Agujeros negros de masa estelar

Cuando el núcleo de una estrella muy masiva es demasiado pesado para que cualquier presión lo soporte, colapsa sin límite en un agujero negro, una región cuya gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar.

Definition

Un agujero negro de masa estelar es un remanente compacto, formado a partir del colapso del núcleo de una estrella masiva, cuya gravedad es tan fuerte que una región delimitada por un horizonte de sucesos no permite que nada, incluida la luz, escape.

Scope

El tema abarca la formación de agujeros negros de masa estelar a partir del colapso de núcleos estelares masivos, su descripción mediante las soluciones de Schwarzschild y Kerr de la relatividad general, el horizonte de sucesos y la órbita estable más interna, su detección a través de binarias de rayos X y ondas gravitacionales, y el rango de masa que los distingue de las estrellas de neutrones.

Core questions

• ¿Cómo se forma un agujero negro de masa estelar?
• ¿Qué es un horizonte de sucesos?
• ¿Cómo podemos detectar algo que no emite luz?
• ¿Qué masas tienen los agujeros negros de masa estelar?

Key concepts

• horizonte de sucesos
• radio de Schwarzschild
• agujero negro de Kerr
• disco de acreción
• binaria de rayos X
• ondas gravitacionales
• brecha de masa

Key theories

Colapso ininterrumpido a un agujero negro

Si un núcleo estelar en colapso excede la masa máxima que la degeneración y las fuerzas nucleares pueden soportar, ninguna presión conocida puede detenerlo; la relatividad general predice un colapso continuo dentro de un horizonte de sucesos, como se demostró por primera vez para el colapso idealizado por Oppenheimer y Snyder.

Detección por acreción y ondas gravitacionales

Los agujeros negros de masa estelar se revelan cuando acrecen de una compañera y brillan en rayos X, y por las ondas gravitacionales emitidas cuando dos agujeros negros giran en espiral y se fusionan, detectadas por primera vez en 2015, que miden directamente sus masas y giros.

Mechanisms

El núcleo en colapso de una estrella suficientemente masiva supera todo soporte de presión y cae dentro de su radio de Schwarzschild, formando un horizonte de sucesos. Dicho agujero negro se vuelve observable cuando el gas de una estrella compañera se precipita en espiral a través de un disco de acreción caliente y emite rayos X, o cuando dos agujeros negros se fusionan y emiten energía en forma de ondas gravitacionales.

Clinical relevance

Los agujeros negros de masa estelar ponen a prueba la relatividad general en el régimen de campo fuerte, sustentan el estudio de la física de acreción y los chorros relativistas en binarias de rayos X, y son las fuentes dominantes detectadas por los observatorios de ondas gravitacionales terrestres, abriendo una nueva forma de contar remanentes compactos y sondear la evolución de estrellas masivas.

History

Schwarzschild resolvió las ecuaciones de Einstein para una masa puntual en 1916, Oppenheimer y Snyder modelaron el colapso gravitacional en 1939, Kerr encontró la solución rotatoria en 1963, y los primeros agujeros negros de masa estelar fueron identificados en binarias de rayos X como Cygnus X-1 y posteriormente confirmados en masa por detecciones de ondas gravitacionales.

Debates

La brecha de masa entre estrellas de neutrones y agujeros negros

Se debate si existe una brecha en la distribución de masa entre las estrellas de neutrones más pesadas y los agujeros negros más ligeros, y dónde se encuentra el límite; los eventos de ondas gravitacionales con masas en este rango están probando si existe tal brecha.

Key figures

• J. Robert Oppenheimer
• Karl Schwarzschild
• Roy Kerr
• Roger Penrose

Seminal works

• abbott2016
• shapiro1983

Frequently asked questions

¿Cómo podemos observar un agujero negro si la luz no puede escapar de él?

Detectamos los agujeros negros indirectamente: el gas que cae hacia uno se calienta y emite rayos X antes de cruzar el horizonte, las órbitas de las estrellas compañeras revelan un objeto masivo invisible, y los agujeros negros que se fusionan irradian ondas gravitacionales que los detectores en la Tierra pueden medir.

¿Qué masa tienen los agujeros negros de masa estelar?

Generalmente, varían desde unas pocas hasta unas pocas decenas de veces la masa del Sol, formados a partir del colapso de estrellas masivas; esto los distingue de los millones a miles de millones de masas solares de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de las galaxias.