Els forats negres han estat un tema de gran interès al camp de l'astronomia durant dècades. Aquestes regions de l'espai, on la gravetat és tan intensa que no es pot escapar res, representen un element d'especial interès per als astrònoms i un vincle important amb la física relativista.
Un forat negre és una regió de l'espai on la gravetat és tan intensa que res, ni tan sols la llum, pot escapar de la seva atracció. En essència, és una concentració massiva de matèria que ha col·lapsat sobre ella mateixa, creant una deformació extrema en el teixit de l'espai-temps.
El concepte de forat negre deriva de la teoria de la relativitat general d'Einstein, que va revolucionar la nostra comprensió de la gravetat. Segons aquesta teoria, la massa dun objecte corba lespai-temps al seu voltant, i la gravetat és simplement la resposta natural daltres objectes a aquesta curvatura.
Quan la curvatura de l'espai-temps és tan profunda que crea un punt de no retorn, conegut com el “horitzó de successos”, es forma un forat negre.
Tipus de forats negres
Els forats negres es poden classificar en tres categories principals:
Estel·lars
Aquests forats es formen a partir del col·lapse d'estrelles massives. Quan una estrella esgota el combustible nuclear, la gravetat es converteix en la força dominant, i l'estrella col·lapsa sota el seu propi pes.
Si l'estrella és prou massiva, es pot convertir en un forat negre estel·lar.
Aquests forats negres tenen masses que oscil·len entre unes poques vegades la massa del nostre sol fins a desenes de vegades la massa solar.
Supermassius
Aquests són molt més grans que els estel·lars i poden tenir masses equivalents a milions o fins i tot milers de milions de vegades la massa del sol.
Es troben al centre de la majoria de les galàxies, incloent la nostra, la Via Làctia.
La formació de forats negres supermassius continua sent un misteri, però es creu que es desenvolupen al llarg d'eons, acumulant matèria del seu entorn.
Primordials
A diferència dels dos tipus anteriors, els primordials es van formar a les primeres etapes de l'univers, poc després del Big Bang.
Són teoritzats com a resultat de petites fluctuacions de densitat que van col·lapsar en forats negres. La seva massa varia àmpliament, des de petites fraccions de la massa de la Terra fins a milers de masses solars.
Els forats negres i la teoria de la relativitat
La teoria de la relativitat general d'Einstein proporciona la base teòrica per a l'existència dels forats negres i descriu com funcionen.
El 2019, l' Event Horizon Telescope (EHT) va aconseguir una fita històrica en capturar la primera imatge d'un forat negre al centre de la galàxia M87. Aquesta gesta monumental no només va confirmar l?existència de forats negres, sinó que també va demostrar la precisió de la física relativista en condicions extremes.
Aquí hi ha alguns conceptes clau de la física relativista que estan relacionats amb els forats negres:
Curvatura de l'Espai-Temps
La teoria de la relativitat general postula que la gravetat no és una força misteriosa que actua a distància, com es pensava en la teoria newtoniana.
En canvi, la gravetat és deguda a la curvatura de l'espai-temps causada per la presència de massa i energia. Els forats negres són el resultat extrem d'aquesta curvatura, on l'espai-temps es corba de manera tan intensa que forma un pou sense fons.
Horitzó de successos
L'horitzó d'esdeveniments és una frontera imaginària al voltant d'un forat negre. Quan alguna cosa creua aquest horitzó, ja no es pot escapar de la gravetat del forat negre.
Fins i tot la llum, que viatja a la velocitat màxima permesa a l'univers , no pot escapar de l'horitzó de successos, cosa que dóna als forats negres la seva característica aparença "negra".
Relativitat i la distorsió del temps
La relativitat general prediu que el temps i l'espai es distorsionen a prop d'objectes massius. Això dóna lloc a fenòmens com ara la dilatació del temps, on el temps transcorre més lentament en una forta gravetat.
A prop d'un forat negre, aquesta dilatació del temps es torna extrema, cosa que significa que el temps passa més lentament per a un observador llunyà en comparació amb algú que s'acosta al forat negre.
Efecte de lent gravitatòria
Els forats negres també poden actuar com a lents gravitatòries, corbant la llum d'objectes darrere seu i creant efectes de distorsió visual.
Això ha permès als astrònoms detectar forats negres invisibles indirectament observant la seva influència en la llum d'estrelles i galàxies distants.
Forats negres a la nostra galàxia
La nostra galàxia, la Via Làctia, acull diversos forats negres coneguts que es poden classificar en dues categories principals: estel·lars i supermassius.
Alguns dels més destacats a la Via Làctia són els següents:
- A0620-00 (V616 Monocerotis) : Aquest és un forat negre estel·lar binari ubicat a la constel·lació de Monoceros. Té aproximadament 6 a 12 vegades la massa del nostre Sol i forma un sistema binari amb una estrella companya. Va ser un dels primers forats negres estel·lars observats.
- Cygnus X-1 : Ubicat en la constel·lació del Cigne, Cygnus X-1 és un dels forats negres estel·lars més famosos. Té una massa al voltant de 15 vegades la massa solar i forma un sistema binari amb una estrella supergegant blava anomenada HDE 226868.
- GS 2000+25 : Aquest forat negre estel·lar es troba a la constel·lació de Pegàs. La massa s'estima en aproximadament 7.5 masses solars, i és part d'un sistema binari amb una estrella companya.
- Sagitari A (Sgr A) : Al centre de la Via Làctia, existeix un forat negre supermassiu anomenat Sagitari A. Té una massa equivalent a aproximadament 4 milions de vegades la massa del nostre Sol. Encara que és un dels forats negres supermassius més propers , és difícil d'observar directament a causa de la seva ubicació al centre galàctic ia la presència d'una gran quantitat de pols i gas interestel·lar.
- Forat negre al centre de la galàxia M87 Encara que M87 és una galàxia el·líptica gegant que no forma part de la Via Làctia, és coneguda per albergar un dels forats negres supermassius més massius que s'hagin observat. Aquest forat negre té una massa aproximada de 6.5 mil milions de vegades la massa del Sol i es troba al centre de la galàxia M87, que és a uns 53 milions d'anys llum de distància de nosaltres.
Tècniques d'observació
Els forats negres són objectes extremadament densos que no emeten llum per si mateixos, cosa que complica observació directa. Tot i això, es poden detectar de diverses maneres:
- Observació d'efectes en objectes propers: Se'n pot detectar la presència observant com afecta objectes propers, com estrelles o gas. Per exemple, si una estrella està orbitant al voltant d'un objecte invisible però molt massiu, es poden observar canvis en la velocitat o en la llum que emet, cosa que suggereix la presència d'un forat negre.
- Emissió de radiació electromagnètica: Tot i que no emeten llum directament, el material que els envolta pot emetre radiació a diferents longituds d'ona. Això inclou la radiació emesa per l'acreció de material al disc d'acreció que l'envolta, així com la radiació generada pels raigs de partícules que són expulsats des dels pols del forat negre.
- Interferometria de ràdio: Aquesta tècnica combina els senyals de múltiples telescopis per crear una imatge detallada de la regió al seu voltant. El Telescopi de l'Horitzó de Successos (EHT) va utilitzar la interferometria de ràdio per capturar la primera imatge directa d'un forat negre el 2019.
Descobridor
L'existència teòrica dels forats negres es remunta a principis del segle XX, però va ser el físic Karl Schwarzschild qui, el 1916, va desenvolupar les primeres solucions exactes a les equacions de camp d'Einstein que descriuen aquests objectes a la relativitat general. Més tard, el 1939, J. Robert Oppenheimer i el seu estudiant Hartland Snyder van demostrar teòricament que una estrella massiva que esgota el seu combustible nuclear podria col·lapsar sota la influència de la seva pròpia gravetat per formar un forat negre.
Tot i això, l'observació directa de forats negres es va produir dècades després, amb la històrica captura de la primera imatge d'un el 2019, gràcies al Telescopi de l'Horitzó de Successos, un èxit col·lectiu de nombrosos científics i col·laboradors internacionals.