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La fuente de energÍa



LA FUENTE DE ENERGÍA

Uno de los grandes problemas no resueltos de la astronomía es el de cómo se formaron las galaxias. La hipótesis comúnmente aceptada es la de la contracción gravitacional. En realidad, esta hipótesis se enfrenta a varios problemas teóricos y ninguna observación la puede realmente confirmar. Sin embargo, las ideas alternativas se hallan aún menos justificadas teóricamente. La idea de la contracción, a partir de pequeñas fluctuaciones de densidad en la distribución de la materia en el Universo, predice la formación de grandes nubes protogalácticas autogravitantes (es decir, que mantuvieron su estructura por su gravedad interna). Estas nubes, que, como todos los cuerpos celestes en el Universo, rotaban sobre sí mismas, al contraerse por su propia gravedad formaron una concentración de materia en el centro. Se han hecho cálculos en computadoras a fin de simular la dinámica del colapso del gas en este tipo de nubes, y los resultados indican que hay siempre una fuerte concentración central de materia. Por otro lado, esto es lo que se observa en todas las galaxias elípticas y espirales.



Una de lasprimeras ideas que se manejó para explicar el fenómeno de los cuasares fue suponer que eran condensaciones superdensas de estrellas en núcleos galácticos. En estas condiciones, las estrellas podrían chocar entre sí y tales choques liberar así gran cantidad de energía. La densidad requerida para que se produzcan estos choques es de unas 1010 estrellas en un volumen de un año luz cúbico (lo cual representa aproximadamente cien mil veces la densidad en el centro de nuestra galaxia).

No era del todo claro cómo los choques entre las estrellas podrían generar la energía requerida. Por ello esta idea se transformó, en el sentido de que los choques podrían generar estrellas altamente masivas que evolucionasen rápido, explotando como supernovas. Esta idea era atractiva pues se sabía que dichas explosiones generan partículas relativistas y radiación sincrotrónica. Sin embargo, la eyección de partículas relativistas se daría en todas direcciones, lo cual no explicaría la direccionalidad observada en los chorros de material que hemos descrito antes. La alineación casi perfecta de algunos chorros con sus radiolóbulos a distancias de hasta millones de años luz, refleja que la emisión de las partículas relativistas ha sido canalizada en la misma dirección, con una precisión sorprendente durante millones de años.

Una alternativa es que las colisiones produzcan una sola superestrella, que subsecuentemente sigue creciendo por captura gravitacional de otras estrellas, hasta formar una estrella gigante de varios millones de veces lamasa del Sol. La idea de un solo objeto supermasivo está más acorde con la existencia de un eje de simetría —el de la eyección de los chorros— aunque no explica el mecanismo de aceleración de las partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Los primeros modelos de superestrella tomaron en cuenta que, al evolucionar ésta, llegará un momento en que empiece a contraerse y forme un gigantesco pulsar (estrella de neutrones). Al contraerse girará cada vez más rápidamente, de la misma manera que un patinador sobre hielo aumenta su velocidad de giro al contraer los brazos. Durante un tiempo se pensó que la energía radiada podía, de alguna manera, provenir de la energía de rotación de este tipo de superpulsar y que el eje de simetría correspondía al eje de rotación.



En 1916 el astrónomo alemán Karl Schwarzschild obtuvo la primera solución a dichas ecuaciones, para el caso particular de un cuerpo masivo que tenga la forma de una esfera. Esa solución de Schwarzschild se reducía, en primera aproximación, a la ley de gravitación de Newton y, en segunda aproximación, predecía efectos casi imperceptibles, pero que hoy en día han sido comprobados con bastante precisión, entre ellos: la curvatura de los rayos luminosos al pasar cerca del Sol y el corrimiento del perihelio de los planetas. Aparte de estos efectos, todos muy importantes, pero que, por falta de espacio, no podemos examinar con más detalle, la solución de Schwarzschild predecía un fenómeno curioso: si un cuerpo de masa M tiene toda su masa concentrada dentro de unaesfera de radio 2Gm/c2, llamado radio de Schwarzschild (G es la constante de gravitación universal,3 M la masa del cuerpo y c la velocidad de la luz), entonces ningún cuerpo, ni la luz, ni ningún tipo de información, podría escaparse desde el interior de esa esfera.

En el lenguaje de la relatividad general se puede decir que el espacio-tiempo se curva a tal grado que tse cierra sobre sí mismo! Todo lo que está atrapado en ese pedazo de espacio cerrado nunca podrá salir al mundo exterior. Un objeto puede entrar en este agujero negro, pero no podrá escaparse de ahí. La superficie de la esfera cuyo radio es el radio de Schwarzschild, se llama horizonte de eventos del agujero negro; la luz puede cruzar el horizonte sólo en un sentido: de afuera hacia adentro, y nunca al revés. Lo que ocurre dentro del horizonte está eternamente desconectado del exterior, no puede ser visto ni puede influir sobre el resto del Universo.4

Existe una manera más clásica —en el sentido de la física clásica o prerrelativista— y más intuitiva de pensar en estos cuerpos, con base en una idea formulada por Laplace en su libro El sistema del mundo (publicado en 1793). En este libro, Laplace habla de 'cuerpos oscuros' que no dejan escapar la luz. El razonamiento que llevó a Laplace a ese concepto es bastante simple. Sabemos por experiencia que un proyectil arrojado verticalmente hacia arriba alcanza una altura máxima que depende de la velocidad con la que fue lanzado; mientras mayor sea la velocidad inicial, más alto llegará antes de iniciarsu caída. Pero si al proyectil se le imprime una velocidad inicial superior a 11.5 km por segundo, subirá y no volverá a caer, escapándose definitivamente de la atracción gravitacional terrestre. A esta velocidad mínima se le llama velocidad de escape y varía de un planeta o estrella a otros. La velocidad de escape desde la superficie de un cuerpo esférico es [pic]donde M es la masa del cuerpo, r su radio y G la constante de gravitación universal. Es fácil ver en la fórmula de arriba que la velocidad de escape de un cuerpo esférico de masa M será igual a la velocidad de la luz (v = c), si su radio es: rg = 2GM/c2. Este radio se llama radio gravitacional y es exactamente igual al radio de Schwarzschild.

Si en la expresión de arriba sustituimos la masa del Sol (2x1033 gramos), encontramos que su radio gravitacional es de aproximadamente 3 kilómetros. Es decir, que si toda la masa del Sol estuviese contenida en una esfera de 3 kilómetros de radio, éste sería un agujero negro. Para la Tierra, el radio gravitacional es de un centímetro, aproximadamente.

En la época de Laplace, estas ideas quedaron como meras lucubraciones, esencialmente por dos motivos: la primera es que no se sabía si la gravitación actuaba sobre los rayos luminosos (de hecho, en aquella época, ni siquiera se sabía qué era la luz). La segunda es que nadie pensaba que pudiesen realmente existir en la naturaleza cuerpos con semejantes masas y esas dimensiones.

Respecto al primer punto, como ya hemos visto, la TGR predice que la curvatura delespacio-tiempo —que percibimos como atracción gravitacional— actúa támbién sobre los rayos luminosos, y este efecto ha sido medido. Respecto al segundo punto, la astrofísica moderna nos ha dado la respuesta. En particular, la teoría de la evolución estelar predice que las estrellas altamente masivas se transforman en agujeros negros al final de sus vidas. Vale la pena hacer aquí un paréntesis para profundizar un poco sobre este tema.

Una estrella es una enorme esfera de gas incandescente que brilla porque en su centro se producen reacciones termonucleares, o de fusión nuclear. A la temperatura de varios millones de grados que existe en el interior de una estrella, los átomos se hallan totalmente ionizados; es decir, tenemos núcleos desprovistos de sus électrones. Estos núcleos chocan violentamente entre sí y llegan a fusionarse. Al principio son los núcleos de hidrógeno —con un protón en el núcleo— los que se fusionan para formar núcleos de helio. La masa del núcleo de helio es ligeramente menor a la masa de sus constituy
La realidad es que ninguna de estas ideas ofrece una explicación satisfactoria a todo el conjunto de fenómenos observados en relación con la actividad en los núcleos de galaxias y cuasares y, mucho menos, un modelo cuantitativo. Estos modelos tuvieron cierto auge en los años sesenta hasta mediados de los setenta pues se basaban en objetos conocidos: cúmulos densos, explosiones de supernovas, etc., aunque fuesen extrapolados a extremos desconocidos.

Todo esto se daba en contraposición a una idea que en esa época parecía inaceptable por extravagante y descabellada, para decir lo menos. Esta idea —formulada independientemente en 1964 por dos astrofísicos soviéticos, Zeldovich y Novikov, y uno norteamericano, Salpeter— era que en el centro de los cuasares y losnúcleos activos de galaxias había un gigantesco agujero negro. La energía debía generarse por la caída de material al hoyo negro. Esta idea, hoy ampliamente desarrollada, es, con mucho, la más aceptada por la comunidad astronómica. Esto se debe a que, por un lado, provee un modelo teóricamente sólido para explicar cuantitativamente casi todos los fenómenos observados, y, por otro, las observaciones la confirman cada vez con mayor certeza.





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