, al igual que lo estaban las "nebulosas" en tiempos del astrónomo Messier. Aparentemente, ciertos cuásares viven en el centro de formaciones del tipo galaxia. Estas galaxias tienen un "núcleo activo", lo cual podría significar cualquier cosa y nada a la vez, ya que ignoramos la naturaleza de esta actividad, su fuente de energía, por ejemplo. La astrofísica contemporánea parece conformarse con eso. Frente a la pregunta:

• ¿Qué es un cuásar?

El astrofísico responde:

• Es el núcleo de una galaxia activa.

Y frente a la pregunta:

• ¿Qué es una galaxia activa?

Responderá:

• Es una galaxia con un cuásar en su centro...

Recientemente, hace unos años, descubrimos "estallidos gamma", uno al día. La portada de la revista francesa Ciel et Espace (Ciel y Espacio) tenía un título: "Estallidos gamma: el misterio finalmente resuelto". Respuesta, en las columnas de la revista: una pequeña mancha brillante acaba de ser observada en el lugar de un estallido gamma detectado. En otras palabras: resolver un misterio significa saber que las regiones del cielo que emiten estallidos también emiten luz...

¿No es un poco... decepcionante?

Por el contrario, otros objetos existen cuya existencia fue presintida, a menudo con gran precisión, antes de su observación. El ejemplo típico es la supernova, descrita en 1931 por el astrofísico estadounidense (de origen suizo) Fritz Zwicky durante una conferencia famosa en Caltech, en Estados Unidos. Zwicky explicaba entonces que estrellas suficientemente masivas, digamos de masa superior a veinte masas solares, deberían conocer un final paroxístico con un aumento de potencia en unos días, el fenómeno completo se desarrollando durante aproximadamente veinte días. Fue una predicción notable, aunque al principio se tomó con cierta ligereza. Sin embargo, tenaz, Zwicky descubrió las primeras supernovas. Hoy conocemos cientos de ellas. Lo mismo ocurre con las estrellas de neutrones, identificadas posteriormente con los pulsares (estrellas de neutrones rotantes) y con las enanas blancas. Esta especie también cuenta con varios cientos de individuos identificados.

El agujero negro fue propuesto como respuesta a un problema: ¿qué ocurre con una estrella de neutrones que supera cierta "masa crítica". Estas estrellas de neutrones, claramente identificadas, se parecen a núcleos atómicos enormes, sin protones. ¿Por qué estos objetos están compuestos exclusivamente de neutrones?

Consideramos las estrellas de neutrones como lo que queda del núcleo de hierro de una estrella masiva después de su explosión. Una estrella masiva es una estrella en la que tienen lugar varios tipos de fusión durante su vida. Finalmente produce hierro, que ya no puede participar en ninguna reacción de fusión exoenergética. Este hierro pesado cae al centro de la estrella, como la ceniza en una chimenea. Cuando la estrella repentinamente carece de combustible (como comprendió Zwicky), colapsa sobre sí misma a 80.000 kilómetros por segundo (a un kilómetro aproximadamente, por supuesto). Al caer sobre el núcleo de hierro, este gas se comprime intensamente. No solo rebota, sino que se producen varias reacciones de fusión que ya no necesitan ser exoenergéticas, la energía proviene de la contracción brusca de la estrella sobre sí misma. Se crean todo tipo de especies nucleares, incluyendo muchos átomos radiactivos de duraciones de vida extremadamente variables. En 1987, la explosión de la estrella Sanduleak, en la nube de Magallanes, dio una confirmación definitiva de la existencia de tales fenómenos (a solo 150.000 años-luz de distancia).

El fenómeno aplasta completamente el núcleo de hierro desplazando sus átomos. Se comprime tanto sobre sí mismo que los electrones ya no tienen suficiente espacio para moverse entre los nucleones. Atrapados, se combinan por lo tanto con los protones para formar neutrones y neutrinos. Normalmente, cuando comprimimos un gas, el fenómeno llamado presión se opone a la compresión. También es cierto para un líquido o un sólido (todo es compresible). Esto ocurre cuando nace una joven estrella. La protoestrella es una masa de gas que se colapsa sobre sí misma. Pero al contraerse, se calienta y la fuerza de presión limita la contracción. Es un mal radiador, pero debe perder energía por radiación (infrarroja) antes de poder contraerse lo suficiente para convertirse en una verdadera estrella. Sin embargo, si su masa es insuficiente, se convertirá en un "Júpiter grande" (este planeta gigante continúa radiando más energía de la que recibe del Sol, pero nunca se convertirá en una estrella). Cuando la explosión de una supernova comprime el núcleo de hierro, este evacúa su energía emitiendo una cantidad fantástica de... neutrinos. Aquí, el escenario cambia por completo: el enfriamiento radiativo es instantáneo, ya que los neutrinos pueden escapar sin dificultad. No hay presión de reacción. El bloque de hierro es lamentablemente aplastado. Solo queda un montón de neutrones, apretados unos contra otros como japoneses en el metro durante horas pico. ¿Por qué una masa crítica? Porque los neutrones no pueden soportar una presión superior a un valor máximo. Como bombillas eléctricas apiladas en un pozo minero. Después de un cierto nivel de bombillas, el vidrio se rompe y un montón de vidrio roto cae al fondo del pozo. Cuando una estrella de neutrones tiene una masa un poco superior a dos veces la del Sol, la presión en su núcleo se vuelve demasiado fuerte. Los neutrones ya no pueden soportarla. Se supone que colapsa sobre sí misma, y ningún fenómeno físico conocido puede oponerse a este "colapso gravitacional". Una perspectiva desoladora para un astrofísico. Incluso antes de explotar, una estrella de neutrones es un "relativista", a diferencia de un objeto "newtoniano". Esto se ve en la apariencia de las trayectorias de las "partículas de referencia" cerca de una masa m (un átomo, por ejemplo). Sabemos que el fenómeno de curvatura del espacio-tiempo provoca una precesión de la órbita elíptica de Mercurio. Pero esta precesión es mínima. Sin embargo, la figura siguiente, obtenida a partir de cálculos informáticos, muestra la importante precesión de una trayectoria casi elíptica alrededor de una estrella de neutrones.

Por lo tanto, no se trata de describir una estrella de neutrones con un material "newtoniano".

El programa de cálculo es relativamente simple, y un día, cuando tenga tiempo, lo pondré en el sitio para que puedan jugar con él, y mostrar el fenómeno de lente gravitacional (muy exagerado aquí) :

Así, ya que se trata de describir el destino de una estrella de neutrones que alcanza la criticidad, se debe utilizar una "ecuación de campo", la de Einstein.

S = c T

T es un "tensor" que describe el contenido local en "energía-materia". El tensor es nulo en el exterior y no nulo en el interior. Por lo tanto, la solución geométrica debe deducirse de dos ecuaciones.
Para el interior:

S = c T

para el interior

S = 0

Las soluciones de este tipo de ecuación se llaman "métricas". Sin embargo, no importa la forma de los objetos. Son "tensores", y para entender qué es un tensor, buena suerte... Me tomó un tiempo.

El Sol está asociado a una "geometría local", que es la solución de las dos ecuaciones. La primera describe el interior del Sol y la segunda el vacío alrededor. Sin embargo, solo podemos describir un "Sol ideal", compuesto por una esfera llena de materia con densidad constante. Pero eso es mejor que nada. Estas soluciones tienen expresiones matemáticas que no desarrollaremos aquí. No te dirán nada. Cada una tiene su propia "patología personal". Llamemos rn al radio de la estrella, de densidad constante r. A partir de esta densidad r, y del valor c de la velocidad de la luz, podemos calcular un primer radio característico, "R sombrerito":

La solución geométrica interior es "no patológica" si, y solo si, el valor del radio rn es inferior a este valor crítico.

Con los mismos datos, podemos calcular el segundo radio característico:

que llamamos el "radio de Schwarzschild" Rs. La solución exterior, que hace referencia al "vacío" que rodea nuestra estrella de densidad constante r y radio constante, será no patológica si, y solo si, el valor del radio de la estrella rn es superior a esta longitud característica. Combinando ambas, se debe cumplir que:

La cantidad a la derecha depende de la densidad de la estrella (entre 10¹⁵ y 10¹⁶ gramos por centímetro cúbico). A densidad constante, la cantidad a la izquierda aumenta como el cubo del radio Rn de la estrella.

Esto es válido para el Sol, considerado como una estrella de densidad constante en primera aproximación. ¿Qué queremos decir con "patologías"? Todo: cantidades bajo las raíces que se vuelven negativas, denominadores que se vuelven nulos. Vemos así que una estrella de densidad constante no puede describirse con este tipo de solución estacionaria:

El radio de Schwarzschild del Sol es de 3,7 km: bien dentro (rn). Puedes divertirte calculándolo, sabiendo que su radio es de 695.000 km, el valor del segundo radio crítico "R sombrerito" es más alto.

Si habláramos del Sol, a escala de la figura, el radio de Schwarzschild (3,7 km) sería solo un punto, y el radio "R sombrerito" se alejaría bastante de la hoja. La figura anterior se refiere más a una "estrella de neutrones subcrítica".

¿Cómo se produce el "aumento hacia la criticidad"? Basta con agregar capas de neutrones, con densidad constante (comparamos la estrella de neutrones, si no es un sólido, al menos una gota de fluido prácticamente incompresible).

Obtenemos las curvas anteriores simplemente usando la fórmula indicada. El radio de la estrella aumenta, pero el radio de Schwarzschild lo alcanza. Y los dos se unen cuando rn alcanza el valor "R sombrerito". Entonces, en la superficie de la estrella, la cantidad bajo la raíz se vuelve negativa, los denominadores se vuelven nulos, etc. Esta es la traducción matemática y geométrica de la criticidad. Esto simplemente significa que es imposible describir la estrella utilizando una o ambas soluciones geométricas combinadas obtenidas de la ecuación de Einstein con término no nulo (interior) o nulo (exterior). El valor máximo característico de este radio es de aproximadamente 20 kilómetros. La densidad de la estrella de neutrones se puede calcular a partir de esto.

Pero hay algo poco conocido, incluso entre los "hombres del cosmos", aunque se deriva de trabajos realizados en los años 40: existe otra criticidad, esta vez de naturaleza física, que aparece justo antes de que el radio de la estrella alcance este valor. Es un valor extremadamente cercano, inferior en un 5%. Pero cuando el radio de la estrella alcanza este valor, o lo que es lo mismo, cuando la masa alcanza un valor doble de la del Sol, la presión en el centro de la estrella se vuelve infinita, según un modelo "TOV" desarrollado en los años 40 por Tolman, Oppenheimer y Volkov (el Oppenheimer de la bomba).

Presión dentro de una estrella de neutrones según la distancia al centro
**** para diferentes valores de masa del objeto.

Esto es una data fundamental para nosotros.

Esta es la evolución de la presión dentro de la estrella de neutrones, en función de la distancia a su centro, para diferentes masas:

...Quizás los científicos, como otros, no se plantean preguntas a las que piensan que no pueden responder. ¿Cómo responder a la pregunta:

• ¿Qué ocurre en un medio donde, en un momento dado, la presión se vuelve súbitamente infinita?

Pero nadie ha planteado la pregunta, al menos no de esa manera. Aparentemente, se le escapó a todos. Muchos especialistas en cosmología con los que he hablado ignoraban este aspecto.

Volvamos a "la historia del agujero negro". Se podría decir: el fenómeno de implosión de una estrella de neutrones inestable es un fenómeno no estacionario. Construyamos entonces una solución no estacionaria para ambas ecuaciones anteriores. Sin embargo, no sabemos cómo hacerlo de manera creíble. Entonces, los teóricos se volvieron hacia la "solución exterior" (la que describe, por ejemplo, la geometría fuera del Sol y que se vuelve "patológica" en el radio de Schwarzschild de 3,7 km).

• Es decir, "elimina el Sol" y estudia las propiedades de esta geometría. Así...

• ¡Pero esta solución se refiere a un universo vacío?!

• Haz como si nada, veamos qué obtenemos...

El estudio comenzó con las trayectorias radiales de objetos en caída libre hacia lo que sería, en estas condiciones, "un agujero negro de masa solar" de 3,7 km de diámetro. La variable t se mantuvo, debía indicar el tiempo sentido por un "observador externo", un buen terrícola mirando el Sol que acababa de hacer desaparecer. Se descubrió que el tiempo de caída libre de cada partícula, medido según este tiempo, se volvía infinito. Sin embargo, si se colocaba un reloj en la partícula, esta llegaría al centro geométrico del objeto en un tiempo finito.

Por lo tanto, los teóricos propusieron la siguiente visión:

• Esta solución estacionaria exterior encuentra una nueva utilidad providencial. De hecho, el colapso gravitacional ocurre en un muy breve lapso de tiempo (aproximadamente una diezmilésima de segundo para una estrella de neutrones inestable). Sin embargo, como el fenómeno parece durar un tiempo infinito para un "observador externo", una solución estacionaria puede usarse para describir un fenómeno extremadamente no estacionario.

Si no hay merluzas, comeremos merluzas...

A partir de esta idea, los teóricos se preguntaron qué pasaría con la materia cuando cruzara la superficie de Schwarzschild. Y allí, encontraron todas las horribles cosas mencionadas anteriormente. El tiempo de la partícula se volvía... pura imaginación. La velocidad de la partícula superaba la de la luz. Se convertía en una taquión, cuya masa es... imaginaria, etc., etc.

Algunos incluso sugirieron (y se encuentra en muchos libros) que, dentro de la esfera, la variable r se transformaría en tiempo y la variable t en... distancia radial.

Como decía Jean Heidmann, cosmólogo en Meudon, ahora jubilado:

• Cuando hablamos de agujeros negros, hay que dejar el sentido común en el vestuario...

En estas condiciones, si decidimos olvidar el sentido común, ¿dónde está el límite de lo irracional? ¿Cómo decidir construir una "física de lo inobservable"? Es el caso de la "materia oscura", de la cual se dice y se escribe todo y nada, a menudo a razón de varios artículos por día. Nadie parece haber examinado el modelo gemelo, ampliamente desarrollado en mi sitio web. Sin embargo, algunos investigadores extranjeros (China, Japón) parecen haberlo entendido bien.

Hay nuevas informaciones en este ámbito. En 1988-1989, publiqué tres artículos en Modern Physics Letters A (reproducidos en el sitio), que lanzaron la idea, sin precedentes, de una cosmología en la que las constantes físicas podrían variar, incluida la velocidad sagrada de la luz c. La idea fue "redescubierta" en 1993. Desde entonces, se han publicado muchos artículos en revistas muy selectas como Physical Review, Classical and Quantum Gravity. Ya existe un grupo bastante importante de "variadores de constantes". Algunos han descubierto mi trabajo en el sitio web. Muchos se sorprendieron, aún más por el hecho de que este trabajo provenía de Francia, un país que nunca ha llamado la atención por una innovación importante en cosmología, ni siquiera en astrofísica (campos típicamente alemanes, rusos, estadounidenses o británicos). Se estableció un contacto de manera muy cordial. Los chinos, sin perder el humor, dijeron que tenían que bajar su mapa para encontrar la ubicación de Marsella y tenían "la impresión de descubrir una región desconocida del planeta".

¿Por qué esta digresión? Porque, según nosotros, el aumento vertiginoso de la presión en el núcleo de la estrella de neutrones debería alterar las constantes de la física y crear un "puente hiper-tórico" entre el universo y su gemelo. Es una idea que requiere un estudio más profundo. Dicho esto, si se necesita ayuda en este emprendimiento, probablemente vendrá de los "variadores de constantes" que ya han cruzado la línea. Por ahora, somos los únicos "gemelos"

Los estudios comenzaron sobre las trayectorias radiales de los objetos en caída libre hacia lo que sería, en estas condiciones, "un agujero negro de masa solar" de 3,7 km de diámetro. Se retuvo la variable t, que se pretendía que se refiriera al tiempo experimentado por un "observador externo", un buen terrestre que mira al sol que acaba de crear. Se descubrió que el tiempo de caída libre de cada partícula de prueba, medido según este tiempo, se volvía infinito. Sin embargo, si se le adjuntaba un reloj a dicha partícula, llegaría al centro geométrico del objeto en un período de tiempo finito.

Por lo tanto, los teóricos propusieron la siguiente visión:

• Esta solución estacionaria exterior encuentra un nuevo empleo providencial. En efecto, la colapso gravitacional sí ocurre en un período muy breve (alrededor de una diezmilésima de segundo para una estrella de neutrones inestable). Sin embargo, como el fenómeno parece durar un tiempo infinito para un "observador externo", se puede utilizar una solución estacionaria para describir un fenómeno eminentemente no estacionario.

Si no hay Tórtolas, comeremos Pájaros Negros...

Partiendo de esta idea, los teóricos comenzaron a preguntarse qué sucedería a la materia cuando cruzara la superficie de Schwarzschild. Allí encontraron todos los horrores mencionados anteriormente. El tiempo de la partícula se volvió... pura imaginación. La velocidad de la partícula superó la velocidad de la luz. Se convirtió en un taquión, cuya masa es... imaginaria, etc., etc.

Algunos incluso sugirieron (y se puede encontrar en muchos libros) que en el interior de la esfera, la variable r se transformó en tiempo y la variable t en... distancia radial.

Como solía decir Jean Heidmann, cosmólogo de Meudon, ahora jubilado:

• Cuando se habla de agujeros negros, hay que dejar el sentido común en el guardarropa...

Bajo estas condiciones, si decidimos olvidar el sentido común, ¿dónde está el límite de la irracionalidad? ¿Cómo decidimos construir una "física de lo inobservable"? Esto es el caso de la "materia oscura", sobre la cual se dice y escribe todo y cualquier cosa, a menudo a razón de docenas de artículos al día. Nadie parece haber mirado el modelo gemelar, ampliamente desarrollado en mi sitio web. Sin embargo, algunos investigadores extranjeros (China, Japón) parecen haberlo tomado bien.

Hay noticias en este ámbito. En 1988-1989 publiqué tres artículos en Modern Physics Letters A (reproducidos en el sitio) que lanzaron la idea, inédita, de una cosmología en la que las constantes físicas podrían variar, incluida la sagrada velocidad de la luz c. La idea fue "redescubierta" en 1993. Desde entonces se han publicado numerosos artículos en revisiones muy selectas como Physical Review, Classical and Quantum Gravity. Ya hay un grupo bastante grande de "variadores de constantes". Algunos de ellos han descubierto mi trabajo en el sitio web. Muchos de ellos quedaron estupefactos, aún más por el hecho de que el trabajo provino de Francia, un país que nunca se ha destacado por una innovación importante en cosmología, o incluso en astrofísica (campos típicamente alemanes, rusos, estadounidenses o británicos). Se estableció contacto de manera muy amable. Los chinos, no sin humor, dijeron que tuvieron que bajar su atlas para encontrar dónde estaba Marsella y "tuvieron la impresión de descubrir una región desconocida del globo".

¿Por qué esta digresión? Porque, en nuestra opinión, el aumento vertiginoso de la presión en el núcleo de la estrella de neutrones debería alterar las constantes de la física y crear un "puente hiper-tórico" entre el universo y su gemelo. Es una idea que necesita más estudio. Dicho esto, si se requiere ayuda en esta empresa, es probable que venga de los "variadores de constantes" que ya han cruzado la línea. Por el momento somos los únicos "gemellaristas", pero las cosas no siempre podrían permanecer así.

Por lo tanto, en nuestra opinión, el contexto gemelar debe cambiar por completo el escenario de una estrella de neutrones inestable. Sin embargo, antes de poder proponer un modelo alternativo, debemos estudiar el modelo clásico del agujero negro. Eso es lo que se está haciendo en este largo artículo. Las cosas no se tratan "en orden". En una sección, analizamos cuidadosamente el trabajo de Kruskal, mostrando los errores en su enfoque.

Todo está motivado. En 1960 Kruskal había notado que en el modelo inicial (la "métrica de Schwarzschild") la velocidad de la luz era nula en la esfera en cuestión, la "esfera del horizonte", alias la Esfera de Schwarzschild, y se puso a curar este "mal".

Pero ¿cómo trabajar en soluciones geométricas? ¿Se pueden inventar otras? La respuesta es no. Creo que el artículo muestra claramente el carácter arbitrario de la elección de coordenadas. Por su esencia, una solución geométrica utiliza "coordenadas invariantes", no depende de las coordenadas elegidas. Imagina una burbuja de jabón. Es una superficie. En cierto sentido, es una solución a una ecuación de campo que corresponde al hecho de que la energía utilizada en tensión, para contrabalancear una presión constante dentro de la burbuja, es constante en toda su superficie. A la pregunta:

• ¿Cuál es la superficie que reacciona mecánicamente de manera que pueda soportar una sobrepresión interna?

La respuesta es:

• Es una esfera.

Pero esta esfera, un objeto geométrico, existe independientemente del sistema de coordenadas utilizado para identificar sus puntos. Ahora sabemos que al utilizar un sistema de meridianos y paralelos creamos singularidades polares, puntos aparentemente singulares aunque en realidad no lo son. Son singularidades inducidas por la elección de coordenadas. En el caso de la esfera, por cierto, estas singularidades son inevitables. La figura siguiente muestra una esfera y su sistema de coordenadas de latitud y longitud.

Nota: Podemos mapear una esfera, darle un sistema de marcado con dos parámetros usando solo un polo. Vea las siguientes figuras:

**Primera marca, primera familia de curvas para un parámetro **a obtenida cortando la esfera con planos a través de una línea recta tangente a uno de sus puntos.

Esto se combina con la segunda familia de curvas obtenida al cortar la misma esfera a lo largo de otra línea recta tangente a la esfera en el mismo punto, por ejemplo, perpendicular a la primera.

La esfera, así mapeada, vista desde otro ángulo que oculta su única singularidad.