Teoría de la Relatividad: Gravedad y Agujeros Negros

Universidad de los Andes
Facultad de Ciencias
Escuela de Física








TEORIA DE LA RELATIVIDAD: GRAVEDAD Y LOS AGUJEROS NEGROS








Bachiller: Rony David Santiago Armas
Asignatura: Técnicas de estudio 10

MERIDA, VENEZUELA
09 de Febrero del 2015
Índice
1 Introducción…………………………………………………………………………………... 1
2 Teoría de la Relatividad General……………………………………………………………… 2
Introducción a la Relatividad…………………………………………………………..2
Gravedad…………………………………………………………………………….....2
Efectos Gravitatorios………………………………………………………3
2.2.2 La energía como fuente de gravedad………………………………………4
1.3 Ondas Gravitacionales………………………………………………………………..4
Derivado de la Teoría de la Relatividad: Los Agujeros Negros………………………..….…..5
¿Cómo derivan a partir de la teoría de la relatividad? ……………………….….….…5
¿Qué son los Agujeros Negros?.................................................................................5-6
Proceso de formación……………………………………………………………….6-7
Conclusión……………………………………………………………………………………..8
Bibliografía…………………………………………………………………………………….9







Introducción
Nunca se han preguntado ¿Por qué las personas del otro lado de la tierra, no se caen hacia el universo? O ¿Qué pasaría si alguien más pesado que en sol, apareciera en la tierra? Desde hace 328 años con la publicación de Isaac Newton ''Philosophiae Naturalis Principia Mathematica'' dando a conocer ''Ley de gravitación universal'', hasta 1915 con la llegada de la ''Teoría de la relatividad general'' formulada por Albert Einstein, que cambio la perspectiva que teníamos del universo. De esta manera a lo largo del tiempo la física ha intentado explicar los misterios acerca de la gravedad y los agujeros negros, como consiguiente se han formulado muchas versiones y postulados sobre las interrogantes del tema, de esta forma mediante la investigación y el estudio científico se han ido perfeccionando las ideas del mismo a lo largo del tiempo.
El presente trabajo abarcara de manera explicativa la temática de la gravedad y los agujeros negros como derivados de la teoría de la relatividad, brindando información relevante y reciente del mismo, con el objetivo de resaltar los datos más importantes y hacer más fácil el entendimiento el tema





Capítulo 1: Teoría de la Relatividad General
Introducción a la Relatividad
Albert Einstein en 1915 concilio una nueva teoría que reformularía la idea que se tenía en ese momento de lo que era el espacio, el tiempo y la gravedad, logrando así obtener una visión más clara del universo, con una teoría más funcional y aplicable que la ''Ley Gravitatoria Universal'' de Isaac Newton, y consiguiendo a su vez mas respuestas a misterios del cosmos, como de la misma forma se generaron muchas más preguntas que aun retumban en la mente de los físicos en la actualidad.
Gravedad
En el universo de la Relatividad General de Einstein, él define el mismo como la unificación de las 3 dimensiones del espacio (Alto, ancho, profundidad) con la dimensión continua que es el tiempo, creando a su vez el tejido espacio-tiempo, que tiene la característica de deformarse por la presencia de un cuerpo celeste de mucha masa, generando una atracción gravitatoria de los cuerpos de menor materia hacia él.
De la misma manera podemos de decir que la fuerza de la gravedad no es una fuerza en sí misma, si no el producto de la deformación del tejido espacio-tiempo por la presencia de un cuerpo celeste con una considerable cantidad de materia. De esta idea, derivan las orbitas de los planetas alrededor de estrellas con mucha cantidad de materia, como lo es el sol, con relación a los planetas que conforman nuestro sistema solar.

Efectos Gravitatorios
Gracias a la teoría de la relatividad se pueden explicar o estudiar fenómenos físicos antes no entendibles:
Desviación gravitatoria de la luz en presencia de campos con intensa gravedad: La luz al pasar por una zona de elevada gravedad como un planeta, se ve afectada y su frecuencia decrece. Esto fue confirmado por el experimento de Pound y Rebka (1959) que consistía en observar en un eclipse como la luz se curvaba alrededor de la luna y se percibía en la tierra.
Dilatación gravitatoria del tiempo: El tiempo según la relatividad no es un valor constante, si no que se ve afectado por la aceleración. La gravedad es una aceleración y de esta forma la misma afecta el tiempo.

Ejemplo: Entre mayor sea la aceleración (O, se acerque más a la velocidad de la luz) el tiempo comenzara a pasar más lento.

Si una persona experimenta la gravedad de un agujero negro, el tiempo a su alrededor pasara más lento (Observador) y cuando llegue a la tierra abran pasado 50 años más rápido de lo normal, esto se debe a que la persona experimento ese incremento de aceleración y las cosas a su alrededor comenzaron a pasar más rápido, pero a él no le afecto por estar bajo los efectos de la gravedad en ese momento.


1.2.2 La energía como fuente de gravedad

La gravedad es causada por una curvatura del espacio-tiempo gracias a la presencia de cualquier masa, pero teniendo en cuenta las idea relativistas de Albert Einstein la masa está asociada con la energía y esto lo refleja en la ecuación E = Mc^2. En la relatividad la masa y la energía son formas distintas de definir una misma cantidad de materia, por consiguiente la gravedad es capaz de modificar o afectar las características energéticas que posea la masa, como por ejemplo la temperatura, carga eléctrica, la velocidad y la fricción, de esta manera se puede deducir que existir un aumento de energía a partir de los efectos gravitacionales.

Ondas Gravitacionales
Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido del espacio- tiempo, provocadas por cuerpos celestes acelerados o colapsos de estrellas que generan una supernova. Este efecto es similar a las ondas creadas en el agua por alguna roca y objeto que cae en la misma, estas ondas en el universo viajan a la velocidad de la luz.
Hasta el momento solo se conocen evidencias indirectas de ellas, como el decaimiento del periodo orbital de una estrella que emite mucha radiación.
Detectar ondas gravitacionales causadas por algún fenómeno como una explosión, supernova o una radiación proveniente de alguna estrella, le daría un carácter de validación más serio y más seguro a la teoría de la relatividad general

Capítulo 2: Derivado de la Teoría de la Relatividad: Los Agujeros Negros
2.1 ¿Cómo derivan a partir de la relatividad?
Partiendo de la idea principal de que la forma del universo es la unificación del espacio y el tiempo, creando un tejido que se curva en presencia de materia, ¿Qué sucedería si en una región del universo se concentrara una gran cantidad de materia?, La relatividad predice la formación de un agujero negro, un lugar en el universo con una fuerza de gravedad tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar de él.
En el mismo orden de ideas se cree que ciertos tipos de agujeros negros derivan del final de la vida de una estrella, la estrella mediante un proceso de fusión agota todo su reserva de Hidrogeno que transformaba en Helio para obtener grandes cantidades de energía y de esta manera no tiene la forma para soportar toda su masa que se está compactando causando así un agujero negro.
Los agujeros negros tienen una atracción gravitatoria tan fuerte que consiguen atrapar cuerpos celestes en su campo gravitatorio y de esta forma se pueden producir ondas gravitatorias por la interacción del agujero negro y la materia.

2.2 ¿Qué son los Agujeros Negros?
Un agujero negro es un cuerpo estelar colapsado, donde existe una concentración de masa tan densa que genera un campo gravitatorio de tal intensidad que ninguna partícula ni siquiera la luz puede zafarse de él.
La gravedad del agujero negro ocasiona una singularidad que se encuentra rodeada por una superficie llamada horizonte de sucesos, esta superficie es la frontera del espacio-tiempo de la cual ninguna partícula puede salir.
Se sospecha que en el centro de la mayoría de las galaxias hay agujeros negros súper masivos, esto está apoyado en las observaciones que se han hecho a las traslaciones y orbitas de las estrellas que conforman una galaxia, se nota que todas poseen con exactitud una órbita muy similar, por eso se cree que un agujero negro es el responsable de estas similitudes por su gran fuerza gravitatoria.
2.3 Proceso de formación
Cuando una estrella comienza a quedarse sin hidrogene suficiente para convertirlo en Helio y a su vez en energía, se da inicio a un proceso de colapso, en donde la gravedad toma el control de la situación y la estrella empieza a contraerse hasta tal punto que de su interior la luz no puede escapar, comienza a dejar de ser luminosa.
La estrella se ha convertido en una enana blanca, donde aún conserva la misma cantidad de masa pero en un espacio mucho menor, en este momento las condiciones gravitatorias se hacen demasiado fuertes como para contrarrestadas por la repulsión electrónica que presentan los átomos, de esta forma la estrella se contrae de nuevo obligando a los electrones y protones a combinarse para formar neutrones y forzando a estos últimos a compactarse.
La estrella puede contraerse hasta un volumen 0, y la gravedad superficial aumentar hacia el infinito
Según la relatividad, la luz emitida por la estrella va perdiendo toda la energía mediante este colapso gravitacional que sufre la estrella, originando así un agujero negro




















Conclusión
Luego de ver como cambian las perspectivas de observar el universo al pasar del tiempo, como cada vez la ciencia se hace más perfectible al tratar de unificar las leyes que gobiernan la naturaleza, nos damos cuenta que el estudio del cosmos es sumamente amplio.
La teoría de la relatividad ha sido un pilar fundamental en el estudio del universo, es una gran base donde se pueden apoyar las investigaciones y las futuras generaciones que vayan abordando el tema y quieran encontrar una solución que nos haga encontrar una perspectiva que se acerque cada vez más a lo que queremos encontrar, que es la realidad del universo y entender cómo funciona.
De la misma forma, en la búsqueda de entender el universo, encontramos más preguntas o más fenómenos cósmicos, como los son los agujeros negros, que si logramos entender su real funcionamiento podremos responder a interrogantes que siempre han estado planteadas en la humanidad.







Bibliografía
Stephen Hawking (1994) Agujeros Negros Y Pequeños Universos. Barcelona: Critica

Ferraro Rafael. (2005). El Espacio - Tiempo De Einstein. Buenos Aires: COOPERATIVAS.

Ashby, Neil. (2015). Introducción a la relatividad general. 06/01/15, de Wikipedia Sitio web: http://es.wikipedia.org/wiki/Introducci%C3%B3n_a_la_relatividad_general#Agujeros_Negros