Uno de los aspectos más notables sobre nuestro planeta, si se observa desde el exterior, es que gira. El giro de la Tierra define nuestros días, estableciendo el ritmo fundamental de la vida en nuestro mundo.
La luna también gira. También lo hacen los planetas y todos su lunas. El sol también gira, al igual que todas las estrellas. Incluso las galaxias giran; La Vía Láctea gira a medida que las estrellas se balancean alrededor de su centro en órbitas multimillonarias.
Parece obvio, entonces, que, cósmicamente hablando, todo Giros, pero este hecho básico se vuelve francamente extraño en el caso de giración de los agujeros negros. Resulta que girar es una de las características más importantes para estos monstruos gravitacionales y tiene un amplio alcance de cómo se deleitan en la materia a las formas en que pueden dar forma a la estructura misma de las galaxias.
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El momento angular es el concepto central a comprender al reflexionar sobre los agujeros negros giratorios. Esto es como el impulso con el que está familiarizado con su vida cotidiana (lo que llamamos impulso lineal) pero para un objeto giratorio. Es más fácil pensar en términos de inercia, es decir, lo difícil que es evitar que un objeto gire. Cuanto más rápido sea girando algo, y cuanto más masivo es este algo, más inercia tiene y más difícil es detener su giro.
Angular Momentum es una característica especial de un objeto en que es conservado. En ausencia de alguna fuerza externa, algo que gira por sí solo continuará girando para siempre. Si intenta ralentizarlo o acelerarlo, por ejemplo, agarrándolo, parte de su momento angular se transferirá a usted (o de usted a él) para que el momento angular total combinado entre usted y no cambie.
El momento angular de un objeto depende de su tasa de giro (¡por supuesto!), Su masa y, lo más importante, para nuestra discusión, su tamaño. Los patinadores de hielo proporcionan un ejemplo clásico: arrojan los brazos para comenzar un giro, luego, cuando acerquen sus brazos cerca de su cuerpo, su tasa de giro vertiginosamente skyrockets. Así es como se conserva el momento angular; el tamaño disminuye, Entonces la tasa de giro incremento.
Lo mismo es cierto para las estrellas, que están equilibradas en la cúspide entre explotar hacia afuera debido a su resplandor y colapsar hacia adentro debido a su gravedad interna. Cuando una estrella de alta masa se queda sin combustible, este equilibrio se rompe y el núcleo se derrumba, generando una explosión gigantesca, una supernova, que elimina las capas externas de la estrella. A medida que el núcleo se encoge, también gira. Y si su masa es más de tres veces el sol, el núcleo (que anteriormente era Decenas de miles de kilómetros de ancho) se convertirá en un agujero negro de solo 10 kilómetros de diámetro.
Esta reducción dramática puede aumentar el giro del agujero negro por un factor de varios millón sobre su progenitor estelar más tranquilo para que gire cientos de veces por segundo. Y debido a que se conserva el momento angular, a pesar de que casi todo lo demás sobre la estrella está aniquilado en el nacimiento del agujero negro, el giro se adhiere.
De hecho, solo se pueden usar tres factores para definir un agujero negro: su masa, su momento angular y su carga eléctrica. En realidad, esa carga será neutral o muy cercana a ella, por lo que en términos prácticos, los dos primeros factores son clave.
Debido a esto, esperamos que la mayoría, si no todos, los agujeros negros giren muy rápido.
Es un concepto extraño porque los agujeros negros no tienen una superficie física que pueda girar. Pero dado ese momento angular no se puede destruir, los agujeros negros debe reténlo cuando se forman.
Y esto debe ser cierto para los agujeros negros nacidos de las estrellas, así como los agujeros negros supermasivos que vemos en los centros de grandes galaxias, a pesar de que no entendemos completamente cómo se forman estos gigantes. Y notablemente, en algunos casos, podemos medir estos colosales giros cósmicos.
El truco es darse cuenta de que, si bien el momento angular de un agujero negro no puede simplemente desaparecer, ciertamente puede crecer. El material que cae en un agujero negro agrega su momento angular al sistema, aumentando el giro del agujero negro. Hay un límite teórico para la rapidez con que puede girar un agujero negro; Es un concepto matemático complicado, pero efectivamente ese límite es cuando el agujero negro gira a la velocidad de la luz. Es posible, aunque difícil, medir el giro de un agujero negro por la forma en que se emite la luz del material justo antes de que caiga, y, por ejemplo, el Galaxy NGC 1365 cercano tiene un agujero negro supermasivo central que se ha medido para estar girando en casi este límite.
Pero, por supuesto, se vuelve más extraño. Un aspecto extraño de la teoría general de la relatividad de Einstein es que el espacio -tiempo puede actuar como un tejido, una sustancia en la que las masas están integradas. Einstein predijo que a medida que los objetos masivos giran, arrastran el espacio-tiempo a su alrededor en lo que se llama el efecto lente-thirring, o más comúnmente «arrastre de marco». El efecto es más fuerte muy cerca del horizonte de eventos del agujero negro, su punto sin retorno, y se debilita con la distancia. Es como meter una batidora en un gran tazón de miel; La miel cercana girará junto con la batidora, pero es tan viscosa que unos pocos centímetros apenas se moverán en absoluto.
Este arrastre relativista de marco afecta el material justo fuera del agujero negro profundamente. El material cercano al agujero negro se arrastra junto con el espacio a su alrededor, acelerando robando energía del giro del agujero negro. Este material en movimiento genera un campo magnético fuerte, alimentado por la rotación. Como la materia orbita el agujero negro, Las líneas de campo magnético se terminan, creando vórtices gemelos como tornados. ¡Estos son tan poderosos que pueden alejar la materia del agujero negro y acelerarla a casi la velocidad de la luz! Los astrónomos llaman a estas vigas «chorros», y con agujeros negros supermasivos pueden durar cientos de miles de años luz.
Los astrónomos todavía no están seguros de cómo se forman los agujeros negros supermasivos. ¿Cultivan enormes del material que cae de la galaxia anfitriona aún formadora, o se forman muchos agujeros negros más pequeños en el centro y se fusionan para crear uno enorme? El giro del agujero negro resultante puede decirnos la respuesta. Si se forma a partir de un disco de material infallado, el giro estará cerca del límite, pero si se formó a partir de otros agujeros negros que se mueven en direcciones aleatorias que se fusionan, sus giros pueden cancelarse, dejando un agujero negro final con un giro más bajo. Que no es bastante Eso simple, por supuesto, pero en principio puede ser posible observar agujeros negros supermasivos jóvenes con algo como el telescopio espacial James Webb, para ver si el giro se puede medir y uno de los métodos de formación compatibles o descontados.
Sabemos que las formas supermasivas de agujeros negros se forman y crecen junto con su galaxia anfitriona. A medida que el gas protogaláctico de una enorme nube se derrumba y se une a las estrellas, el agujero negro en su centro ya es enorme y girando rápidamente. Si forma jets, estos arar a través de la materia que caen para formar la galaxia misma, golpeando este material e incluso revirtiendo su curso, lanzándolo. Esto puede apagar la formación de estrellas, limitando cuántas estrellas tiene la galaxia. De esta manera, el giro de un agujero negro afecta directamente el tamaño y la estructura de la galaxia a su alrededor.
No importa cómo los mires, los agujeros negros son extraños. El hecho de que existan y podamos entenderlos en absoluto es, para mí, emocionante y profundo. Vivimos en una galaxia con un agujero negro supermasivo en su centro, y podemos tener nuestra existencia. Eso solo es una razón suficiente para tratar de entenderlos.
