Fa uns mesos visitant la web de la xtec.es/recursos/astronom/ en la pàgina de Preguntes i respostes, Jordi Carulla va deixar caure la següent pregunta amb data Thu, 12 Feb 1998. La seua curiositat era: Com pot ser que existeixin forats negres que atrapen la llum amb la seua gravetat si els fotons no tenen massa?. La següent explicació està treta del llibre Agujeros negros y tiempo curvo, (p.198-199) Ed. Crítica 1995 de Kip S. Thorne, doctorat en física gravitacional al CALTECH de Califòrnia, encara que més conegut per prestar l'assessorament físic i teòric dels hipotètics forats de cucs a la novel·la Contact (1985) de Carl Sagan. Recordem que l'heroïna Eleanor Arroway viatja de la Terra a l'estrella Vega (a 26 anys-llum) en tan sols uns minuts. Però responent a la pregunta de Jordi Carulla, dir que, en tot fotó cohabiten, tant una massa corpuscular com una energia electromagnètica, doncs així ho demostrà la teoria unificadora del premi Nobel, Louis Víctor de Broglie.

Per què és fosc un forat negre?

O mes bé, Què li succeeix a la part energètica del fotó, l'ona lluminosa, quan vol escapar del forat negre a 299.792 quilòmetres per segon?.

En primer lloc, no sabem ni sabrem quines imatges poden mostrar un forat negre per dins, ja que és un viatge sense bitllet de tornada. Ni encara emportant-nos un mòbil aconseguiríem informar del que veiem dins, perquè les radioones tampoc eixirien del forat. Recorde un suggestiu pensament que deia: «Tal vegada, sí que volem veure quin aspecte té l'interior d'un forat negre, potser, hàgem de mirar al nostre voltant, doncs tampoc en aquest univers la matèria i la llum tenen bitllet d'eixida», un univers en expansió, que sense limits ni vores definits, es manté tancat per la gravetat de tota la matèria existent. Sens dubte, els forats negres són un producte de l'evolució estel·lar, les lleis de la gravitació portades a la seua màxima conseqüència. Segons la Relativitat General, a la superfície de qualsevol objecte massiu com una estrella, el temps flueix més lentament que estant molt lluny d'ella, a açò l'anomenaren dilatació gravitatòria del temps, a major gravetat més es congela i es deté el temps. A la circumferència crítica o horitzó del forat negre són tan intenses les forces gravitatòries que el temps està totalment dilatat, aturat. Sí el temps a l'horitzó del forat negre està congelat, implica açò, que la freqüència de propagació de qualsevol ona electromagnètica (llum) també estarà congelada. Ja que la freqüència sempre ha d'oscil·lar sobre un temps i, per tant, on no hi ha temps no hi ha freqüència (cicles per segons). Amb tot això, deixa d'existir qualsevol tipus d'ona electromagnètica, tant a la banda visible com a la no visible. El forat negre mai emet cap tipus de radiació, llum o imatge, és la foscor total. L'ona ha perdut tota la seua energia en mancar de freqüència, i una ona sense crestes és una ona inexistent. El fotó manifesta una ona plana (morta), com quan diem que un cervell presenta encefalograma pla al mancar d'activitat energètica. Per tant, a l'horitzó del forat, més que frenar i impedir que isca l'ona lluminosa o un altre tipus d'ona electromagnètica, la qual cosa succeeix és que la intensa força gravitatòria de diversos milers de milions de ges, anul·la i sostrau l'energia de qualsevol ona. Científicament es diu, que l'ona de llum o fotó, a mesura que intenta eixir de l'intens camp gravitatori per a creuar la circumferència crítica del forat negre l'ona sofreix progressivament un desplaçament total cap a l'extrem roig de l'espectre, on la longitud d'ona s'allarga a l'infinit i la llum s'enfosqueix.

D'estrella, a forat negre

Però, la vida de les estrelles és un continu i de difícil equilibri entre, d'una banda, la seua tendència a col·lapsar cap al centre per efecte de l'atracció gravitatòria de la seua pròpia massa i, per l'altre, la pressió cap a fora exercida per la radiació generada pel descomunal reactor de fusió, que en si, és el nucli d'una estrella. Hui en dia, en l'edat d'or dels forats negres sabem que les estrelles massives de com a mínim 15 masses solars i de vida curta, quan esgoten el seu cicle energètic i encara els queda una massa residual major de 2,2 masses solars, són candidates a implosionar en forats negres. Aquestes grans estrelles després d'haver cremat l'hidrogen i els últims «cartutxos» d'heli les reaccions nuclears de fusió entren en notable recessió i la pressió exercida per aquesta radiació, és ja incapaç de sostenir les capes externes de l'estrella. La contracció gravitatòria venç i aquestes capes externes de l'estrella s'afonen (implosionen) cap al seu centre, l'explosió de supernova està servida. El dens nucli de massa residual que queda, irremissiblement també s'afona gravitacionalment cap al seu centre. L'estructura de l'àtom ha quedat trencada, la corfa exterior d'electrons desaparegué i la mateixa densitat ha combinat electrons i protons originant neutrons. Però ni tan sols la pressió dels neutrons estretament empaquetats aconsegueix evitar aquest últim col·lapse o afonament de tota la massa residual, confinant-se en una reduïda circumferència. La matèria ha sigut destruïda i condensada en una farinetes de neutrons i altres partícules, situada en la singularitat o centre del forat negre, on l'anomenada gravetat de marea i la curvatura espai-temps són allí infinitament intenses.

Una prematura hipòtesi (per si voleu continuar llegint)

En 1783, l'astrònom britànic John Michell va ser el primer que teoritzà i pronosticà la possible existència d'aquests forats negres, que ell anomenava «estrelles fosques», Deia: "Si a la Terra, perquè una partícula (o coet) puga eixir a l'exterior, es necessita una velocitat de fuga d'11 km/s. En el sol, a causa de la seua major gravetat, aqueixa partícula necessitaria una velocitat de 617 km/s per a poder escapar de la gravetat solar. Quant hauré de reduir i comprimir la circumferència del Sol fins a aconseguir una gravetat tan forta, que una partícula o fotó necessite una velocitat de fuga igual a la de la llum, 299.792 km/s?". Michell era bon coneixedor de les lleis gravitatòries de Newton i pogué demostrar que la velocitat de fuga és proporcional a l'arrel quadrada de la massa estel·lar dividida per la seua circumferència. Aquesta circumferència per al sol, la calculà en 18,5 km i l'anomenà circumferència crítica, hui en dia se li diu horitzó o superfície esfèrica del forat negre. Per tant, perquè un fotó o corpuscle de llum pogués eixir de tal circumferència crítica, necessitaria una velocitat de fuga superior a la velocitat de la llum, i a John Michell açò li semblava inviable, el Sol amb aqueixa circumferència crítica hauria de convertir-se sense remissió en una esfera fosca i inobservable, doncs deduí que la llum mai superaria la velocitat estàndard coneguda en la seua època. La llum mai eixiria de l'estrella.

Com a postulat teòric era molt correcte, però John Michell igual que molta gent de hui en dia, incorregué en l'error d'interpretar que els fotons de llum en eixir de l'estrella fosca (o centre del forat negre), a certa altura i abans d'eixir de la circumferència crítica, eren frenades i tornades a la superfície de l'estrella per efecte de la intensa gravetat. Inconscientment pensà que la velocitat de l'ona de llum era relativa. A finals del s. XVIII no se sabia res encara sobre el valor constant i absolut de la velocitat de la llum. Al 1905 Albert Einstein demostrà, en la seua primera teoria de la Relativitat Especial, que la llum, igual que totes les ones electromagnètiques sempre viatgen a la velocitat constant i invariable de 299.792 km/s. L'ona de llum, per efecte gravitatori, es pot desviar i corbar però mai frenar, reduir o alterar la seua velocitat. La velocitat de la llum és una constant universal que participa i defineix moltes equacions.

En aquest sistema binari el forat negre absorbeix matèria i gas de l'estrella companyant (o capturada). Aquesta matèria en la seua caiguda cap al forat negre emet rajos X.

 

Així es donen a conèixer

Els forats negres són objectes que visualment s'han quedat aïllats de l'univers i es donen a conèixer, entre altres manifestacions, per l'accentuada emissió de rajos X. La matèria, tant partícula, gas o objecte, en quedar atrapada pel potent remolí gravitatori (zona d'influència del forat negre), es precipita a altes velocitats cap al seu horitzó. La matèria, en la seua caiguda, crea un front de xoc en què es calfa fins a temperatures de milions de graus. La matèria en aquestes condicions desprèn rajos X. Aquests rajos X són el «cant de cigne» de la matèria abans de ser engolida i destruïda a l'interior del forat negre. La nostra atmosfera resulta opaca a aquest tipus de radiació, i per consegüent, perquè aquests observatoris puguen obrir els seus ulls als rajos X, s'han de situar fora de la Terra. El 23 de juliol de 1999, va ser llançat a l'espai el Chandra X-Ray, un satèl·lit per a l'estudi de qualsevol objecte còsmic que emeta rajos X, com les radiogalaxias que al seu si poden albergar grans forats negres, les denses estrelles de neutrons o les explosions de supernova, com també els sistemes binaris amb forat negre associat a una estrella companya. Aquest satèl·lit porta el nom de l'astrofísico nord-americà i Premi Nobel, d'origen indi Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995), un expert en evolució estel·lar i un dels primers, que a mitjans la dècada dels 70, descrigué matemàticament el concepte de forat negre.

Josep Emili Arias Miñana       
Agrupació Astronómica Safor, Gandia

 Grup d'Estudis Astronòmics