2.Astrofísica : Estructura actual del Universo. Universo observable y no observable . Evolución futura del Universo.
2.1.Estado actual del hemiuniverso material.
a) Las estrellas : - Estructura y clasificación ( estrellas amarillas, azules, gigante roja, enana blanca, estrella de neutrones (límite de compacidad) , estrella púlsar , agujero negro estelar). Estrellas variables Cefeidas (Leavitt). Novas, supernovas e hipernovas.
La superficie esférica de bosones dio lugar a dos superficies, una de materia y otra de antimateria, que a su vez adquirieron grosor (o tercera dimensión local) para más tarde originarse dominios materiales que se separaron por acumulación de diferencias microscópicas (aunque se produjeron diferencias locales o asimetrías debido a la distribución aleatoria o estadística de partículas con distintas masas-velocidades de lanzamiento, globalmente existía simetría y uniformidad). Estos dominios serán las “nebulosas” que formarán las futuras protogalaxias y más tarde las galaxias. Dentro de estos dominios , existieron pequeños subdominios que se condensaron en sus centros de gravedad para originar la primera generación de estrellas a medida que se formaron las galaxias. Esta primera generación de estrellas se formó a la vez que las galaxias e inmediatamente posterior a ellas (en la mayoría de los casos). Muchos astros formados de esta manera lograron la ignición nuclear debido a una mínima masa , gravedad y temperatura crítica. Otros se quedaron en el camino sin alcanzar a ser estrellas como las denominadas estrellas enanas marrones o grandes planetas gaseosos (Júpiter, Neptuno, etc) . En función de la masa, las estrellas ejercen una acción gravitatoria mayor en su interior dada por g=(GM/Re3) R , para R, entre el centro R=0 y superficie R=Re .A mayor profundidad, menor gravedad pero la presión radiotérmica es enorme soportando la estrella en su conjunto. Cada capa interna en una estrella se encuentra sometida a la presión gravitatoria correspondiente a toda la masa superior más la presión térmica que iguala (en una estrella globalmente en equilibrio)a la presión térmica interior . De esta clave puede obtenerse relaciones termodinámicas interesantes entre la temperatura y la profundidad junto con la masa y el radio de la estrella, que no precisamos. Cualitativamente, la temperatura de una estrella es mayor a mayores profundidades ya que a mayor temperatura, mayor presión y a mayores profundidades se generan las presiones necesarias para soportar el peso de las masas estelares más externas (aunque la gravedad sea cada vez menor hacia los interiores de la estrella como se puede comprobar según un cálculo gaussiano). La densidad estelar , en base a un modelo de gas denso de plasma, según PV=nRT, de gases ideales, o bien, P=DRT , siendo D , densidad molar, es inversamente proporcional a su temperatura en gases sin presión gravitatoria, pero embotellado en una campana de materia ejerciendo presión gravitatoria, dicha densidad es inversamente proporcional a la cantidad de materia superior presionando, proporcional a la profundidad. Reuniendo el factor inercial microscópico o térmico (temperatura) y el factor gravitatorio (profundidad), como también a mayor profundidad hay mayor temperatura, la densidad debe depender directamente de la profundidad con algún orden superior a 1. Esta condición de altas temperaturas y altas densidades en el interior provoca el escenario ideal para la “fusión nuclear” y para la autoalimentación energética para mantener a una estrella en equilibrio y permitirse el lujo de perder ingentes cantidades de energía en forma de radiación electromagnética (fotones de toda gama de energías) y de masa en forma de partículas fermiónicas (neutrinos de todo orden y de todas las velocidades, protones y electrones, constituyendo el viento solar ; los primeros un viento solar prácticamente indetectable y los segundos sí son detectables registrándose su constante impacto en el planeta y sobre todo en los polos tras su conducción magnética, en los fenómenos de las auroras polares). Análogamente al magma de los astros fríos, el plasma (magma y plasma tienen puntos en común, el primero es muy rico en energía térmica y fermiones de todo tipo de masas pero el segundo es muy rico en energía térmica y en energía radiante pero no tiene átomos en su configuración fundamental sino átomos sobre-excitados con núcleos de hidrógeno y helio desligados de los electrones, en una sopa caliente) circula por el interior de la estrella a modo de corrientes de convección muy rápidas y debido a que los electrones son más rápidos que los núcleos, existe un excedente de magnetismo que constituye el magnetismo estelar que invade toda la estrella y sobre todo su superficie y sus exteriores. Estas corrientes circulan desde el interior a la superficie enfriándose. En este extremo, la suma de la inercia al llegar a la superficie más la falta de presión superior más la acción de los campos magnéticos provocan grandes llamaradas denominadas “protuberancias solares” y en mayor grado expulsando material al exterior, fenómeno denominado “erupciones solares”(expulsando partículas o viento solar). En esta dinámica estelar superficial aparecen zonas relativamente más frías que otras zonas superficiales denominadas “manchas solares” ocasionales. Estructuralmente se ha venido componiendo el Sol en núcleo (altísimas presiones, densidades y temperaturas, donde es más probable la fusión del hidrógeno en helio para dar fotones o donde se originan neutrinos de manera que la antigüedad de una estrella se mide por la proporción de hidrógeno frente al de helio, como es lógico). La zona intermedia de la estrella está provista de corrientes de convección radiales que llevan material caliente desde el núcleo hasta la superficie o fotosfera arrastrando una ingente energía térmica que se libera en forma de radiación o fotones libres en dicha fotosfera y en la corona solar relativamente fría ( de miles de grados). Las transformaciones energéticas son: Energía gravitatoria-inercial (térmica) se transforma en energía nuclear con liberación de energía radiativa que se transforma en térmica (forma un ciclo) donde parte la atrapa la materia del plasma para transportarse lentamente hacia la superficie y en el fotoplasma se libera en forma de radiación, pero esta vez libre hacia el espacio exterior. Sin embargo, en la producción de neutrinos, estas partículas se entremeten entre la materia y la radiación, sin ser perturbados, saliendo de la estrella sin apenas interferencias ni colisiones hacia el exterior llevándose energía mucho más rápidamente que los fotones, a pesar de que en pleno espacio libre los fotones superan en velocidad a los neutrinos. Este fenómeno se denomina “desacoplamiento electromagnético de los fotones desde la materia” , fenómeno que viene produciéndose desde el mismísimo origen del Universo.
Una estrella en equilibrio gravito-termodinámico es el estado más común en todo el Universo. Pero el combustible hidrógeno va transformándose en helio y otras series de transformaciones nucleares y va gastándose, disminuyendo el nº de fusiones y bajando la presión termodinámica interna pero manteniéndose la presión gravitatoria superior. En el interior de una estrella, los valores de presión y temperatura del núcleo comparados con las zonas intermedias no deben ser muy lejanos porque debemos contar con que la misma materia plasmática con sus corrientes de convección uniformiza las temperaturas y las presiones así como las densidades (el interior de una estrella no es exactamente un gas ideal, es un fluido hipercaliente con cierta densidad debido a la gravedad, se acerca más al magma que al gas ideal). Por esto, cuando baja el aporte de energía térmica por fusión nuclear, esta bajada de temperatura se produce casi en toda la masa interna. Comienza un proceso de contracción por parte de la estrella para volver a adquirir un nuevo estado de equilibrio pero con un radio menor , menores temperaturas y presiones internas. Esta contracción se produce desde las zonas superiores hacia las inferiores de forma brusca al encontrase todo un interior con menores valores mecánico-termodinámicos de temperatura y presión. Se origina un colapso estelar donde las capas superiores caen al centro por gravedad produciéndose una contracción momentánea de la estrella para dar lugar a una implosión de la zona central y una explosión de la zona circundante más externa (debido a la interacción electromagnética e inercial de repulsión de todo frente a todo). En tal frenado ( como en el bote de una pelota donde dicha pelota y suelo se ejercen fuerzas normales repulsivas que los hacen separarse mutuamente) una esfera interna de estrella es impulsada a contraerse más aún hacia el centro mientras que la zona externa es impulsada a expandirse hacia el exterior (tercer principio de la dinámica). Microscópicamente, la energía gravitatoria-térmica iniciales se transforma en nuclear y en radiación muy intensa desde la esfera interior, ya que el interior se ha contraído tanto que sus partículas se han acercado bastante unas a otras: Los protones y neutrones se han acercado hasta la distancia de confinamiento nuclear fusionándose para formar núcleos más pesados, los protones y electrones se han acercado para formar átomos de hidrógeno (en estos casos formarían enanas blancas) y en el caso extremo de que tales protones y electrones se acercaran a distancias de confinamiento nuclear, se formarían neutrones (en este caso se generaría una estrella de neutrones hiperdensa a modo de hipernúcleo atómico , dando lugar en caso más extremo aún a enanas negras o agujeros negros estelares) , liberando fotones en todos estos procesos que formarían una intensísima radiación que observada desde el exterior se vería como una magnífica explosión denominada “nova” en menor rango (en la formación de enanas blancas ) o “supernova” en mayor rango (en la formación de estrellas de neutrones). En la capa externa se ha producido un incremento de la energía cinética tanto global (explosionando hacia fuera) como microscópica (calentándose e incluso emitiendo fotones). Dependiendo de la cantidad de energía implicada en este proceso (y de la masa del astro) el destino de la estrella que muere o se transforma será uno u otro. En la implosión se generan núcleos muy densos y en la explosión se generan cortezas externas de materiales más fríos que se proyectan hacia los exteriores violentamente repartiendo materia (con su energía térmica implícita) y radiación que se escapan al espacio. La emisión de energía es espectacular y ocurre puntualmente en la historia natural (pero suele durar meses o años,) iluminando el firmamento con una energía que equivale en términos de intensidad a la de la propia galaxia a la que pertenece. Este proceso puede ocurrir en el núcleo de una galaxia con análogo procedimiento y, entonces, se suele denominar “hipernova” mucho más raro pero asombrosamente más energético. En tal hipernova, el núcleo galáctico se contrae formando un “hiperagujero negro galáctico”, que es un residuo fruto de la evolución en la formación de la galaxia (núcleo de gran masa central, con centro o agujero negro y corteza que son los brazos y halos galácticos exteriores) ocurriendo una sola vez en ella. Análogamente, este hecho ocurrirá una sola vez en el centro del Universo cuando el hemiuniverso antimaterial implosione en su marcha hacia dicho centro con un rosario de aniquilaciones materia –antimateria mucho más tarde , como ya se describirá, según el modelo esférico del Universo (es la Suprahipernova).
Otras clases de estrellas son las “estrellas púlsares” que son unas estrellas de neutrones que en el proceso de formación (en la contracción brutal que hemos visto anteriormente en la supernova) ha adquirido una aceleradísima rotación sobre sí misma. Para que la estrella gire a tan alta velocidad de rotación y mantenga su compacidad, no basta con la atracción gravitatoria sino que se necesita una interacción más fuerte, es decir, la interacción electronuclear por lo que se trata de estrellas de neutrones que forman un núcleo astral de neutrones unidos por interacción electronuclear fuerte y en tal caso con altísimas densidades por lo que son agujeros negros. Forman agujeros negros con una superficie de frontera de sucesos de Schwarzschild , según la masa de los mismos ,como veremos en el capítulo correspondiente. Al girar a velocidades enormes, sus cargas eléctricas forman círculos que generan campos magnéticos intensos de estructura análoga a la de cualquier astro esférico en giro. Las partículas cargadas que vienen del exterior son enviadas a los polos de dicho astroimán, separadas según son positivas o negativas, de forma que forman espectaculares chorros de partículas o “erupciones continuas (jets)” a altísima energía (suelen ser protones y electrones, si hubieran núcleos de diversos elementos por los alrededores, también) , que constituyen los conocidos “rayos cósmicos” que llegan a la Tierra y chocan con la atmósfera originando la fenomenología que todos conocemos (formación de piones, muones, instantáneos).Los rayos cósmicos adquieren enormes energías en su origen al salir de las estrellas a altísimas velocidades pero los campos magnéticos que conducen su dirección en trayectorias curvas no les aportan velocidad (los campos magnéticos solo modifican la dirección de la velocidad pero no alteran el modulo de la misma). Las estrellas púlsares no solamente giran sobre su eje sino que el eje puede estar girando alrededor de otro eje perpendicular, de tal suerte que los chorros de partículas los va repartiendo en distintas direcciones del espacio de forma asombrosamente periódica. Desde la Tierra, vemos el parpadeo de estas estrellas (por eso se denominan “estrellas pulsantes”, porque las vemos pulsar o tintinear, cada vez que su eje se orienta hacia nosotros, periódicamente). Otro tipo de estrellas son las estrellas pulsantes “radiales” o estrellas Cefeidas (las primeras de este tipo fueron descubiertas por J.Gooddricke) que consisten en estrellas que no han terminado su implosión y explosión en una nova, no llega a la nova, y su masa se encuentra oscilando entre un estado contraído y otro dilatado alrededor de un tamaño o radio intermedio, es decir, están pulsando radialmente. H.S. Leavitt fue la astrofísica que descubrió la relación entre su periodo de oscilación y su luminosidad intrínseca, que eran directamente proporcionales (su superior fue Hubble, quien se llevó todo el mérito). Con la observación de su periodo de oscilación (entre su mínima luminosidad observada y su máxima, correspondiente al máximo radio y enfriamiento y mínimo radio y más calentamiento) se tenía la luminosidad media intrínseca” Io “, con la observación de la intensidad “I” respecto a nosotros (medición de intensidad medida aquí), teníamos la distancia entre tal estrella (y de su galaxia) hasta nosotros. I=Io/R2 .Se trata pues de un buen indicador de distancias astronómicas. Los púlsares se encuentran a distancias enormes y a pesar de ello, detectamos su intensidad relativa aquí en la Tierra, por lo que poseen altísimas intensidades absolutas derivadas de esas erupciones cíclicas polares (son continuas pero las ráfagas se orientan periódicamente hacia nosotros como ya se anotó).Estos agujeros negros rotantes equilibran la inercia con la gravedad y las fuerzas nucleares y poseen más detalles que se verán en el capítulo sobre agujeros negros. El agujero negro es un astro que, por lo visto, tiene la función o propiedad de transportar el material circundante (caso estelar, con estrellas vecinas) ,o bien, del bulbo o núcleo de una galaxia ( caso galáctico, materia difusa, astros, estrellas, protones, electrones , pero ¡no! la materia oscura, por su neutralidad electromagnética) disparándolo radialmente por los ejes polares hacia el exterior a velocidades enormes (como se demostrará, las partículas al llegar a la superficie de Schwarzschild, alcanzan velocidades cercanas a la de la luz). Los campos magnéticos del astro oscuro solamente conducen a dichas partículas hacia el exterior y los intensos campos gravitatorios aumentan su velocidad al caer tales partículas sobre la superficie frontera de sucesos: Es parecido a un acelerador LHC, pero gravitatorio. La dinámica de protones, electrones, fotones y neutrinos (materia oscura), se verá en el apartado sobre agujeros negros estelares y galácticos.
-Producción de fotones.
El origen de una estrella se produce cuando el material del dominio pregaláctico se condensa en puntos de centros gravitatorios (subdominios de extensiones no muy grandes de partículas) para estrellas de primera generación o en centros de nebulosas originadas por los restos de supernovas (estrellas de segunda o de otras generaciones).Toda la energía mecánica (cinética y potencial gravitatoria) de los materiales primigenios de tal acreción gravitatoria se transformó en energía cinética que tras las incontables colisiones generaron partículas (protones y electrones) de altísimas velocidades y, por tanto, núcleos astrales de altísimas temperaturas, escenario idóneo para la fusión nuclear. Esta fusión consiste en protones y electrones que confluyen en un punto para vencer repulsiones eléctricas y tras acercarse más de la distancia de confinamiento nuclear natural, forman el núcleo atómico expulsando la energía sobrante en forma de “fotón” que es un bosón que viaja a V=C en el espacio vacío o en el espacio intermaterial. Sin embargo, la historia no es tan simple. Los fotones son sensibles a las cargas, es más, su propia naturaleza es la de ser absorbidos y ser emitidos por pares de cargas eléctricas. Su vuelo dura L/C , siendo L la distancia de separación entre dos pares de dichas cargas, la emisora y la receptora. Dentro del Sol es difícil mantener la identidad fotónica o imposible. Solamente los fotones que son emitidos en la superficie estelar son los que saltan al espacio a la velocidad real C. Junto con los fotones, se emiten protones y electrones muy energéticos , amén de neutrinos a partir de una sola partícula exótica con exceso de masa (muones).Una estrella es un sistema material donde están mezclados los fermiones (protones, neutrones ,electrones y neutrinos ) con más o menos energía térmica, la cual se transforma cuánticamente y recíprocamente en energía radiante, manteniendo un equilibrio en tales interconversiones energéticas. En la superficie de las estrellas se produce el desequilibrio: La energía térmica da paso solamente a la radiante que ya puede escapar libremente hacia las extensiones vacías del espacio radiando energía, enfriando la estrella en su superficie y calentando todo objeto que se cruce en los haces de fotones (en estos cuerpos, como nebulosas o astros diversos, se produce el fenómeno inverso, pues, los fotones son absorbidos por la materia en dichos cuerpos , calentándolos, paso de radiación a energía térmica). En cuanto a la producción original de fotones, estos se produce inicialmente en los procesos de fusión internos dentro de la estrella con formación de núcleos de manera que la diferencia entre las masas de los núcleos iniciales (hidrógeno) y finales( helio),o defecto de masa D=Minicial-Mfinal, es un indicativo de la energía producida . 2 H ……. He + Fotón . Energía fotón= D C2 (Einstein)
–Producción de neutrinos (interpretación de la aparente oscilación de neutrinos).
Dentro de la clasificación de las partículas fundamentales tenemos los bosones que solamente existen viajando a la velocidad lumínica y los fermiones con presencia física en reposo (poseen masa en reposo) que viajan en el tiempo-espacio a una determinada velocidad dependiente de la energía cinética. Los fermiones pueden tener carga eléctrica de manera que sus saltos energéticos son transportados por los mencionados bosones como los fotones y dichos fotones pueden materializarse para generar fermiones de una amplia gama de energías/masas. Existen otras partículas materiales sin carga eléctrica cuyo origen está en la desintegración de partículas fermiónicas altamente inestables que muy rápidamente se estabilizan expulsando las partículas protagonistas de este apartado : Los neutrinos. El origen histórico del término “neutrino” lo encontramos en el físico Pauli , que sospechó su existencia en el análisis de la desintegración del neutrón libre (que es inestable fuera del núcleo atómico con una vida media de unos 15 minutos) debido a que las cantidades de movimiento de las partículas intervinientes (neutrón, protón y electrón) aparentemente no se conservaban. Propuso la existencia de una pequeña partícula (la de menor masa encontrada, mucho menor que la del electrón) neutra que hiciese cuadrar los principios de conservación. Desde entonces, se han encontrado (además del neutrino electrónico de Pauli), el neutrino muónico de mayor masa y el neutrino tauónico de mucho mayor masa, todas partículas estables y con masas de reposo bien definidas , aunque naturalmente, con masas inerciales de movimiento totalmente variables y dependiente de la velocidad con que surge de la desintegración, cumpliéndose la ecuación de Einstein : m(v)=mo/Raiz(1-V2/C2) . La energía total correspondiente será : E(v) =moC2/Raiz(1-V2/C2) . Esta ley es clave para comprender el espectro de partículas y energías de los neutrinos producidos por una estrella como el Sol . Cuando se produce una partícula con alta energía en el corazón de las estrellas esta se transforma en otra más estable de menor masa expulsando neutrinos en proceso de descomposición donde deben cumplirse la conservación masa-energía, la carga eléctrica y la cantidad de movimiento, causa por la cual se descubrieron los neutrinos. Los neutrinos producidos pueden ser de tipo “electrónico” (de masa inercial mucho más pequeña que el electrón ) para pequeñas variaciones de masa o cantidades de movimiento , o bien, de tipo “muónico” ( de masa menor que el electrón) o ,en extremo, de valores másico-dinámicos mucho mayores , pueden ser neutrinos tauónicos ( de masa mucho mayor que el electrón). Se determinó la producción de neutrinos electrónicos en el corazón del Sol que , tras su viaje a grandes velocidades , llegaría hasta la Tierra donde se intentaría medir dicho flujo. El denominado “problema de la transformación de los neutrinos u oscilación de neutrinos ” expresa la discordancia entre las medidas de flujo neutrínico tipo electrónico que se debería producir en el corazón del Sol y el medido aquí en la Tierra donde se mide un flujo mucho menor. La primera hipótesis que intenta explicar tal incoherencia nos dice que los neutrinos electrónicos se transforman en muónicos y tauónicos durante el traslado de los mismos hacia la Tierra (tales tipos de neutrinos, el muónico y el tautónico, no son registrados aquí en la Tierra por el mismo método que el tipo electrónico produciéndose un defecto de neutrinos electrónicos en tales medidas). Tal hipótesis parece sorprendente ya que una partícula material fermiònica estable libre que sale a cierta velocidad del Sol, se trasforme en otra de mayor masa. Esto supone que la energía cinética de dichas partículas se transforme en energía inercial de reposo, fenómeno no observado en los experimentos. Como mucho, se conoce (experimento de Bertozzi ) la transformación de la energía en masa inercial de movimiento pero no que se materialice en partículas nuevas de mayor masa de reposo. Este artículo propone otra hipótesis que se basa en que la discordancia entre las medidas del flujo de neutrinos electrónicos solares y los medidos aquí en la Tierra tiene como fundamento en que realmente, la producción de neutrinos en el Sol no son al 100% de tipo electrónico sino la población de neutrinos producidos en el Sol se reparte en los tres tipos de neutrinos y, por tanto, ya se produce la distinción desde el primer momento. El error estaría en que la producción de neutrinos no se refiere al tipo electrónico al 100% sino que hay un porcentaje reservado a los otros tipos. Los tres tipos de neutrinos partirían desde el corazón del sol y todos viajarían por el espacio independientemente hasta llegar, por ejemplo, a la Tierra. Figura nº 43
Veamos el origen de los tres tipos de neutrinos. Cuando una partícula de alta energía (muy inestable por existir demasiada concentración de energía interna en un punto) se transforma en otra de menor energía, conserva la carga eléctrica y la diferencia de energías se transforma en energía inercial de nuevas partículas neutras.
Partícula original inestable alta energía…… > Part. Final más estable menor energía + Neutrino
Este proceso de emisión debe cumplir los principios de conservación masa-energía , de conservación de la carga eléctrica y la cantidad de movimiento , amén de que este sentido es el más probable, el de la dispersión en el espacio .Si la diferencia de energía es tal que no llega a formar ni un neutrino electrónico la energía se invierte en cinética o térmica pero esto es bastante imperceptible porque el neutrino electrónico tiene una masa casi nula, y el mínimo exceso de energía interna de una partícula se traduce en neutrino electrónico como mínimo sea de reposo o con alguna velocidad . En este más probable caso de llegar a materializarse en un neutrino electrónico ( E = me c2) ,instantáneamente, se forma tal neutrino pero se queda en reposo dentro de la estrella o bien para su casi improbable reabsorción (captura neutrínica) pues los neutrinos tienen bajísima probabilidad de absorción como ya se sabe. Forma un tipo de materia insensible a los fotones aunque sí a la gravedad denominada materia oscura(o, al menos, sirva de hipótesis dicha candidatura). Si la energía supera esta energía equivalente a la masa de reposo del neutrino electrónico, esta ya se invierte en energía cinética para dar velocidad de huida al neutrino hacia el exterior de la estrella, según : Ec= (m-mo)c2 , siendo m la masa inercial en función de la velocidad adquirida (energía inercial total E=mc2) y mo, la masa inercial en reposo propia y universal del neutrino electrónico. No hemos tenido en cuenta el efecto gravitatorio (energía potencial gravitatoria del neutrino). Cuando el neutrino adquiere cierta velocidad igual o superior a la velocidad de escape gravitatoria en el interior del Sol donde se formó , el neutrino se va al espacio y si es inferior, queda atrapado en el campo gravitatorio de la estrella de tal manera que oscilará alrededor de ella en un movimiento oscilatorio periódico hasta ser reabsorbido en una absorción neutrínica.
Mientras no es absorbido, el conjunto de todos los neutrinos forman un enorme haz de partículas neutras (geométricamente forman haces radiales constituyendo una esfera material de muy baja densidad que rellena el espacio ) dando lugar a la materia oscura alrededor del centro de la estrella ( también alrededor del centro de una galaxia) , y este centro se encuentra atrayendo tanto a la propia materia oscura como a la materia luminosa corriente. Si la energía desprendida que da lugar al neutrino equivale a la masa de reposo del siguiente nivel, entonces , formará un neutrino tipo muónico de tal manera que si la energía es aun superior a esta los neutrinos muónicos adquirirán movimiento de huida. Igualmente, si iguala o supera a la velocidad de escape, escaparán y sino, permanecerán oscilando alrededor del centro atractivo de la estrella. Análogamente, si la energía desprendida es igual a la de un neutrino tauónico, ocurrirá algo parecido a los demás neutrinos. Por esto, como los saltos energéticos de las partículas inestables a las estables dentro del Sol en la formación de neutrinos son muy diversos (estadísticamente se recorrería todo el espectro de energías desde el neutrino electrónico al tauónico y con velocidades diversas), se obtienen diversos tipos de neutrinos con diversos tipos de velocidades pero los neutrinos más frecuentes captados desde la Tierra son los que alcanzan cierta velocidad para llegar a ella y seguirán oscilando y regresando a la Tierra para que algunos de ellos, sean captados por los montajes experimentales humanos. La clave está en que todos los neutrinos que se producen en el Sol no son tipo electrónicos y, además, todos los neutrinos electrónicos no llegan a la Tierra (velocidad insuficiente) y muchos de los que llegan pasarán de la Tierra y no regresarán jamás, además, de que muchos otros que llegan y sobrepasan la Tierra regresan a ella millones de veces (antes de la reabsorción). El problema es muy complejo pero no se apuesta porque los neutrinos electrónicos se transformen en muónicos o tauónicos, pues son partículas estables y además, el proceso es incomprensible ( partículas pequeñas se transforman en mayores, a lo sumo, a costa de su energía cinética para no violar el principio de conservación de la masa-energía pero este fenómeno donde la energía cinética de un fermión se transforme en energía de reposo en una partícula más másica, no se ha registrado en los experimentos de física de partículas).
Tenemos la gráfica donde se visualiza el espectro de energías liberadas en la formación de neutrinos junto al tipo de neutrino formado y la velocidad de salida. Por otra parte, los neutrinos formados tienen tres destinos inmediatos posibles: Primero, quedarse en el punto de formación en reposo, ya que la energía en su formación solamente iguala a su energía de reposo E= m c2 (neutrinos inertes). Si la energía es superior, E`>E , saldría con la velocidad justa correspondiente a E´= ( M –Mo)C2 . Si esta velocidad V es menor que la de escape conocida, Ve (radio-posición de salida resp. centro solar) , el neutrino se encontrará oscilando (sale de la estrella, o no, para y regresa, la cruza y así indefinidamente hasta una posible absorción) . Pero si V>= Ve ,saldrá del campo gravitatorio de la estrella para perderse en el espacio (podría formar parte de las inmediaciones de otra estrella). Como ya se indicó, el conjunto de todos los neutrinos atrapados constituye la materia oscura alrededor de esta estrella o una galaxia o de un cúmulo de galaxias aportando compacidad gravitatoria. La producción de neutrinos en la estrella genera los tres tipos de neutrinos (electrónico, muónico y tauónico) con diversas velocidades (según las cuales se quedan atrapados en las inmediaciones o escapan al espacio abierto cruzando todo tipo de sistemas materiales como el propio Sol o los planetas sin interaccionar o absorberse , etc).Haría falta un estudio cuantitativo para fijar los valores en la grafica aportada y predecir con más rigor los porcentajes de neutrinos electrónicos respecto a los muónicos y tauónicos en la mencionada producción de neutrinos en una estrella como el Sol y que logran llegar a la Tierra y ,además, ser captados por nosotros.
-Los sistemas planetarios y los cúmulos globulares ( estrellas dobles). Exoplanetas.
Un sistema planetario está formado por una masa mayoritaria central seguida de masas secundarias mucho menores, todos resultados de la acreción gravitatoria de dominios materiales centrales implosionados y dominios materiales explosionados ricos en elementos más pesados originados por fusión extrema en estos procesos (tales dominios se denominan nebulosas planetarias). El astro central o astros centrales de mucha mayor masa donde se ha acumulado la mayoría del material disperso en el dominio global de esa zona suelen derivar en estrellas (solitaria, doble, etc) rodeada de otros astros que no han fructificado en estrella que son enanas marrones sin emisión de luz o grandes planetas gaseosos, seguido de una corte de planetas menores. En el sistema planetario suelen haber varios tipos de astros con diversos orígenes. En la formación original del sistema planetario a partir de la nebulosa o dominio material, podrían formarse por acreción directa la estrella central (o estrellas centrales o no tan centrales donde orbita la más ligera alrededor de la más pesada, o más exactamente, ambas giran alrededor de su centro de masas) y otros astros gaseosos que no llegan a la ignición nuclear como ya se ha anotado. En principio tenemos una estrella rodeada de pequeñas esferas gaseosas. Más tarde, en la evolución de la estrella principal esta explota en una nova expulsando materiales evolucionados desde el punto de vista de la fusión nuclear (hidrógeno, helio, litio, carbono, nitrógeno, etc, etc, etc) los cuales , ya fríos en el espacio ,van formando una nueva clase de astros por acreción gravitatoria, con un material más complejo que a la vez que caen al centro gravitatorio para formar la esfera de estos nuevos astros más fríos, se enlazan químicamente formando los primeros compuestos en esta historia natural. Son pequeños planetas (mucho más pequeños que los gigantes gaseosos de composición simple) que evolucionarán desde esferas incandescentes hasta el carácter de “planetas rocosos”. A partir de aquí comienza la historia geológica de estos planetas dotados de núcleo sólido (o a punto de serlo, tras un mayor enfriamiento por radiación hacia el exterior) como hierro y níquel, con manto de material líquido o magma con corrientes de convección (compuestos como silicatos) y al final de esta fase, la superficie empieza a solidificarse primero, al ser la parte más fría de toda la masa (a grosso modo ,la estructura de estrellas, planetas grandes gaseosos y planetas rocosos pequeños, es bastante análoga) pero debido a la presión geotérmica interior, esta no deja solidificarse a tal superficie o corteza de forma continua sino que forma “placas litosféricas” por cuyas rendijas se deja escapar material incandescente (el planeta está geológicamente activo con erupciones y terremotos) . Una vez que esta superficie se estabilice geológicamente, tímidamente aparecerá un material más complejo que poblará la superficie formando una capa de vida o biosfera siendo una rara forma de materia y de energía (compuestos bioquímicos y energía bioquímica) que requiere demasiadas circunstancias especiales para producirse y conservarse, por lo que , aunque se extiende por toda la galaxia, es muy poco común. Es la manifestación más compleja del Universo, más rara, menos abundante y más especial de todas , es la que alberga la mente, sostén de la consciencia, la misma que aprecia precisamente esta gran realidad, la “base del principio antrópico en el que se sustenta toda la Historia natural del Universo”. Es la forma (aunque formas de vida y consciencia tienen que haber muchísimas y diversas a lo largo y ancho de toda nuestra galaxia y de todas las galaxias) que tiene el Universo de conocerse a sí mismo. Estos planetas, ya sean rocosos o gaseosos, no solo existen en nuestro sistema planetario del Sol sino que ya se han empezado a detectar (por los dos grandes indicadores, por el óptico y por el gravitatorio) fuera de nuestro sistema solar denominándolos “exoplanetas” aunque sin garantizar la existencia de vida en ellos (para ello, el planeta debe encontrarse dentro de la “región de posibilidad de vida” que es a una distancia mayor que un mínimo de distancia a su estrella y menor que un radio máximo, para que las temperaturas medias dentro del planeta sean adecuadas, aunque depende de muchos factores como la luminosidad absoluta de la estrella y la existencia de atmósfera en el planeta). Por otra parte, las estrellas de gran brillo consumen muchísima cantidad de energía en poco tiempo, expulsan mucha energía al exterior, se enfrían pronto, con menor duración, teniendo la conocida “regla de Eddington” de que cuanto mayor sea la temperatura y brillo de una estrella, más rápidamente consumen su combustible nuclear y menos duran hasta su muerte o supernova.
b)Las galaxias :Evolución, estructura y clasificación ( esféricas, elípticas, espirales y espirales barradas: Clasificación de Hubble). Cúmulos galácticos. Quásar.
Las galaxias evolucionaron desde la superficie esférica original del protouniverso hasta los dominios materiales que tras condensarse gravitatoriamente formaron las protogalaxias que son gigantescas acumulaciones de material que ya empezaba a rotar sobre sí mismas y a convertir tanta energía gravitatoria e inercial en energía nuclear y térmica, en centros puntuales o primeras estrellas y en el centro más céntrico de cada dominio. En este lugar se condensó una gran parte del material y el resto se dedicó a orbitar alrededor del centro de masas y en todos los planos. Después de innumerables colisiones y de una brutal contracción de tal núcleo (hipernova galáctica) , la pregalaxia se estabilizó en un estado que constituye la estructura actual : El centro pregaláctico se transformó en un agujero negro galáctico (lo más probable que fuera giratorio con campos magnéticos) rodeado de un gran núcleo galáctico con una densidad estelar grandísima que orbita alrededor del centro en muchos planos pero el plano más estable es el propio plano de la galaxia donde las estrellas orbitan sin muchas colisiones (los restos que forman el bulbo giran en otros planos con riesgos altos de colisiones), como los planetas en un sistema planetario, y siguiendo las leyes de Kepler o, de fondo, naturalmente, la ley gravitatoria de Newton. En la hipernova, el material externo fue lanzado radialmente al exterior y mayoritariamente en el plano galáctico formando dos brazos opuestos giratorios que son los actuales brazos galácticos espirales (con dos movimientos compuestos: lentamente se expanden radialmente y giran alrededor del eje de giro de la galaxia). Además, este material se halla en la presencia de materia oscura interastral, que provoca una compactación gravitatoria en toda la galaxia ( como se verá en el siguiente apartado) originando una velocidad angular de giro prácticamente uniforme en el disco galáctico. Por esta razón, el giro del disco galáctico no sigue estrictamente las leyes de Kepler sino una velocidad angular constante derivada de la superposición del campo gravitatorio central (este sí haría seguir a todas las estrellas las leyes keplerianas) más el campo de la materia oscura que inunda los espacios. En todo caso sí se siguen , naturalmente ,las leyes de la gravitación universal newtoniana (véase la materia oscura).Alrededor de los brazos espirales se encuentra el “halo” constituido por muchísimas estrellas que se formaron a la vez que la galaxia en primera generación lo mismo que en los brazos por la hipernova (la edad de halo es de 13200 m.a. y la del disco en sus brazos de 8000 m.a. Asimov). Entre esta materia luminosa o materia electromagnética ordinaria (que se distribuye en forma de nebulosas y astros densos) se encuentra la materia oscura que se organiza en haces en movimiento atrapados gravitatoriamente alrededor de los centros de masas de las estructuras materiales visibles , o bien, sin velocidad adosados a dicha materia ordinaria, acentuando la cantidad de masa efectiva y también aumentando la gravedad de estas regiones. Las galaxias pueden ser de muchas clases y un factor preponderante es su masa. Si el dominio material pregaláctico, casualmente, ha sido poco másico formará condensaciones materiales o astros individuales como planetas gigantes gaseosos o estrellas enanas marrones o ni siquiera formarán astros sino simples nebulosas que serán integradas en otros dominios más tarde o más temprano o bien estrellas masivas con posterior ignición ,supermasivas e hipermasivas. Cuanto más masiva sea una estrella más brillante es y más inestable es, durando cada vez menos hasta su supernova. Para dominios materiales de masas muy superiores o extensas en el espacio (macrodominios o dominios pregalácticos),podrían formarse galaxias irregulares pequeñas (5% de las galaxias) y esféricas mayores Eo o galaxias elipsoidales (estas 5%)achatadas en diverso grado, según velocidad de rotación (E1,E2,E3,E4,E5,E6 y E7 , según la “clasificación de Hubble”) . En todas ellas, el aspecto del disco es bastante sólido donde no se distinguen brazos bien definidos sino todo él es una elipse giratoria sin distinguir brazos o halo. Luego empiezan a distinguirse galaxias con dos brazos opuestos que giran muy juntos o muy separados o compactos distinguiéndose el tipo SO, intermedio entre brazos separados con origen nuclear o con origen en barra. Un grupo tiene origen nuclear con brazos de menos a más separadas según Sa , Sb y Sc, son las espirales con un 75% de presencia (cada vez con brazos más separados y distinguibles). Otro grupo con brazos con origen en barra también con brazo de menos a más separados y distinguibles, son las espirales barradas como nuestra Vía Láctea ( SBa ,SBb y SBc ). Las galaxias irregulares y esféricas con escasa velocidad angular no experimentaron hipernova y tienen poca masa mientras que las elipsoidales de diversa magnitud tienen cada vez más velocidad angular (derivan de protogalaxias más extensas en el espacio). Las espirales son el resultado de una hipernova originando un par de brazos opuestos por explosión opuesta (principio de acción y reacción) dejando implosionado el núcleo para formar un agujero negro galáctico. Las galaxias pueden arracimarse formado cúmulos galácticos que giran alrededor del centro de gravedad en cualquier plano. Esta manera de orbitar puede provocar colisiones intergalácticas al coincidir sus planos de órbita en puntos de intersección, pero raramente, salvo que el cúmulo galáctico sea muy numeroso. Tales colisiones no son como la de los cuerpos habituales porque las galaxias son excelentemente vacías y no están sujetas electromagnéticamente sino gravitatoriamente .Por ello, en una colisión galáctica, las estrellas de una galaxia se entremeten entre los espacios interestelares de la otra con raras colisiones directas entre estrellas pero deformando la estructura o red de estrellas de ambas galaxias. Lo más común es que una galaxia absorba gravitatoriamente a la otra , fenómeno astronómico conocido como “canibalismo galáctico”. Las colisiones intergalácticas empiezan a ser cada vez más frecuente en el hemiuniverso antimaterial ya que este está en evolución contractiva hacia el centro del Universo y las galaxias cada vez están acercándose más. A su vez, los cúmulos galácticos se enraciman formando supercúmulos hasta llegar a los niveles del Universo con una estructura a gran escala que se verá en el apartado correspondiente.
Una de las agrupaciones de estrellas más sorprendentes del cosmos son los “quásares” (nombre debido a que se creía que era un objeto “casi estelar”, casi una estrella, pero resultó ser una galaxia con un hiperagujero negro central superactivo y un magnífico derroche de energía que emite al exterior, la mayor potencia generadora de energía del Universo conocido) que es la versión galáctica del púlsar en las estrellas. Al igual que el púlsar, emite chorros de partículas a altísimas energías origen de los rayos cósmicos y que reparte por todo el espacio. Estos rayos cósmicos tienen una directa conexión con la vida de todos los planetas con vida : Es uno de los motores principales de la evolución biológica porque tales partículas impactan con las cadenas de ADN (o cualquier soporte físico en la herencia biológica de cualquier forma de vida en todos los planetas de todas las galaxias) alterando su contenido genético e induciendo a la transformación y origen de las especies (originan las mutaciones genéticas).La estructura de un quásar es el de una galaxia con su plano galáctico, sus brazos espirales (resultado de la explosión y expansión, en la hipernova ) y su halo (que ya orbitaba alrededor del centro de gravedad antes de la hipernova), junto al núcleo o bulbo galáctico donde se originó . Aquí, en el momento de la hipernova se inicia en la parte de implosión, un superagujero negro galáctico. Dentro del núcleo, las estrellas interiores sirven de alimento al agujero negro de manera que el material cae por intenso campo gravitatorio hacia el mismo. Como en la formación de dicho agujero negro (mal llamado así, pues se trata de una estrella o superestrella que absorbe toda su propia luz y las de alrededor hasta un radio denominado radio de Schwarzschild , dando el aspecto oscuro desde el exterior siendo pues una “estrella negra”) el material rotatorio lento se fue contrayendo para generar un núcleo más reducido pero de velocidad angular mucho mayor (conservación del momento cinético, efecto de la bailarina de ballet) : El agujero negro ha adquirido un movimiento de rotación y por muy poca carga eléctrica residual que posea, se dota de corrientes eléctricas solenoidales centradas en el eje de giro que provocan un campo magnético como el de casi cualquier astro, pero muchísimo más intenso dada la extraordinaria velocidad angular de giro. Cuando las partículas caen al astro negro (y más concretamente a su frontera de sucesos de Schwarzschild) las positivas y las negativas se separan dirigiéndose a cada polo magnético expulsándose violentamente sobre el eje de giro del agujero negro y formando “chorros de materia muy energéticos o erupciones polares” (jets) , base de los mencionados rayos cósmicos. La luz producida por las estrellas satélites que se encuentran fuera del radio frontera de Schwarzschild, al intentar propagarse fuera de esta zona hacia el exterior sufre una bajada de masa relativista o de energía o de frecuencia (o aumento de la longitud de onda), lo que se conoce en física como “corrimiento al rojo gravitatorio de Einstein”(amén del propio corrimiento Doppler por velocidad). Las radiaciones procedentes de esta zona tienen que invertir parte de su energía en energía gravitatoria para escalar huyendo del agujero negro y, por ello, sus frecuencias acusan un fuerte bajón hacia menores frecuencias (y mayor cuanto más másico o denso sea el agujero negro y más cerca de él estén, y siempre fuera de ese límite de Schwarzschild). La absorción de partículas materiales y radiativas por parte del agujero negro tiene lugar mientras hayan tales partículas en los alrededores, cosa que ocurre en tales galaxias cuando son jóvenes y se denominan “activas” (estas galaxias se pueden observar por los telescopios como galaxias muy lejanas que corresponden a sus etapas más tempranas siendo muy jóvenes ; a medida que pasa el tiempo, las galaxias se hacen menos activas por haber menos material que absorber y dejan de emitir, consecuentemente, tales chorros de partículas).Todo esto se verá en el apartado de agujeros negros, de forma cuantitativa. Las energías de las partículas materiales y radiativas expulsadas en los procesos anteriores son brutales (iguales o superiores a supernovas ,entre 30 y 100 veces mayor a la luminosidad de las galaxias comunes, llamando galaxias comunes a las de menor agujero negro y menor giro, para realizar estos espectaculares efectos).El mecanismo es muy parecido a las estrellas púlsares pero estas sí tienen posibilidad de que su eje gire sobre sí mismo presentando tintineos a grandes frecuencias pero un quasar es todo un núcleo galáctico demasiado pesado para girar así. Los quásares son objetos muy distantes a la vez que excelentemente energéticos por lo que aparecen perdidos en la inmensidad del espacio a la vista de los telescopios y radiotelescopios (su luminosidad absoluta es de las más altas pero , visto desde la Tierra, su luminosidad relativa es baja de lo contrario tal magnitud de radiación sería absolutamente destructiva para la vida).Otra razón de que sean objetos distantes es que corresponde a imágenes emitidas hace muchísimo tiempo, que corresponde a luces emitidas a gran distancia, que corresponden a su vez a objetos jóvenes de gran actividad energética. Actualmente, tales galaxias cuásares estarían mucho menos activas aunque más lejanas todavía y la imagen que poseen actualmente la veremos dentro de más tiempo en el futuro.
-La materia oscura galáctica y su presencia (compacidad gravitatoria y rotación).
En el desarrollo de la Astrofísica y a partir de la Teoría del Big Bang , se contemplaban varios futuros alternativos para la expansión del Universo en función de los efectos gravitatorios dependientes de la masa del Universo y los efectos inerciales dependientes de la energía original de la citada explosión inicial. El aspecto más poderoso guiaría al Universo hacia un futuro en expansión sea este universo abierto (expansión ilimitada) o universo cerrado (expansión con paro y retroceso para un colapso universal o Big Crunch).La tendencia “antrópica” , inherente a nuestra especie , movió la atención a buscar algún secreto escondido en el Universo para declinar la balanza hacia un universo cerrado y así tener nuestra casa “recogida” en un espacio limitado y ¡no! tendente a la infinita dispersión ,alejamiento y absoluta soledad de unas galaxias frente a otras convirtiéndose estas en auténticos universos islas como se las conocía de antaño. Si bien este procedimiento es un tanto artificioso al forzar a la naturaleza a comportarse según nuestros deseos, no obstante, por otra parte, resultó un hallazgo curioso el estudio de las rotaciones de galaxias sobre sí mismas o de cúmulos galácticos alrededor de sus centros de gravedad donde tales rotaciones derivan de las atracciones gravitatorias internas. La cantidad de materia visible (hasta ese momento la única real) era insatisfactoria para sostener la compacidad gravitatoria de dichos sistemas de astros (y sus sorprendentes velocidades de rotación anormalmente altas y uniformes con discos galácticos con comportamiento “sólido”). Debe haber algún agente nuevo que escapa a nuestros detectores oculares (que detectan ondas electromagnéticas visibles o luz vulgar) e incluso a nuestros detectores auxiliares (ondas EM no visibles, con nuestros radiotelescopios), que siendo invisibles igualmente aportan interacción gravitatoria .Este fantasma que se deja sentir en la compactación gravitatoria de las galaxias pero no se deja ver era la denominada “materia oscura”(propuesta por Fritz Zwicky,1933). ¿Es un artificio como el antiguo éter en la propagación luminosa o sobrevivirá como parte del edificio teórico de la Astrofísica? ¿Cuál es la estructura de esta modalidad de materia y cuál es su “cuanto” o estructura microscópica en la teoría de las partículas fundamentales? Este artículo abordará el hallazgo astrofísico de la materia oscura y buscará en la teoría de las partículas fundamentales (modelo estándar de partículas) el cuanto de este tipo de materia y sus características microscópicas que expliquen sus consecuencias macroscópicas y ,viceversa, explicando la estructura microscópica de la materia oscura. Esta es precisamente la hipótesis del artículo:” La materia oscura es un enjambre de neutrinos y los neutrinos es el cuanto material de dicha materia oscura”. En primer lugar, vamos a calcular la velocidad de rotación de las estrellas de una galaxia común de brazos espirales. Si la galaxia está constituida solamente por materia visible o también denominada “electromagnética” (que absorbe y emite los fotones, y por ello, podemos iluminarla y verla), esta se organiza ,sobre todo ,en centros muy densos o astros como las estrellas y sobre todo, el gran núcleo galáctico hipermasivo. A su alrededor, tenemos grandes espacios vacíos (sobre todo en las galaxias actuales). El campo gravitatorio es del tipo “kepleriano” o “newtoniano” bien conocido: a=g=GM/r2 . La velocidad de rotación de cualquier estrella alrededor del núcleo a una distancia “r” será a=g= w2r . El resultado es un derivado de la 3º ley de Kepler : w=Raiz(GM/r3) .Como vemos, a cada grupo de estrellas formando una corona a distancia “r” del centro galáctico le corresponde “una velocidad angular “w” “ de rotación distinta. Pero, he ahí el hallazgo de los astrofísicos, que si bien en las cercanías al núcleo galáctico y en el propio núcleo la rotación sí depende de la distancia, a partir de cierta distancia la velocidad angular es la misma para toda la corona de estrellas, como si fuera un disco sólido. Se nos escapa algo. Debe haber una distribución de masas no detectable ópticamente en los intersticios del espacio interestelar . Pongamos por hipótesis una distribución de masas no óptica (que llamaremos “materia oscura” cuya naturaleza queda por averiguar).Podría proponer una distribución discoidal, o bien , esférica de densidad constante aproximadamente. Para acortar tiempo, expongo la hipótesis de una distribución esférica de masas que inunda todo el espacio de la galaxia (ver figura 22A y 22B). Esta distribución de la materia oscura es de estructura contraria a la materia ordinaria: Esta es densa pero puntual en centros astrales ;la otra es muy poco densa pero llena el espacio(como los espacios abiertos son enormes, la masa total de materia oscura es mayor que la materia ordinaria). Calculemos la nueva velocidad de rotación: En el cálculo de la gravedad de esta nube esférica de materia, aplico el teorema matemático-físico de Gauss para geometría esférica y resulta un campo gravitatorio: g=(4/3)pi G d r , siendo “d” la densidad media de la materia oscura” y r ,la distancia de un punto de la galaxia al centro de esta. La gravedad total de la materia visible y oscura: g=GM/r2 + (4/3)piG d r (anexo 3 ) . Igualmente, para astros que tienen ya trayectorias circulares estables alrededor de la galaxia, la aceleración (que es centrípeta) a=g=w2r =GM/r2 + +(4/3) piGd r tenemos finalmente, W= Raiz(GM/r3 + 4/3 piG d ) . La gráfica de esta relación se expresa al margen W=W(r) (figuras 22A y 22B). Se observa que a corta distancia del núcleo galáctico ,el término kepleriano (GM/r3) es más importante dada las cortas distancias y la gran masa del citado núcleo amén de la baja densidad de la materia oscura. Estas zonas son de gran rotación comparada con el resto de la galaxia. A medida que nos alejamos, el término kepleriano es cada vez menor y más insignificante y los astros van girando “aproximadamente de forma sólida” todas con velocidad angular uniforme W=Raiz (4/3pi G d) . No solamente por la forma de la gráfica W=W(r) sino por los valores concretos y altos medidos de dichas velocidades angulares (derivado de un aceptable pero existente valor de “d” de materia oscura), debemos admitir la existencia de materia no observable ópticamente. Pero ¿porqué no es observable y porqué esa geometría esférica y no discoidal como la materia visible alrededor del centro galáctico? ¿Qué origen tiene este tipo de materia? ¿es cuantitativamente influyente?
Debemos investigar en el corazón microscópico de la materia ,es decir, en la Teoría de las partículas fundamentales. Según el modelo estándar de las partículas materiales, la materia estable está formada por las partículas denominadas fermiones estables que en la materia ordinaria son los protones y los electrones. Pero estas partículas no constituyen la materia oscura porque es la base de la materia visible ( la materia visible o electromagnética es aquella que absorbe fotones, separando protones de electrones en un salto cuántico en los átomos, para luego emitir el fotón acercando protón a electrón, y por esto, la materia se hace visible, ya que este fotón se introduce en tu ojo y ves la imagen de los objetos).No obstante, encontramos unas misteriosas partículas descubiertas teóricamente por Pauli en 1930, para justificar ciertas desviaciones en las trayectorias de partículas que transmutaban ligeramente. El ejemplo más relevante es la desintegración del neutrón (inestable en solitario) en un protón y un electrón. Más adelante, se generalizó en la desintegración de partículas de alta energía. Siempre que una partícula solitaria de una determinada masa/energía alta y carga de un signo, muy inestable, se transformaba en otra de menor masa/energía y mismo signo de carga, más estable, siempre había un “neutrino” escapándose (figura 42) . El neutrino, partícula material que existe en reposo (fermión), transporta masa/energía pero no carga eléctrica pues es neutro eléctricamente. Un fotón no altera a un neutrino y un neutrino “ni absorbe ni cede fotones”, es decir, no podemos obtener imágenes de tales partículas ni de sistemas de tales partículas. Los neutrinos son transparentes a la luz y demás ondas EM . Es el cuanto de “materia oscura” .Es el mejor candidato para nuestra misteriosa materia interestelar. Pero como posee masa/energía, por la relatividad general, son susceptibles de ser atraídos gravitatoriamente. Por otra parte, al ser partículas neutras y fundamentales (no tienen estructura interna, son puntuales) su colisión con protones y electrones, o átomos, es altamente improbable (no se desvían por atracción o repulsión con partículas cargadas ni son absorbidos/emitidos por pares de cargas). La única posibilidad extremadamente baja de colisión se podría realizar con dicho protón o electrón “frontalmente” con rebote elástico según una colisión Compton(y esto debido, no a las interacciones clásicas ,sino a la imposibilidad de que dos fermiones ocupen el mismo punto del espacio a la vez, principio de exclusión de Pauli ,interacción puntual de Pauli,riguroso). Por esto, los neutrinos viajan por el espacio libre y cruzan “cuasilibremente” la materia (astros, estrellas y galaxias) prácticamente sin alterarse, sin ser absorbidos. Todo apunta a que los neutrinos son los cuantos de materia de la materia oscura de los astrofísicos. En una galaxia, la producción de neutrinos la encontramos en las partículas de altísima energía que se encuentran en los corazones de las estrellas masivas o supermasivas de las galaxias tanto del núcleo como de los halos exteriores. Estas partículas muy inestables se transforman en otras más estables (y estas a su vez en otras más estables, en una cadena o serie de desintegraciones) emitiendo las partículas neutrínicas de diversa masa (espectro neutrínico ) y diversas velocidades. Sin embargo, la principal fuente de producción de neutrinos lo habíamos tenido desde el origen del Universo, en las primeras partículas superenergéticas y superinestables que decayeron en otras en una serie de desintegraciones (hasta terminar en los protones y electrones estables actuales) donde se formaron ingentes cantidades de neutrinos de todos los tipos (de diversa masa interna y de diversas velocidades) que se fueron “alojando” al lado de la materia ordinaria (o en el lado antimaterial en la antimateria). Según la energía desprendida por tales partículas inestables, nuestros neutrinos, pueden salir de las estrellas en una gama de velocidades-masas y direcciones muy amplia. Algunos neutrinos de alta velocidad escaparán al espacio exterior galáctico (superan la velocidad de escape); otros se quedan atrapados en forma de satélites alrededor del centro galáctico (tanto satélites curvilíneos como elipses o círculos, como satélites radiales, oscilando en línea, pasando por el centro estelar alejándose y acercándose) e incluso alrededor del centro de estrellas masivas ; otros se dirigen a los centros de atracción gravitatoria pero “cruzando las estrellas como si nada, salvo esas improbables colisiones” (si pasan por el centro, se convierten en osciladores gravitatorios). La producción de neutrinos en el centro galáctico o en estrellas no tiene dirección privilegiada: No se produce en la dirección del disco galáctico o en el disco de materia alrededor de una estrella. Los neutrinos salen “radialmente” (probabilística y simétricamente) hacia todas las direcciones del espacio, tanto los neutrinos que se quedan oscilando y pasando por el centro, como los que se escapan(otros se encuentran a baja velocidad e incluso en reposo alojados en la materia “visible¨) : Forman una inmensa esfera de materia “en movimiento” no visible alrededor del centro de atracción (galáctico o estelar o, no mencionado recientemente, centro de cúmulos galácticos). Por otra parte, la emisión de neutrinos desde los centros galácticos o estelares, provoca que la masa de tales centros vaya disminuyendo con el tiempo (aunque con un ritmo muy lento dada la poca masa de estas partículas y, contrariamente, es muy abundante el número de desintegraciones por segundo en tan enormes hornos astrales) y la densidad de los neutrinos que se quedan orbitando (como ya he dicho, porque su velocidad no supera la velocidad de escape desde los centros estelares) va aumentando. Respecto al tiempo que pasa, las desintegraciones internas en las estrellas provocan que las masas de tales estrellas disminuyan (la masa central de la galaxia M disminuye) pero aumentan los haces de neutrinos y la densidad de la materia oscura (aumenta “d”) : En la expresión de la velocidad angular (dentro de la raíz cuadrada) de la galaxia (o una estrella o un cúmulo de galaxias) , el término de Kepler(GM/r3) va disminuyendo lentamente y el término de la esfera sólida de materia oscura (4/3piG d ) va aumentando. Con el tiempo, el centro galáctico va frenando su giro y el disco galáctico va aumentado su velocidad , tendiendo en el futuro lejano a cierta igualdad o normalización. Se anota también, que la justificación de la velocidad angular del disco externo visible de la galaxia está ligada al valor de la densidad promedio de materia oscura cuyo valor no puedo determinar pero puede ser bajo o alto en función de la edad de la galaxia (desde que comenzaron las emisiones por parte de las partículas de alta energía en el corazón de galaxias y estrellas). Tal velocidad angular de rotación o tal densidad de materia oscura son un indicativo de la edad de la galaxia o de la estrella , pues, a mayor edad más cantidad de materia oscura retenible se tiene en el espacio interastral de materia ordinaria. Esta materia oscura no se repele a sí misma como la materia ordinaria, pues al ser partículas neutras pueden aparecer confinadas gran cantidad en poco espacio. Además, la materia oscura o neutrínica no forma estructuras como la materia ordinaria sino “haces de partículas en movimiento” que simplemente rellenan el espacio y atraviesan la materia ordinaria,” como si se tratase” de materia de un universo paralelo que no interacciona apenas con nuestra materia ordinaria (naturalmente, esto es un simple símil).No forman estructuras porque no se atraen ni se repelen electromagnéticamente ni forman átomos, ni enlaces atómico-moleculares. Como mucho, una ligera y ridícula atracción gravitatoria que no llega a nada tangible. Dentro de esos haces de neutrinos los propios neutrinos colisionan entre ellos según el tipo de colisión elástica de Compton, que impide la ocupación de dos fermiones en un mismo punto espacio-tiempo, por repulsión de la interacción puntual de Pauli, conservándose la energía gravito-cinética, sin absorción ni emisión de fotones (de ahí el carácter elástico de tales ccolisiones9, conservándose la energía mecánica interna del haz de neutrinos, hasta que algunos de ellos, escasamente, colisione con un fermión de la materia ordinaria. Se recuerda, por último, que el carácter de “materia oscura” de estos haces de neutrinos se debe a que los fotones son frutos de emisiones protón-electrón ( o bien, antiprotón-positrón), al saltar estos sobre aquellos, que son partículas con carga eléctrica y tales fotones no se originan a partir de partículas fundamentales neutras. Los neutrinos no poseen carga , solamente poseen masa, y como mucho podrían emitir gravitones, aunque de contenido energético prácticamente nulos dada la extrema debilidad de la interacción gravitatoria y sus cuantos. Así pues, los neutrinos como cuanto de materia oscura, dejan pasar a los fotones y viceversa, no habiendo ni absorción/emisión, ni ningún fenómeno ondulatorio propio de las ondas EM, por lo que más que materia oscura (no tiene aspecto oscuro) se debe denominar “materia transparente”.
Finalmente, dado el carácter neutro de los cuantos de materia oscura para no absorber/ceder fotones y dejarse ver de alguna manera, se podrían proponer otros candidatos de la teoría de partículas distintos de los neutrinos. Por un lado, el neutrón es neutro pero es una partícula compuesta de protón y electrón y se deshace fácilmente (tiempo promedio de 15 minutos) amén que absorbe/cede fotones, dejándose captar. Los fotones, que son neutros, no forman materia oscura ya que excitan nuestra retina directamente o a nuestros aparatos receptores de ondas EM y forman imágenes. Los bosones de las interacciones nucleares solamente existen confinados en tales lugares. Los gravitones podrían competir en autoría de la materia oscura pero se verá en otro artículo el verdadero papel de estas misteriosas e indetectables partículas no materiales.
c)Los agujeros negros (estelares y galácticos) :
-Estructura y evolución de un agujero negro (materia, materia oscura y radiación). Núcleo y muro de fuego : Horizonte de sucesos o de Schwarzschild .Erupciones polares y rayos cósmicos. Desconexión óptica del interior y el exterior (información, entropía y separación en universos tangentes).Fotones y agujeros negros. Consumición del agujero negro (radiación o evaporación de Hawking). Limite de densidad y presión de Fermi.
La historia natural astronómica es una historia de explosiones majestuosas y acreciones o condensaciones periódicas. Comienza con la Gran Explosión que dispersa materia radialmente a los confines del espacio y, en el camino de tanta materia dispersa, la gravedad local se encarga de aglutinarla para formar grandes y pequeños astros con destinos distintos en función de un factor estérico : La masa. Este factor es el determinante para que alrededor del centro de masas de dicha acumulación se cree un campo gravitatorio de valor ,según la teoría newtoniana de la gravedad g=GM/r2 (campo o aceleración de atracción directamente proporcional a la masa central e inversamente proporcional a la lejanía de dicho centro al cuadrado ) .Esta gravedad provoca una aceleración de caída de toda la masa circundante al cúmulo central y tal acumulación es rápidamente creciente atrayendo con aceleración ascendente a todo lo circundante. La espiral provoca la construcción de un astro esférico a costa de la materia dispersa o nebulosa que inunda el espacio. Lo que antes era una nube de materiales finos de bajísima densidad ocupando un enorme espacio ahora es un centro discreto de alta densidad denominado astro. El tipo de astro (meteorito, satélite ,planeta ,estrella, galaxia) depende de la cantidad de masa en cuestión .A mayor masa acumulada mayor aceleración de caída sobre el centro y mayor velocidad mínima para escapar.
Podemos imaginar cualquier cantidad de masa condensada en el astro pero es interesante ver qué le ocurrirían a las partículas más rápidas del Universo en un astro de tal masa cuya gravedad impediría salir a dichas partículas, claro está , a los fotones de luz. El siguiente análisis matemático-físico nos presenta un fotón de masa en movimiento “M” que se encuentra, en principio, a una distancia Ro del centro de ese masivo astro de masa Ma. La energía mecánica de ese fotón es la suma de la energía inercial total que al final es solo cinética , Em= MC2 – G Ma M/Ro . Hay que tener en cuenta que un fotón es un bosón que viaja “siempre” a V=C (velocidad luz) y no tiene masa en reposo Mo=0 (los fotones no existen en reposo) por lo que su energía cinética queda Ec= MC2-MoC2 =MC2 .
La energía potencial gravitatoria es la expuesta en la fórmula de la energía mecánica. Cuando el fotón sube alejándose del centro del astro atractor alcanza otra posición pero a cambio de ganar altura y e. potencial, pierde cinética. Pero ,¿De qué manera pierde energía cinética una partícula cuya naturaleza es viajar a velocidad constante máxima y única de 300 000 km/s? No es una partícula material que a medida que gana energía potencial gravitatoria pierde velocidad y e. cinética. Por el contrario, los fotones pierden energía perdiendo masa asociada de movimiento y frecuencia de onda , es decir, va desde M en la posición Ro hasta M´en la nueva posición R . La energía mecánica final es de : Em ´= M´C2 –GMaM´/R . Igualamos las energías mecánicas en ambas situaciones : MC2-GMaM/Ro = M´C2 –GMaM´/R . Esta igualdad en la energía total del fotón es correcta en fenómenos continuos donde los campos no son muy intensos. O bien, M(C2 – GMa/Ro) = M´(C2-GMa/R) .Dicha expresión la dejaremos en función de la frecuencia del fotón inicial y final, introduciendo, M=E/C2 = h v/C2 , siendo “h” la constante de Planck y “v” la frecuencia del fotón, siendo E= h v , la ley cuántica de Planck y E=MC2,ley energética de Einstein. Finalmente, queda la expresión de la frecuencia del fotón recibida “v´” a una distancia final R, en función de la frecuencia de salida del fotón “v” a una distancia inicial Ro: v´= v (C2-GMa/Ro)/ (C2-GMa/R) Observamos que a medida que sube el fotón huyendo de la masa central (de cualquier estrella y mucho más de un agujero negro) , R mayor que Ro, la frecuencia final es menor que la inicial. A este fenómeno se le conoce como “corrimiento gravitatorio de la luz hacia el rojo de Einstein”. Podemos ver que el factor de salida C2-GMa/Ro = 0 supone que en ningún lugar posterior existe fotón ya que v´=0 . Este lugar especial tiene posición, Ro*=GMa/C2 desde la cual o a distancia menor que esta, no progresan los fotones más allá. Se trata de una frontera especial de la estrella central hasta la cual, los fotones quedan retenidos en el interior de dicha distancia .Si esta distancia R* es menor que el radio de la estrella,entonces, la estrella sí puede emitir luz desde su superficie (los fotones de su superficie salen hacia fuera aunque con frecuencias más reducidas por el enorme campo gravitatorio de la enorme masa de su propia estrella) pero si esta distancia R* es mayor que el radio de la propia estrella, toda la masa de la estrella está dentro y no podrá emitir fotón alguno, teniendo por ello una “estrella negra” con aspecto de agujero negro.Ningún fotón de ninguna clase de frecuencias sale de ahí. No podemos recibir información por la vía habitual de la luz o las ondas electromagnéticas del interior de dicha esfera de radio Ro*. A esta frontera se la suele denominar “frontera de sucesos” porque no podemos percibir información de los sucesos que ocurren dentro. El Universo se ha dividido en dos, respecto a la capacidad de información. Dicha distancia especial Ro se denomina “radio de Schwarzschild” para un agujero negro no giratorio y con corrección relativista. Es el radio de dicha esfera Ro*=GMa/C2 que separa lo visible de lo invisible en los alrededores de la estrella y es notorio cuando la masa Ma de la misma es sumamente elevada. ¿Qué ocurre con un fotón que sale un poco más afuera de esta esfera de Schwarzschild ? Veamos un fotón que sale de las inmediaciones y viaja a un lugar prácticamente infinito como por ejemplo hacia nuestra Tierra donde existen telescopios intentando observar esta estrella y sus alrededores. Para R=muy grande, queda v´=v(1 –GMa/(C2Ro) ) .Otra vez, para Ro=Ro* , la frecuencia v´=0 ,como ya es sabido. Pero para Ro mayor que Ro* , la frecuencia de llegada a la Tierra (o al infinito pues los fotones fuera de ese radio R* siempre escapan al infinito salvo ser absorbidos por el camino) se reduce en el conocido efecto de corrimiento al rojo. Para fotones que parten desde mayores lejanías (para mayores Ro) de la estrella o agujero negro , llegan a la Tierra con menor distorsión o corrimiento al rojo(a mayor Ro mayores v´ pero en todo caso menores que la frecuencia de salida que “v”) . ¿Qué ocurre con la luz dentro de dicha frontera de sucesos , en la misma frontera y en los alrededores? ¿Y con la materia? Estas preguntas nos invitan a reflexionar sobre la estructura de los agujeros negros amén de su evolución a medida que se dedica a tragar materia y luz desde el exterior. El comportamiento de la luz o de todas las ondas electromagnéticas en los alrededores de una estrella (o extremadamente un agujero negro) es tal que sufre disminuciones de frecuencia al intentar alejarse y aumentos de frecuencia al caer sobre el agujero negro .En tales vaivenes, la luz siempre viaja a la misma velocidad pero sufre variaciones en su energía que es toda cinética pura. Detengámonos en un caso especial :Luz que ,a pesar de viajar a la máxima velocidad natural, cae atrapada en una órbita circular alrededor del agujero negro. Calculemos dicha órbita: F= GMaM/R2 =MC2/R según la dinámica circular para V=C. Volvemos a tener un radio de órbita R=GMa/C2 , el radio de Schwarzschild. Aquella luz (aquellos fotones) atrapada que no podía salir desde esta esfera superficial se encuentra en plena trayectoria circular como satélite (la esfera de Schwarzschild es la única región superficial alrededor de la estrella negra donde la luz se comporta como satélite) y se mantiene estable porque su energía potencial Ep=-GMaM/R es constante y, por tanto, la energía cinética también lo es para que la energía total sea constante. Por lo visto, toda radiación electromagnética que viaje en el exterior de la esfera de Schwarzschild tiene los siguientes destinos: Según la expresión de la frecuencia de salida y de llegada a un punto, la luz puede escapar de la influencia de un agujero negro pero se verá su energía y frecuencia disminuida según el efecto ya estudiado ; puede intentar cruzar la frontera de sucesos pero ya quedaría eternamente atrapada en el interior de la mencionada esfera como radiación satélite .La única posibilidad de propagarse establemente es en círculos dentro de la esfera de Sch. (es el único radio que permite que la luz sea satélite para todas las frecuencias).La ondas luminosas o EM satélites tienen el radio R*=GMa/C2 que como vemos es independiente de la masa de los fotones o su energía o su frecuencia, por lo que dicha esfera de Schwarzschild alberga todo el espectro electromagnético de ondas. Las ondas EM y sus fotones que llegan a pasar por la superficie de Sch. ,al tener en ese momento posición R=R* y la eterna velocidad V=C, están condenadas a mantener su energía potencial y cinética constante y , además, ser satélites en dicho radio de órbita. Además, si calculamos la energía gravito-inercial total, resulta E=MC2-GMaM/R para tal radio R* , resulta E = 0 .Significa que la luz satélite atrapada tiene tanta energía cinética que es la identidad de existencia de la propia luz como energía gravitatoria negativa. Se produce una “esfera de fuego” tal como se describió en una reciente revista de Investigación y Ciencia . En el interior no hay radiaciones pues si hubiera alguna, al final, toparía con esta esfera y se quedaría atrapada ahí, como satélite. El agujero negro no tiene radiaciones estables en el interior de la superficie frontera de sucesos. La única radiación que aparentemente sale del agujero negro hacia el exterior no está originada en el interior sino desde todas las estrellas próximas circundantes (en proceso de absorción por el agujero negro o inminentemente) que al emitir fotones cercanos a dicho agujero negro logran escapar aunque ven reducida bastante sus frecuencias (llegarían a la Tierra con una gama de frecuencias pero sobre todo muy bajas del orden las radiofrecuencias o como mucho microondas detectables por radiotelescopios) , como podemos ver en la expresión indicada en los principios de este artículo (cuanto más cerca del agujero negro salga el fotón de esa estrella vecina y más másico sea el agujero negro, menor es la frecuencia del fotón al llegar a la Tierra a distancias enormes).Quizás se interprete esas radiaciones como las radiaciones de Hawking. Vámonos a la segunda parte del agujero negro: La materia. El origen de los agujeros negros es paralelo a la de cualquier astro solo que el factor masa y ser objeto de implosión en supernovas e hipernovas son los factores que diferencian los destinos de unos y otros. Tanto en el centro de las galaxias como en una superestrella, la acreción de materia provoca una altísima concentración de manera que la gravedad tiende a la implosión de la misma y la energía térmica y radiativa tienen tendencia a la expansión. En la evolución de las protogalaxias, la última etapa de estas consistió en una Hipernova, valga el término, donde el centro de la protogalaxia sufrió una implosión-explosión y toda la materia de la misma adquirió dos destinos : El núcleo supercontraído con mucha masa en poco espacio generará el futuro agujero negro galáctico y la masa dispersada formarán los brazos galácticos que en rotación (la implo-explosión, tuvo un componente de rotación muy fuerte) cada vez más lentos debido a que los brazos crecen(efecto de la bailarina que abre los brazos disminuyendo la velocidad angular), dan la configuración actual a la mayoría de las galaxias (espirales o barradas). Una historia parecida ocurre con las protoestrellas que implosionan-explosionan generando estrella enanas, estrellas de neutrones y agujeros negros estelares, mientras que el material explosionado se dispersa para formar nebulosas planetarias, cuna de la futura corte de planetas alrededor de la estrella. En ambos casos, el agujero negro como condensación extrema de la materia implosionada, tendrá el siguiente destino : De la nube de plasma original (protones, neutrones y electrones), la reducción de espacios y la emisión de energía radiativa sobrante resultará que protones y electrones sufran el proceso contrario a la conocida emisión radiactiva “beta” , de modo que se asocian para formar neutrones y originar una estrella o un centro galáctico de neutrones cada vez de mayor compacidad extrema(la gravedad hace compactar a los neutrones o sistema protón-electrón que hace posible una intensa interacción electronuclear , formando un astro-supernúcleo atómico, con densidades fantásticas). Mientras que en los núcleos atómicos, microscópicos, las fuerzas electronucleares mantienen unidos a los nucleones formando un núcleo esférico hueco (con equilibrio entre la repulsión eléctrica y la alta atracción nuclear fuerte vecinal ), en estos inmensos sistemas materiales del núcleo de una estrella de neutrones de carácter macroscópico o astral , las fuerzas electronucleares siguen manteniendo unidos a todos los neutrones (sistemas protón-electrón ) formando un núcleo esférico inmenso pero menos hueco (con equilibrio entre las fuerzas electronucleares y, aquí, la inmensa gravedad, que es más intensa en la superficie del núcleo que en su interior, que lo más probable es que se encuentre hueco). La gravedad apuesta por la compresión ,las fuerzas nucleares fuertes por la unión y el electromagnetismo por la dispersión entre protones y electrones aunque queda un último agente que evitará el colapso absoluto y un destino prohibitivo en el mundo natural: Tales partículas, neutrones , no se van a condensar por las terribles fuerzas gravitatorias en un solo punto, ni se va a “romper” el tejido espacio-tiempo , ni va a aparecer otra dimensión por donde escapar, ni agujeros de gusano, nada de eso. Es muy simple, los neutrones o sus componentes protones y electrones, “no pueden ocupar el mismo punto en el mismo momento” (principio de exclusión de Pauli de fermiones, en su versión más exhaustiva y puntual , a la mínima distancia distinguible física de Planck) .Protones y electrones son partículas fundamentales y ocupan un punto físico y en ese punto físico no pueden haber dos partículas materiales a la vez(aparece la interacción puntual repulsiva de Pauli ). Este estado donde los fermiones se apiñan en el mínimo volumen o espacio con repulsión final de Pauli es el estado de máxima compacidad física de un sistema material con la máxima densidad material posible donde todas las interacciones atractivas (fuerte y gravitatoria) han vencido a las repulsivas (eléctricas) quedando como última interacción puntual la de Pauli que solamente se dedica a respetar el espacio mínimo de Planck , la identidad de los fermiones y a conservar la energía mecánica de las partículas , las cuales tan solamente podrán colisionar elásticamente, según Compton). No obstante, en la esfera de radiación de Sch. los fotones pueden interferirse en un punto (sumándose en un tiempo de Planck Tp y perdiendo su identidad en tal tiempo) como lo hace cualquier radiación pues son bosones. En este estado de “estrella de neutrones” los fermiones protón y electrón se encuentran tan juntos que desde el exterior tienen la apariencia física de un supernúcleo de neutrones con carga positiva global residual (si tiene más protones que electrones) o negativa (si el balance es tener más electrones).Al llegar tales fermiones a este extremo de compacidad y colisionar en tal interacción pauliana(en esa aproximación cuántica del electrón al protón, se han desprendido muchos fotones energéticos al exterior y con grandísimas energías dada la extrema proximidad final), dicha energía cinética de colisión se conserva (en la interacción Pauli, las colisiones son perfectamente elásticas, sin absorber/ceder bosones) de manera que esa sopa de protones y electrones (neutrones) tan próximos colisionan eternamente entre ellos constituyendo una energía térmica residual (oscilaciones fermiónicas donde se transforman dichas energías cinéticas individuales en energías potenciales electronucleares intercambiándose bosones nucleares) con una presión interna denominada “presión de Fermi” donde se equilibran microscópicamente las fuerzas atractivas (gravitatorias, electronucleares) con las repulsivas (electromagnéticas y más estrechamente, Pauli). La dinámica en este gigantesco núcleo de la estrella de neutrones es el mismo que en un núcleo de un átomo pesado pero con la diferencia que en el núcleo atómico la gravedad es despreciable y tiende a la desintegración nuclear fácilmente (no es posible núcleos grandes microscópicos )pero aquí, la gravedad mantiene unido a este supernúcleo, e incluso cabe la posibilidad extrema de que se realice un último colapso al vencer las fuerzas atractivas a las repulsivas (sobre todo en estrellas hipergigantes de neutrones donde se expulsan a los mismos bosones nucleares apiñándose todas las partículas fermionicas sin espacio entre ellas, a la distancia de Planck quedando con un residuo térmico o sin energía en absoluto (alguna mínima oscilación residual o en reposo absoluto), actuando la interacción de primer orden de Pauli repulsiva para evitar la interinvasión mutua de los fermiones y se viole su identidad. No existe físicamente un cuerpo que concentre todas las partículas en un punto, ni en el nacimiento del Universo (en la hipotética explosión inicial a partir de una singularidad)ni que un astro pueda colapsar en un punto, metiéndose toda la radiación y la materia en “otra dimensión , asunto que Einstein negó, negó que se pueda producir, claro”). Este astro sería un astro térmicamente inerte, sin radiación , con la máxima densidad que permite la naturaleza y con temperatura local y general 0ºK (extremo ideal, pues siempre existe una presión residual de Fermi, con una temperatura residual). Esto en cuanto al núcleo y en cuanto a la superficie frontera ,esta estaría formada por toda la radiación que se ha emitido desde el núcleo que se ha instalado como fotones satélites, además, de la luz que provenga del exterior y tope con esta superficie especial de Schwarzschild(es una superficie electromagnética o de fotones en trayectoria circular). Si una estrella (o parte de su masa a modo de estela material) cayera sobre el agujero negro, al final, la parte de radiación electromagnética que irradia en sentido opuesto al agujero negro escapará al espacio bajo una fuerte caída en su frecuencia (corrimiento al rojo gravitatorio de Einstein) pero la parte enfrentada al mismo caería hacia la superficie frontera de sucesos (bien directamente o lateralmente curvándose, aumentando su frecuencia o desplazamiento al violeta, pero nunca su velocidad) ,o bien, se escapa al espacio (radiación Hawking disminuyendo bastante su frecuencia por corrimiento).Aquí ocurre un fenómeno cuántico-gravitatorio extraordinario: Por la ecuación del efecto gravitatorio sobre fotones, el fotón no debería llegar nunca a la superficie frontera porque en tal caso, llegaría a alcanzar una frecuencia infinita con infinita masa y energía, prohibitivos según los fundamentos físicos.
En estos valores extremos del campo gravitatorio la evolución del fotón deja de ser continua y el valor de su energía gravito-inercial E=MC2-GMaM/R pasa bruscamente a E*=MC2-GMaM/R* = 0 , siendo “M” la masa del fotón, Ma la masa de la estrella negra y R, lugar muy cercano a la superficie de Sch. desde donde salta el fotón hacia tal superficie donde orbitará o superficie de Schwarzschild alimentando a dicha esfera de fuego o frontera de sucesos. El fenómeno deja de ser continuo con conservación de la energía mecánica según expresiones relativistas, para dar lugar a un fenómeno no continuo o cuántico (una vez más la física cuántica es complementaria de la física relativista y ambas de la física clásica).La diferencia entre la energía inicial y la energía final, se va a transformar en el bosón gravitatorio (bosón debido a movimientos relativos bruscos no continuos entre masas) o gravitón de energía Egraviton= E-E* = M (C2-GMa/R) partícula que se va del lugar en dirección tal que se cumplan los principios de conservación de la energía y de la cantidad de movimiento. Lo mismo que el fotón es el bosón transportador de energía electromagnética en un salto no continuo entre un par de cargas eléctricas, el gravitón es el bosón de este bosón ,transportador de energía gravitatoria en un salto no continuo entre el agujero negro y dicho fotón, debido a la masa. Visto de otra forma, la energía total inicial del fotón es Et=Eo+Ec+Ep y final, al caer en la superficie, Et´= Eo´+ Ec´+Ep , pero un fotón no tiene energía inercial interna, el gravitón es Egraviton= Et-Et´= =Ec-Ec´ + Ep-Ep´ = Ec +Ep –(Ec´+Ep´) , pero este último paréntesis es nulo en la superficie frontera quedando pues, lo ya visto Egraviton= Ec + Ep , del fotón en un instante o lugar inicial, tal como hemos visto antes. Por otra parte, el gravitón que sale de este lugar a los exteriores sufre también el “efecto gravitatorio Einstein”, reduciendo su energía-frecuencia que ya es muy pequeña, a valores ínfimos más pequeños aún, y de ahí su indetectabilidad. Recordando que un astro caía hacia el agujero negro, ahora toca ver el destino de la parte material de dicho astro al aproximarse a la superficie frontera (protones ,electrones y neutrones) , sigue un proceso con los siguientes cálculos : Análogamente a los fotones, para fermiones tenemos Et= Eo+Ec+Ep=Eo´+ Ec´+Ep´= Ef , donde la suma Eo+Ec= Ei , Ei = MoC2/Raiz(1-V2/C2) es la energía inercial total conocida. Se tiene, Ei+Ep =Ei+Ep ,con masas relativistas inerciales que son también las gravitatorias, MoC2/Raiz(1-V2/C2)–(GMa/R)(Mo/Raiz(1-V2/C2))= =MoC2/Raiz(1-V´2/C2) -(GMa/R´)(Mo/Raiz(1V´2/C2)) . Simplificamos Mo, que es un valor constante en todas las situaciones, propiedad intrínseca de toda partícula fermiónica y sacamos factor común la raíz en cada miembro de la ecuación, (C2-GMa/R)/Raiz(1-V2/C2) = (C2-GMa/R´)/Raiz(1-V´2/C2) y la velocidad final queda de la forma en las siguiente compleja ecuación :
V´ = Raiz ( C2 + (V2-C2) ((1-GMa/C2R´)/(1-GMa/C2R) )2 ) .
Veamos algunas consecuencias. Comparando con la ecuación para fotones, aquí, vimos que la masa interna Mo permanece constante pero la velocidad varía y allí, la velocidad era constante pero la masa M o su frecuencia “f” es la que varía. La partícula al caer hacia el agujero negro acercándose a la superficie especial frontera de sucesos de radio R*=GMa/C2 , va aumentando de velocidad como en toda caída libre gravitatoria pero a medida que se acerca R`=R* , V` tiende a la velocidad C límite como en el experimento de Bertozzi ( acelerado eléctricamente y aquí lo hace gravitatoriamente) donde una partícula material nunca debe alcanzar dicha velocidad. Para ello necesitaría una energía infinita, prohibitivo por irrealidad física. Lo que ocurra a partir de ahora depende de la estructura física del agujero negro y ,según esta estructura ,existen varios tipos de agujeros negros, según la masa Ma, según la carga Q y según la rotación (momento cinético L o bien, su velocidad angular W). La clasificación de los agujeros negros es la siguiente:
-Agujero negro de Schwarzschild que no posee carga eléctrica neta y no gira .
-Agujero negro de Reissner-Nordstrom, con carga eléctrica neta pero no gira.
-Agujero negro de Kerr , sin carga eléctrica pero que gira.
-Agujero negro de Kerr-Newman, que tiene carga neta y además, gira.
Analicemos lo que ocurre con la radiación (fotones) que cae a la superficie frontera desde el exterior: Como los fotones son neutros no se ven afectados por cargas eléctricas ni por giros (no se ven afectados por campos electromagnéticos).Solamente un pequeño detalle que es que si el núcleo gira, la masa Ma, del astro debe ser la masa relativista de movimiento. En lo demás, nada distinto a lo dado anteriormente. Veamos qué ocurre con la materia al acercarse a la polémica superficie frontera. En las ecuaciones anteriores, si un fermión ocupa un punto de esa superficie, la velocidad es justamente V´=C , independientemente de cualquier factor inicial. Esto es prohibitivo para fermiones. El fermión con carga eléctrica (protones y electrones, o estructuras materiales) , bajo un agujero negro con carga y/o en giro, antes de cruzar la prohibitiva superficie, y ya con velocidades próximas a la luz es lanzado por los campos electromagnéticos Fe=qE y Fm=qVxB , y hacia los polos magnéticos del agujero negro (en los extremos dentro de su eje de giro) , proyectándose hacia el espacio a grandísimas energías (velocidades) sobre dichos ejes en dirección al exterior (los protones se separan brutalmente de los electrones, desintegrándose los neutrones, los núcleos y cualquier tipo de estructura material). El agujero negro se comporta como un resorte elástico que atrae a los cuerpos hacia tal famosa superficie ,luego los desintegra y ,finalmente, los lanza hacia las afueras, separando lo positivo de lo negativo. Cada signo de carga a un extremo contrario, de forma que si se trata de un trozo de materia que va llegando a la superficie de frontera, dicha materia de desgaja en protones por un lado y electrones por el otro, destrozándola antes de llegar a la superficie frontera de sucesos. Los agujeros negros con giro propio y con carga eléctrica son los estadísticamente más numerosos (al azar, al contraerse una estrella o el núcleo de una galaxia, lo más improbable es la exactitud de carga nula, o en la implo-explosión, no halla un mínimo de rotación inicial para que al contraerse aumente la velocidad de rotación). Sin embargo, para el caso singular de un agujero negro sin carga (con o sin rotación) , el destino de las partículas materiales no pasa por su interacción magnética y desvío a los polos, sino ahora la clave está en la gravedad solamente. La partícula debe evitar llegar a la superficie frontera sino su velocidad sería C, prohibitiva para fermiones o partículas materiales. En este caso, dado que las energías en las proximidades de la famosa superficie es altísima, el fenómeno deja de ser continuo, aunque relativista, de forma que no cruzando dicha superficie, se hace satélite externo (fuera de la superficie) y la diferencia entre la energía que llevaba y la energía estacionaria de satélite que posee ahora, la emite en forma de bosón gravitatorio o gravitón, hacia el exterior del agujero negro (un hecho cuántico-gravitatorio análogo se verifica en la caída de los fotones, pero en este caso, los fotones sí caen sobre la superficie de Schwarzschild, expulsando tales gravitones, como se vió). Este fenómeno es similar al que ocurre a nivel atómico con los electrones en la corteza, pero con fotones y con la interacción electromagnética (aquí las energías son altas, campos intensos, fenómenos no continuos o cuánticos): Cuando un electrón viene del exterior , ocupa una órbita en la cual se queda estable y emite un fotón al exterior cuya energía es la diferencia ente la que tenia el electrón y la que ahora tiene en esa órbita. La fenomenología cuántica es la misma en el caso atómico y en el del un agujero negro, salvo que aquí son interacciones gravitatorias y el bosón transmisor de energía es el gravitón , aunque con muy poca energía .Para el caso de los neutrinos (fermión neutro y cuanto de materia oscura)ocurre lo mismo que en este caso. El neutrino, tras caer cerca de la superficie frontera , sin llegar, emite gravitones y se convierte en satélites externos. Tendríamos pues una capa de material neutrínico alrededor del agujero negro, pero transparente, como sabemos. Hasta ahora no hemos tratado los factores de la masa Ma del agujero negro (que condiciona el radio de la superficie frontera R*=GMa/C2 que está ocupado por radiación electromagnética en órbita rellenando toda dicha superficie,” superficie de fuego”,en el argot periodístico) y el radio “R” (con su densidad correspondiente ) del núcleo material del mismo(formado por un inmenso astro de neutrones con algún excedente en carga y ello, en giro). Macroscópicamente, tenemos un núcleo de neutrones en altísima densidad rodeado de una superficie de fuego de altísimas radiaciones electromagnéticas de todas las frecuencias (superpuestas o en interferencia, pues los bosones sí pueden ocupar el mismo punto hasta el inalcanzable extremo de la energía de Planck por punto físico). Si el radio del núcleo de neutrones es igual al radio de la superficie frontera, se dice que el agujero negro está “lleno”, no habiendo hueco interior y la superficie de radiación de Schwarzschild casi roza al propio núcleo de neutrones. Esto ocurre cuando, R*=GMa/C2 y d=Ma/(4/3piR3) , donde “d” es la densidad del astro. Para el caso de “lleno”,igualo radios, obtengo la densidad necesaria que es d*=3C6/(4piG3Ma2) . Para un agujero negro hueco, donde hay un vacío absoluto entre la esfera neutrónica o núcleo y la esfera de radiación frontera, la densidad debe ser mayor que el valor anterior R*mayor que R , tiene que d mayor que d*. El límite máximo de la densidad de un sistema material como este núcleo está en el estado donde la distancia entre partículas es igual a la distancia mínima de Planck (¿qué impide mayor colapso aún? La interacción de Pauli). ¿Podría ocurrir la última posibilidad de que la superficie frontera R* esté dentro de la propia esfera del núcleo? .En este caso, para el campo gravitatorio interno debemos utilizar la expresión (ya vista) g=(GMa/R3) r ,y utilizando la condición de satélite para fotones en la superficie frontera, a=g=C2/r ,igualando, (GMa/R3)r = C2/r , el radio de trayectoria (aquí lo ponemos como el radio R*,como sabemos) es: R*=Raiz(R3C2/GMa) añadimos la expresión de la densidad necesaria, d=Ma/(4/3piR3) ,queda : R* = Raiz(3C2/(4piG d) . La clasificación de los agujeros negros desde el punto de vista de la masa y de la densidad es: Agujeros llenos, agujeros con hueco y agujeros sobre llenos. En el caso de agujeros con hueco(núcleo de neutrones, hueco vacío y superficie de radiación EM), debe anotarse que no pueden existir ni materia ni radiación en tal hueco ,estando absolutamente vacío: La razón es que un fotón no puede estar en órbita para R menor que R*(ni mayor), este es el único radio de órbita de un fotón en un agujero negro; tampoco pueden viajar fotones en el interior sin ser absorbidos por tal esfera de radiación o frontera de sucesos y quedarse ahí (tras emitir su gravitón en tal absorción); ningún fermión puede orbitar aquí dentro porque, en tal caso, debería tener una velocidad superior a “C” y como mucho ser absorbido por el núcleo e integrarse en el mismo aportando carga .Pero el núcleo de fermiones neutrones está dentro ¿porqué puede orbitar en caso de agujeros negros rotatorios? Bajo interacción gravitatoria exclusiva (partícula supuestamente suelta en el hueco), no puede cumplirse que GMaM/R2=MV2R , es decir, V=Raiz(GMa/R) , a menor radio de trayectoria, mayor velocidad de órbita se requiere, pero para fotones de máxima velocidad “C”, su radio de órbita es precisamente R* . Esto supone que si habría una partícula a R<R* deberá tener una velocidad V>C , prohibitivo. Tales partículas abandonan esa zona vacía para dirigirse hacia el núcleo o hacia la superficie frontera de sucesos: Los fotones son absorbidos por dicha superficie frontera mientras que los fermiones sueltos se añaden al núcleo para constituir neutrones o partículas cargadas que dan carga global a dicho núcleo. Las partículas del núcleo del agujero negro en rotación, sí pueden estar en rotación porque actúan fuerzas electronucleares intensamente atractivas (las mismas que mantienen un núcleo atómico sólidamente, la interacción más potente de la naturaleza que es la nuclear fuerte más la gravitatoria que en estas concentraciones de masas también es muy intensa). Tenemos que Fg + Fen +Fem= M V2/R , ahora, R = MV2/(Fg+Fen+Fem) , como Fen junto a Fg, atractivas son muy superiores a las otras Fem, las partículas del núcleo de neutrones pueden permitirse el lujo de girar a R muy pequeños inferiores a R* . El campo gravitatorio o aceleración con que reacciona un cuerpo abandonado en los alrededores de un agujero negro es el que se muestra en la figura 44C . Al igual que la rara materia viva nace , se reproduce y muere, las grandes aglomeraciones astrales también nacen en primera generación ,mueren y se producen nuevas generaciones, siendo el “agujero negro “ (estrella negra o centro galáctico negro) el cadáver definitivo de toda la evolución astronómica. Desde el punto de vista de la distribución de la materia y de la energía, representada por la “entropía” , el Universo nace con altísima concentración o alto orden o baja entropía , para evolucionar dispersándose por todo el inmenso espacio “aumentando el desorden y la entropía”, aunque, en zonas puntuales como el centro galáctico o de grandes estrellas, la gravedad se encarga de poner orden o concentración, de nuevo, disminuyendo “localmente” dicha entropía. En campos gravitatorios no demasiado intensos la materia-radiación se comportan tal como se ha descrito anteriormente, conservando de manera continua su energía mecánica Em = M C2 – GMa M/R2 = cte . Este es el comportamiento clásico-relativista de fenómenos continuos visto anteriormente, pero en intensos campos gravitatorios como en las cercanías de la superficie frontera de sucesos la energía mecánica sufre un cambio discreto de tal manera que el fotón no cambia continuamente su energía cinética en potencial, sino que sufre un cambio global en la energía total : El fotón inicial se transforma en otro fotón atrapado en la superficie frontera cuya diferencia de energía se lo ha llevado una partícula energética denominada “gravitón”. Se verifica que Fotón (fuera de la superficie frontera) = Fotón (satélite en superficie frontera) + Gravitón (con energía-cantidad de movimiento exactos para cumplirse los principios de conservación).El gravitón es al par Masa atractora - fotón en este fenómeno gravitatorio como el fotón lo es al par protón-electrón en el fenómeno eléctrico de captura electrónica en la corteza atómica dentro del átomo. Otro paralelismo que relaciona la relatividad, la cuántica, la interacción electromagnética y la interacción gravitoinercial es la siguiente: En el proceso de aniquilación de una partícula con su antipartícula, a medida que ambas se atraen hacia su centro de masas la energía cinética y velocidad tienden al infinito (ya en la región relativista)y la energía potencial EM a menos infinito, valores prohibitivos en la realidad física. Por esto, este proceso continuo es complementado por un proceso discontínuo o cuántico donde se genera un par de fotones derivados de la intersección entre partícula y antipartícula , que evacua energía a la velocidad “C”. Igualmente, los fotones que caen en la superficie de Schwarzschild sufren una variación de energía pasando de energía E=MC2-GMaM/R , a energía E=MC2-GMaM/R* = 0 .Tenemos finalmente un fotón de energía mecánica total cero orbitando en la famosa superficie, donde la diferencia de energías que es precisamente “E” anterior, se ha transformado en una nueva partícula que evacua energía a V=C, al exterior, son los gravitones. Como muestra la ecuación del fotón en campo gravitatorio continuo no es posible que el fotón pase del interior al exterior o viceversa pues la superficie de frontera es un muro insalvable (generan frecuencias negativas, irreales), quedando el fotón atrapado como satélite en tal superficie frontera de sucesos.
Si una de las posiciones Ro o R , es interior y la otra exterior, la expresión : v´ = v( 1 - GMa/C2Ro) / (1 – GMa/C2R) , queda negativa que es físicamente inaceptable (las frecuencias son positivas). El fotón puede viajar en el interior del agujero negro ya que para Ro y R menores que Rs, las frecuencias son positivas. Pero aquí aparece la gran paradoja de los agujeros negros respecto a su superficie de frontera : Si bien, un fotón , en el exterior, no puede partir de esta superficie porque quedaría atrapado en ella , tampoco puede desembocar en ella porque tendería a valores infinitos de su frecuencia, masa y energía .Pruébese partiendo desde Ro exterior hasta llegar a R=Rs , tendríamos v´= infinito . Desde el interior ocurriría algo parecido pues si parte de Ro y se dirige al final a R=Rs , su frecuencia se haría también infinita. Tampoco puede partir fotones desde esta superficie al interior porque adquiriría frecuencia cero. La superficie de frontera se comporta como un abismo energético donde todos los fotones que le llega desde dentro o desde fuera “caen gravitatoriamente” aumentando su energía cinética a infinito. Tampoco pueden partir de aquí fotones ni hacia adentro ni hacia afuera. La explicación de que ningún fotón puede salir de la superficie está dada porque esos fotones están en perfecta órbita circular formando un muro de fuego o superficie de radiación electromagnética intensa. Pero, ¿qué explicación tiene el hecho de que el acercarse un fotón , por lo menos para ser absorbido por esta superficie, su energía-frecuencia-masa se haga infinita?. Por vías relativistas o clásicas no podemos resolver este enigma sino por vías cuánticas. Igualmente que un electrón en las inmediaciones de un campo eléctrico intenso rompe su continuidad energética y salta cuánticamente su energía mecánica expulsando un fotón (absorción/emisión de fotones en los átomos), transformando la diferencia de energía de salto en energía que se lleva dicho fotón, en un campo gravitatorio intenso los fotones saltan su energía mecánica de manera que emiten un bosón de ese fotón denominado “gravitón” que se lleva esa diferencia de energías del astro-fotón hacia el exterior. Los bosones gravitones que se generan por captura de fotones en la superficie de Schwarzschild, tienen poca energía individual y aun menos si salen al espacio exterior bajo el corrimiento de frecuencias o energías a la baja (efecto de corrimiento a la baja de Einstein para gravitones, por cercanía a la superficie de frontera de sucesos, sigue la misma ley que vimos para fotones).Debido a que el origen de los gravitones es muy próximo a esta superficie, la frecuencia de los gravitones raya la casi nulidad y por tanto, son indetectables para observadores externos. Este puede ser el tercer estado del ente tangible físico del Universo , que dignamente podría denominarse “energía oscura” absolutamente indetectable ni por medios ópticos ni gravitatorios. Desde el punto de vista de las ondas gravitatorios, se demostró en otro apartado de que estas son indetectables argumento derivado de la igualdad de la masa inercial con la gravitatoria y del hecho de que la constante de la gravitación universal G es auténticamente universal la misma para el vacío como para todo tipo de extensiones materiales, por lo cual ( a diferencia que Ke o Km) no es posible la reflexión ni la refracción ni ningún fenómeno ondulatorio detectable.
Por otra parte, la atracción gravitatoria del agujero negro sobre partículas materiales provoca que estas caigan sobre la superficie frontera de sucesos pero (como ya vimos en la expresión de la velocidad de estos fermiones ) al acercarse a la misma su velocidad tiende a V=C, prohibitivo físicamente (al suponer energía infinita). En un agujero negro con campo magnético (cargado y con rotación), las fuerzas electromagnéticas (fuerza de Lorentz Fem=qE+qVxB) lanzarán tales partículas hacia el exterior formándose radiaciones iónicas de protones y electrones (en cualquier estructura material con tales intensísimos campos electromagnéticos y velocidades se separarían las cargas positivas y negativas lanzándolas en sentidos opuestos) a velocidades cercanas a la de la luz: Son el origen de los rayos cósmicos que vagan por todo el espacio y que a veces caen en nuestra atmósfera con altas energías. Si las partículas materiales fuesen neutrinos (materia oscura circundante), al no tener carga eléctrica, no se verían afectadas por estas fuerzas electromagnéticas de manera que caen hacia la superficie frontera más cercanamente donde tampoco pueden llegar(su velocidad no debe ser V=C) y en tal intensísimo campo gravitatorio, reproduciría el fenómeno cuántico donde el neutrino adquiere una trayectoria circular, se convierte en satélite en las afueras de la superficie frontera, y la diferencia entre la energía mecánica que llevaba y la nueva energía mecánica de órbita se invierta en emitir un gravitón hacia los exteriores de forma análoga a los fotones (pero estos exclusivamente orbitan en la superficie de Schwarzschild mientras que las partículas materiales como los neutrinos orbitarían en órbitas exteriores en diversos radios posibles).La materia oscura debe orbitar fuera de la superficie frontera porque su velocidad no puede llegar a “C” y, por ello, R>R* .
-Radiación de Hawking : Partículas materiales y radiativas.
Como hemos visto en el apartado anterior, los fotones que caen en la frontera de sucesos quedan atrapados en la misma emitiendo bosones gravitatorios o gravitones; las partículas materiales cargadas en agujeros negros con campos electromagnéticos, se separan según el signo hacia los dos polos magnéticos (son los cuásares) en chorros o erupciones violentísimas (rayos cósmicos) y las partículas neutrinos (en todo caso) junto con las partículas materiales ordinarias (solo para el raro caso de agujero sin rotación ni carga, es decir, sin campo electromagnético separador de pares de cargas opuestas) quedan en órbita externa. Existe un último fenómeno asociado a los agujeros negros y descrito por Stephen Hawking, consistente en que la esfera electromagnética de radiación en la frontera de sucesos, después de absorber milenio tras milenio, ingentes cantidades de fotones, puede alcanzar tal densidad de energía por punto físico que tenga la capacidad suficiente para materializarse en partículas materiales : Tales puntos serían “bosones instantáneos “ creadores de materia. Curiosamente, volvemos al principio de la historia del Universo donde los bosones “originales “ (aquí de una energía brutalmente superior a la de los supuestos bosones de los agujeros negros) se materializaron enviando partículas perpendicularmente a dicha superficie original radialmente al exterior y ,contrariamente, partículas antipartículas radialmente hacia el centro del Universo (originando una hemiuniverso material expansiva y una hemiuniverso antimaterial implosiva). En nuestro “humilde” agujero negro, si se alcanza “por cada punto físico”, la energía para que un par “electrón/positrón” , o en caso más extremo, “protón/antiprotón” (no creo que se alcancen energías tan altas como los hiperones más, inestables)se materialicen y se separen (con ayuda del catalizador electromagnético del propio agujero negro), se expulsarán partículas materiales al exterior (radiación de Hawking, quien tenía razón). Hacia el interior se enviarían las antipartículas (positrones y antiprotones) que se proyectarían directamente sobre el núcleo para aniquilarse con los respectivos protones y electrones dentro de tales neutrones. El resultado es el siguiente: Se produce radiación que se desplaza a la superficie para integrarse en ella (emitiendo el correspondiente gravitón); el núcleo poco a poco se va consumiendo por estas aniquilaciones masivas y ,al descender la masa, desciende el radio de Schwarzschild . La capa de materia satélite por fuera de ella(neutrinos en general o materia normal cuando no hay campo magnético) poco a poco adquiere radios de órbita mayores. El agujero negro sigue absorbiendo luz del exterior, alimentando de energía (por punto físico) a la superficie frontera y de nuevo emitiría partículas materiales radialmente al exterior (Hawking),cuyas antipartículas se dirigirían al núcleo para aniquilarlo .En el extremo, el núcleo tiende a desaparecer, así como los fotones de la superficie tiende a liberarse al espacio y también se liberaría la capa de materia oscura o neutrínica, que en órbitas cada vez más abiertas, escaparían al final, “disolviéndose definitivamente el agujero negro (estrella negra o centro galáctico negro)”.
En resumen, la dinámica de un agujero negro es la siguiente:
En una estrella muy másica (o un núcleo galáctico), las fuerzas gravitatorias vencen a las demás para colapsar y producirse una implosión de una parte central y una explosión de la parte externa. La parte externa forma una nebulosa planetaria (en una galaxia, los brazos espirales o disco galáctico) y la parte interna que se hundía hacia el centro, se hunde más todavía en una implosión que genera un astro muy denso (hasta los límites de una estrella de neutrones o más denso).Desde este momento, toda las radiaciones electromagnéticas provenientes del interior o exterior a una superficie especial o frontera de sucesos (de radio de Schwarzschild R*=GM/C2) sufre una captura para convertirse en luz satélite en esa superficie esférica , con la diferencia de energía entre la que tenía y la que tiene en esa esfera (cero) transformada en un bosón del bosón fotón (doblemente bosón, o gravitón) que se va al espacio con su energía o frecuencia gravemente atenuada(efecto Einstein) , prácticamente indetectable. Otras radiaciones EM que no han caído a la superficie Sch. salen al espacio con sus frecuencias gravemente atenuadas (llegan a la Tierra como radiaciones microondas o de menores energías). Las partículas materiales neutras (neutrinos, materia oscura) o bien cargadas pero en agujeros sin campos electromagnéticos(sin carga y/o rotación), se convierten en satélites por fuera de la superficie de sucesos (emiten gravitones en tales ajustes energéticos) mientras que las partículas cargadas eléctricamente (protones y electrones o cualquier tipo de materia que se descompondría por disociación magnética como neutrones , átomos o moléculas) son violentamente expulsadas por tener grandes velocidades en las vecindades de la superficie frontera de sucesos, formando chorros de partículas (púlsares a nivel estelar y quásares a nivel galáctico con potencias energéticas inconmensurables) debido a la fuerza electrostática y/o de Lorentz que depende de la velocidad y del campo magnético. Cuando la superficie de radiación electromagnética de Schwarzschild alcanza en algunos puntos (es una superficie de fotones satélites)una energía puntual e instantánea (por superposición de fotones interfirientes) suficiente para crear partículas (materialización), entonces tal fotón (instantáneo, puntual y total ) se transforma en una partícula y su antipartícula que se dirigen opuesta y radialmente, la antipartícula hacia el núcleo interior y la partícula hacia el exterior: Esta es la radiación de Hawking fermiónica cuya partícula sufriría la fuerza electromagnética del campo magnético y se catapultaría hacia el exterior mientras que la antipartícula se dirige al núcleo para aniquilar a su homóloga y generar fotones que se incorporarían de nuevo a la superficie frontera. En un proceso cíclico, el agujero negro va perdiendo la masa del núcleo, el entorno va perdiendo campo gravitatorio, el radio de frontera de sucesos va disminuyendo y la luz satélite de dicha frontera de sucesos que ya estaría fuera de dicha frontera sería luz libre (aunque otros fotones irán ocupando el puesto en las nuevas superficies fronteras cada vez más reducidas)escapándose tangencialmente hacia las afueras ( y las partículas materiales satélites se van liberando igualmente adquiriendo trayectorias más amplias ). En el límite de tal disociación del núcleo del agujero negro, la masa tiende a cero, todo el sistema radiomaterial que rodeaba a dicho agujero negro ha ido desapareciendo en esta historia de muerte o disolución final. En la Historia natural del Universo partimos desde una gigantesca superficie esférica protouniversal de bosones para generar el Universo material y antimaterial (expandiéndose/contrayéndose) de forma que los astros llegaron a evolucionar hasta desembocar en estrellas negras (o centros galácticos negros) con una estructura análoga al protouniverso original : En el inicio teníamos una esfera de bosones que generó materia y antimateria, ahora tenemos agujeros negros cuya superficie de fotones llegó a generar materia y antimateria, con el mismo fenómeno cuántico de la fluctuación de bosones aunque el primer estado generó el actual Universo y los agujero negros tienden a su disolución. Otra diferencia crucial entre ambas situaciones es que el campo gravitatorio en el protouniverso tenía un valor muy débil , mientras que en los agujeros negros su valor es enorme. Un punto en común es que los bosones del protouniverso tenían energía total cero, al igual que los fotones de la superficie frontera de los agujeros negros. No obstante, en el agujero negro, ya existían bosones de energía para generar partículas materiales (radiación de Hawking o evaporación de H.) y antimateriales que aniquilan el núcleo ; pero en la superficie original del Protouniverso, los bosones se generaron por un fenómeno cuántico ,un intervalo de tiempo de Planck antes :La fluctuación cuántico gravito-inercial, desde el punto vacío (fluctuación del vacío).
Otro aspecto de los agujeros negros es la densidad de su núcleo :Clave para que un astro sea estrella negra y determinación de la densidad límite. Cada astro de materia condensada en una esfera tiene su propio radio de Schwarzschild hasta el cual la luz no sale del propio astro por quedar atrapada en órbita en tal superficie. Esto es correcto mientras que el núcleo de neutrones de dicho astro no alcanza a esa superficie , es decir, Rnúcleo <R* . Esto garantiza que todos los fotones de los alrededores de la frontera de sucesos salten a esta frontera para formar una esfera de radiación (esta esfera de radiación está confinada en tal superficie y no sale al exterior, por lo cual tampoco podemos ver a dichos fotones confinados). El agujero negro es posible mientras que la densidad de su núcleo no posibilite igualar ambos radios. En el límite de que Rnúcleo=R* , o agujero negro lleno, la propia superficie del núcleo podría empezar a emitir fotones al exterior (si está fuera de dicha superficie frontera), siendo fotones extremadamente debilitados en energía-frecuencia por efecto Einstein, casi invisibles. Desarrollemos la condición de agujero negro límite, densidad , d=M/(4/3piR3) y el radio nuclear sería, R= Raiz(cúbica) ( 3M/(4pi d) ) ; el radio de la superficie frontera es R* = GM/C2 , igualamos y despejamos la densidad necesaria para un agujero negro límite, donde aún no vemos a la propia estrella, por tanto es todavía una estrella o agujero negro: d= 3 C6/ (4piG3 M2) .
Si la densidad del núcleo es un poco menor que esta densidad, el núcleo emerge de su superficie frontera y vemos la imagen de la estrella, de la superficie de su propio núcleo (a partir de aquí , para menores densidades, las estrellas ya no son negras ni son agujeros negros).Para densidades mayores que esta densidad límite, la superficie frontera es exterior al núcleo y, por tanto, no salen fotones del núcleo y el conjunto se observa como una estrella negra o agujero negro. Los astros pueden tener densidades menores hasta límites de no ser estrellas, menores como los planetas rocosos o menores como los planetas gaseosos o menores aún como las nebulosas y en el extremo absoluto, o nulo, del vacío. Por el otro lado, las densidades pueden aumentar, aumentando sus campos gravitatorios y sus radios de frontera. El núcleo de las estrellas colapsadas negras está formado por un supernúcleo atómico de neutrones supermayoritarios (quizás algún exceso de protones o de electrones, los cuales les da campos eléctricos y ,si rotan , campos magnéticos), que se encuentran enlazados por fuerzas electronucleares vecinales, las fuerzas electromagnéticas estarían casi compensadas (salvo las mencionadas cargas de exceso) y la tremenda fuerza gravitatoria que compactaría al conjunto. No obstante, los neutrones estarían oscilando debido a una energía cinética individual o térmica de conjunto que produciría una cierta “presión microscópica” denominada “Presión de Fermi”, que determinaría un poco la densidad posible de este supernúcleo. A menor vibración microscópica (o temperatura del núcleo, macroscópica) el espacio interneutrónico sería menor, siendo mayor la densidad del núcleo. El extremo de densidad lo dictaría un núcleo de agujero negro que se encontrara en el extremo ideal de 0ºK, menor densidad para neutrones no sería posible. A pesar de las grandes fuerzas de contracción tanto nuclear como gravitatoria, la interacción última y repulsiva de Pauli no permitiría la interpenetración entre partículas, existiendo, por tanto, una densidad límite física máxima. Es más, en una esfera sólida de materia, el campo gravitatorio en su interior es ,según cálculos gaussianos, g= (GM/R3) r , siendo M y R, referentes a la esfera y “r”, posición variable desde 0 hasta r=R, dentro de dicha esfera. Por esto, la gravedad en el interior de los núcleos es nula y se acrecenta si nos acercamos a su susperficie, por lo que es seguro que el centro de los núcleos de los neutrones de las estrellas negras se encuentre hueco, al igual que en los núcleos de los átomos.
-Agujeros negros microscópicos (distancia y energía de Planck).
Los agujeros negros son frutos de altos campos gravitatorios suficientes como para atrapar gravitatoriamente a la luz y no dejarla escapar hacia el exterior de ese sistema material denominado de esa manera. Esos altos campos gravitatorios se consiguen en base a dos factores según la expresión de los mismos g = G M/R2 , es decir, con altas concentraciones de masas en poco espacio o bien, altas densidades de materia. Para el caso de grandes cantidades de materia tenemos a las estrellas y núcleos galácticos aunque aquí las dimensiones espaciales son también relativamente enormes pero puede conseguirse gran acumulación de masa M y reducidas dimensiones R, de tal forma que la gravedad atrape a la luz , como ya se ha visto en apartados anteriores. A niveles microscópicos, podemos encontrar las mínimas distancias posibles en las partículas elementales en punto físico de tamaño mínimo de Planck. Los efectos gravitatorios propios de un agujero negro quedan reflejados desde su superficie o frontera de sucesos según el radio de Schwarzschild hasta el cual la luz no puede salir y la luz que llega al mismo queda absorbida. Todo sistema físico de masa “M” tiene asignado un radio de Schwarzschild propio dado por Rs = GM/C2 , siendo este muy pequeño para pequeñas concentraciones de masa. Para partículas materiales como el protón, el electrón o los neutrinos e incluso para cualquier partícula de la escala de Planck, el radio no llega a superar el radio mínimo distinguible de Planck : De un capítulo anterior , se obtuvo la expresión del radio o distancia mínima de Planck distinguible físicamente resultando ser de Xp = Raiz ( G h/C3) arrojando un cuanto de longitud de unos 4 exp(-35) m. Si calculamos el radio de la frontera de sucesos para una partícula elemental como el electrón, tendríamos Rs= 8,74 exp(-54) m. , absolutamente indistinguible, muy inferior al tamaño del punto físico de Planck .Para las restantes partículas físicas de toda la escala de Planck hasta el máximo fotón de Planck ocurre lo mismo, a mayor masa-energía, mayor radio de Schwarzschild. Pero todos inferiores a la distancia de Planck. Solamente el fotón máximo de Planck iguala su radio de Sch. con el propio radio mínimo distinguible del punto físico. En el fotón límite de Planck tenemos una partícula fundamental y agujero negro (lleno) cuántico. Rs =GM/ C2 = =G Raiz ( c h/ G ) /C2 =Raiz ( G h/C3) = Xplanck . El fotón máximo permitido de Planck es un agujero cuántico “lleno” pues coincide el radio del mismo con su propio radio de superficie de frontera ( y único).Todas las demás partículas individuales al poseer menor masa individual tienen un radio de frontera menor que el permitido físicamente y debido a eso, no pueden ser agujeros negros ni podrán absorber gravitatoriamente a la luz sino que la luz al interaccionar con dichas partículas sufrirá colisiones , según el conocido “efecto Compton”. Un fotón solamente podrá ser absorbido electrostáticamente por un par de cargas eléctricas (absorbido en el átomo , en el neutrón o en el núcleo atómico por el par protón-electrón o por el par protón- protón, en las interacciones electronucleares) porque el fotón entra en juego por cada pareja de partículas cargadas (se anota también que un fotón es portador de energía en un proceso no continuo o cuántico, pero en una interacción, y esta siempre se establece entre cada dos partículas, no una sola).Distintos son los neutrinos que derivan de la desintegración de una solitaria partícula altamente inestable, no es una partícula de interacción que porta energía radiante sino una partícula material que posee masa de reposo y velocidad determinada. En la producción de neutrinos, la energía inercial excedente y concentrada en un punto se transforma en energía inercial dispersada expulsada al exterior desde la partícula original.
No hay comentarios:
Publicar un comentario