Horizonte de sucesos agujero negro

Proyecto de telescopio del horizonte de sucesos

El “horizonte de sucesos” es el límite que define la región del espacio que rodea a un agujero negro y del que nada (ni siquiera la luz) puede escapar. En otras palabras, la velocidad de escape de un objeto dentro del horizonte de sucesos supera la velocidad de la luz. El nombre surge porque es imposible observar cualquier evento que tenga lugar dentro de él: es un horizonte más allá del cual no podemos ver.

El horizonte de sucesos oculta, por tanto, la singularidad en el centro del agujero negro, una ventaja para los astrofísicos que se sienten incómodos con la ruptura de las leyes de la física en ese punto. La conjetura de la censura cósmica afirma que todas las singularidades están ocultas por un horizonte de sucesos y que este fallo de las leyes de la física no es observable.

En teoría, cualquier masa puede comprimirse lo suficiente como para formar un agujero negro. El único requisito es que su tamaño físico sea inferior al radio del horizonte de sucesos. Por ejemplo, nuestro Sol se convertiría en un agujero negro si su masa estuviera contenida en una esfera de unos 2,5 km de diámetro.

La estructura básica de un agujero negro consiste en una singularidad oculta por un horizonte de sucesos. Dentro del horizonte de sucesos, la velocidad de escape (vesc) supera la velocidad de la luz (c) y un objeto queda atrapado para siempre. Fuera del horizonte de sucesos, vesc < c y el objeto puede escapar.

Espacio del horizonte de sucesos

En física, un horizonte de Killing es una construcción geométrica utilizada en la relatividad general y sus generalizaciones para delinear los límites del espaciotiempo sin referencia a las ecuaciones de campo dinámicas de Einstein. Matemáticamente, un horizonte de Killing es una hipersuperficie nula definida por la desaparición de la norma de un campo vectorial de Killing (ambos llevan el nombre de Wilhelm Killing)[1] También puede definirse como una hipersuperficie nula generada por un vector de Killing, que a su vez es nulo en esa superficie.

Después de que Hawking demostrara que la teoría del campo cuántico en el espaciotiempo curvo (sin referencia a las ecuaciones de campo de Einstein) predecía que un agujero negro formado por colapso emitiría radiación térmica, quedó claro que existe una conexión inesperada entre la geometría del espaciotiempo (horizontes de Killing) y los efectos térmicos para los campos cuánticos. En particular, existe una relación muy general entre la radiación térmica y los espaciotiempos que admiten un grupo de isometrías de un par que poseen un horizonte de Killing bifurcado, que consiste en un par de hipersuperficies nulas que se cruzan y que son ortogonales al campo de Killing[2].

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En 1784, John Michell propuso que, en la proximidad de objetos masivos compactos, la gravedad puede ser tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. En aquella época dominaban la teoría newtoniana de la gravitación y la llamada teoría corpuscular de la luz. En estas teorías, si la velocidad de escape de la influencia gravitatoria de un objeto masivo supera la velocidad de la luz, la luz que se origina en su interior o desde él puede escapar temporalmente, pero regresará. En 1958, David Finkelstein utilizó la Relatividad General para introducir una definición más estricta del horizonte de sucesos de un agujero negro local, como un límite más allá del cual los sucesos de cualquier tipo no pueden afectar a un observador externo. Esto dio lugar a las paradojas de la información y de los cortafuegos, que animaron a reexaminar el concepto de horizonte de sucesos local y la noción de agujero negro. Posteriormente se desarrollaron varias teorías, algunas con y otras sin horizontes de sucesos. Stephen Hawking, que fue uno de los principales desarrolladores de teorías para describir los agujeros negros, sugirió que se utilizara un horizonte aparente en lugar de un horizonte de sucesos, diciendo que “el colapso gravitatorio produce horizontes aparentes pero no horizontes de sucesos”. Finalmente, concluyó que “la ausencia de horizontes de sucesos significa que no hay agujeros negros, en el sentido de regímenes de los que la luz no puede escapar al infinito”[2][3].

Imagen del horizonte de sucesos de un agujero negro

Los horizontes aparentes no son propiedades invariantes de un espaciotiempo, y en particular son distintos de los horizontes de sucesos. Dentro de un horizonte aparente, la luz no se desplaza hacia el exterior, lo que contrasta con el horizonte de sucesos, en el que, en un espaciotiempo dinámico, puede haber rayos de luz salientes exteriores a un horizonte aparente (pero aún interiores al horizonte de sucesos). Un horizonte aparente es una noción local del límite de un agujero negro, mientras que un horizonte de sucesos es una noción global.

La noción de “horizonte aparente” comienza con la noción de superficie nula atrapada. Una superficie (compacta, orientable, semejante al espacio) siempre tiene dos direcciones normales independientes, semejantes a la luz, que apuntan hacia delante en el tiempo. Por ejemplo, una esfera (similar al espacio) en el espacio de Minkowski tiene vectores luminosos que apuntan hacia dentro y hacia fuera a lo largo de la dirección radial. En el espacio euclidiano (es decir, plano y no afectado por los efectos gravitatorios), los vectores normales luminosos que apuntan hacia dentro convergen, mientras que los vectores normales luminosos que apuntan hacia fuera divergen. Sin embargo, puede ocurrir que tanto los vectores normales luminosos que apuntan hacia el interior como los que apuntan hacia el exterior converjan. En este caso, la superficie se denomina atrapada[1] El horizonte aparente es la más externa de todas las superficies atrapadas, también llamada “superficie atrapada marginalmente externa” (MOTS).