Model de Agujero negro

Lograr una comprensión básica de qué es un agujero negro y cómo su gravedad afecta al espacio-tiempo construyendo un modelo interactivo de agujero negro.

• Utilizar una actividad interactiva y manual para introducir a los estudiantes conceptos astronómicos importantes de los agujeros negros, la gravedad y el espacio-tiempo.
• Los estudiantes construirán un modelo físico de la curvatura del espacio alrededor de un objeto masivo y observarán su efectos sobre objetos menos masivos.
• Los estudiantes serán capaces de describir qué le ocurre a un objeto cuando atraviesa una zona de pozo gravitacional, si su velocidad no es lo suficientemente alta o si el pozo gravitacional es demasiado profundo.

Durante (o después) de la actividad, pregunta a los estudiantes que describan qué observan: ¿cómo objetos con diferentes masas (y gravedad) afectan al espacio-tiempo? (por ejemplo).

• Banda elástica ligera que se usa para problemas musculares (vendaje) (p. ej., Tubifix)
• Canicas pequeñas
• Pelota muy pesada (como las usadas en el juego de bolos o petanca)

Gravedad

La gravedad es la fuerza de atracción entre dos objetos. Todos los objetos con masa (peso) tienen gravedad. La gravedad actúa como un imán, atrayendo los objetos entre sí. Qué causa la gravedad no se sabe muy bien. La Tierra tiene gravedad y ésta mantiene todo sujeto al planeta y, por tanto, no flotan en el espacio: árboles, agua, animales, edificios y el aire que respiramos todos están retenidos gracias a la gravedad. Todos los planetas, las estrellas y las lunas del Universo también tienen gravedad. Incluso nuestros cuerpos ejercen fuerzas gravitacionales sobre otros objetos. La gravedad de la Tierra es mucho mayor que la nuestra, por lo tanto la gravedad que tienen nuestros cuerpos no es evidente; no la percibimos.

La gravedad se ve afectada por el tamaño y la proximidad (cercanía) de los objetos. La Tierra y la Luna tienen una mayor fuerza de atracción que la Tierra y Júpiter porque la Tierra y la Luna están más cerca la una de la otra. La Tierra atrae más fuertemente que la Luna porque es mayor. Por tanto sentimos mayor atracción sobre nuestros cuerpos aquí en la Tierra que la que sintieron los astronautas cuando visitaron la Luna. Por eso los astronautas pueden saltar mucho más alto en la Luna que en la Tierra. Nosotros realmente no "sentimos" la gravedad en sí. Sólo sentimos sus efectos cuando intentamos vencerla saltando, o cuando caemos. De hecho, la persona que reflexionó sobre la "Ley de Gravitación Universal" se inspiró con la caída de una manzana en su cabeza mientras estaba sentado pensando en su jardín. ¡La manzana había sido atraída hacia la Tierra por la fuerza de la gravedad!

Agujeros negros

Un agujero negro es una región del espacio donde la gravedad es tan intensa que nada que entre puede escapar ¡incluso la luz!. Los agujeros negros se forman cuando una estrella masiva se queda sin combustible para quemar y le resulta, entonces, imposible soportar el enorme peso de sus capas exteriores de gas. Si la estrella es lo suficientemente grande (aproximadamente 25 masas solares) la gravedad atraen al gas y causan que la estrella se hagan cada vez más pequeña hasta que su densidad se hace infinita en un único punto. A ésto se le llama "singularidad".

Una vez se ha formado un agujero negro, puede continuar creciendo absorbiendo masa de sus alrededores, así como a otras estrellas y agujeros negros. Si el agujero negro absorbe suficiente material, creciendo hasta tener una masa mayor que un millón de masas solares, se convierte en una "agujero negro supermasivo". Se cree que los agujeros negros supermasivos existen en el centro de muchas galaxias incluida la Vía Láctea.

Un agujero negro está formado por tres partes: la singularidad (la estrella colapsada), el "horizonte de sucesos interno" (la región alrededor de la singularidad donde nada, ni siquiera la luz, puede escapar), y el "horizonte de sucesos externo" (donde los objetos sienten la fuerza gravitatoria del agujero negro pero no quedan atrapados).

Los astrónomos suelen observar los objetos en el espacio viendo la luz que éstos emiten. Sin embargo, como los agujeros negros no emiten nada de luz, no pueden observarse a la manera tradicional. En su lugar, los astrónomos observan las interacciones entre el agujero negro y otros objetos. Por ejemplo, mientras el agujero negro atrapa material hacia sí, como el agua que es absorbida por un agujero, el material forma un disco alrededor de él. Al girar el disco cada vez más rápido, se calienta hasta temperaturas extremas emitiendo una enorme cantidad de luz y la emisión del dicho material al espacio en forma de jets. Si estos jetos apuntan hacia nosotros, al ser tan brillantes pueden localizarse fácilmente con nuestros telescopios en la Tierra. Para los agujeros negros que no estén "comiendo", una forma de detectarlos es observar el movimiento de las estrellas a su alrededor; y viendo cómo se alteran sus orbitas por su presencia.

Espacio-tiempo

El espacio está hecho de tres dimensiones (arriba-abajo, derecha-izquierda, hacia adelante-hacia atrás). Si se añade una cuarta dimensión, el tiempo, entonces tenemos lo que se llama el contínuo espacio-tiempo. Puede sonar extraño pero imagina que has quedado con alguien; necesitarás saber en qué lugar (lugar en el espacio) os encontraréis y también en qué momento en el tiempo.

Albert Einstein fue la primera persona en proponer la idea del "espacio como una tela" (espacio-tiempo) en su "Teoría General de la Relatividad". Antes de las teorías de Einstein, se creía que la gravedad era una fuerza, tal y como lo explicó Isaac Newton. Pero Einstein y su teoría general de la relatividad nos explican que la gravedad es la "curvatura del espacio tiempo". Este concepto puede visualizarse imaginando el espacio-tiempo como una sábana elástica. Las bolas sobre la sábana elástica curvan la porción de tela alrededor de ellas, al igual que hace la materia con el espacio-tiempo que la rodea.

En esta actividad los estudiantes construirán un modelo de agujero negro que les ayudará a visualizar cómo puede este objeto curvar el espacio y el tiempo y afectar los objetos cercanos a él. La duración de la actividad es de, aproximadamente, una hora.

Paso 1

Antes de empezar la actividad lee la sección "Información previa" y úsala para introducir a los niños el concepto de gravedad. Puedes contarles la historia de Isaac Newton y la manzana, y que los niños salten para sentir como la gravedad los atrae de nuevo hacia la Tierra.

Paso 2

Corta un trozo de venda elástica de 40 × 40 cm. Si tiene forma de tubo necesitarás cortarla por uno de los laterales para hacerla plana.

Paso 3

Pide a los estudiantes estirar la tela horizontalmente hasta que se tense, para representar el "espacio bi-dimensional". Los estudiantes habrán de sujetar la tela firmemente para que sus movimientos no afecten al resultado del experimento.

Paso 4

Pon la canica sobre la tela y hazla rodar sobre su superficie. El movimiento de la canica debería seguir una línea recta, al igual que un rayo de luz que viaja a través del espacio.

Paso 5

Cambia la canica por una bola pesada. Cuando la coloques sobre la tela verás cómo se deforma y deforma el "espacio". El "espacio" se hace curvo alrededor de este objeto pesado.

Paso 6

Coloca la misma canica pequeña de antes sobre la tela y hazla rodar cerca de la bola más pesada. Su trayectoria , ahora, se verá alterada por la deformación de la tela. Esto mismo ocurre cuando la luz pasa cerca de un objeto masivo que deforma el espacio a su alrededor. Intenta, variando la velocidad de la canica, ver cómo cambia su trayectoria.

Paso 7:

Cuanto más grande sea la masa central (p. ej. cuanto más pesada sea la bola grande), más se curvará la tela. Esto hace más grande la profundidad del "pozo gravitacional" del cual las canicas no podrán escapar.

Paso 8:

Cuando la canica pasa cerca de la bola grande, comienza a girar alrededor del "agujero negro" y, en algún momento, acaba cayendo en él. Puedes ver, entonces, cómo de fácil es caer dentro de un agujero negro pero cómo de difícil salir de él. Esto es lo que ocurre con los agujeros negros: su gravedad deforma el espacio-tiempo de tal forma que la luz y otros objetos que caen en él no pueden escapar.

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, the origin and structure of the Universe

National UK

KS3 - Physics, Motion and Forces: Forces (gravity) KS2: Year 5 - Science, Forces and Magnets

Información accesible sobre agujeros negros de la web "Pregunta a un Astrónomo" de la Universidad de Cornell. Da respuestas a muchas y diversas preguntas y especifica el nivel de dificultad: principiante, intermedio, avanzado. http://curious.astro.cornell.edu/blackholes.php

Vídeo del European Southern Observatory mostrando datos reales tomados de estrellas que orbitan alrededor de agujeros negros: http://www.eso.org/public/videos/eso0846a/

Una excelente web interactiva del Space Telescope Science Institute con amplia información sobre agujeros negros asi como actividades online y experimentos: http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes/

Preguntas para el seguimiento de la actividad:

• ¿Qué ocurre cuando la velocidad de la canica es baja? ¿Porqué?
• ¿Qué ocurre cuando usas una bola más pesada? ¿Qué ocurriría si usamos una canica más pesada?
• ¿Como podrías detectar si hay un agujero negro en algún lugar observando el movimiento de las estrellas?