Curioseando en la oscuridad: modelando agujeros negros en la escuela primaria Teach article

Traducido por Felix Jimenez-Villacorta. ¿Dificultades para explicar los agujeros a tus estudiantes? ¿Por qué no intentar estas sencillas actividades en clase?

Figura 1: Una representación
artística de un agujero negro.
El agujero negro es solo un
punto en el mismo centro,
pero su gravedad es tan
fuerte que la luz de las
estrellas alrededor de él no
puede escapar.

Imagen cortesía de la Agencia
Espacial Europea (ESA), NASA y
Felix Mirabel (el Comisionado
de Energía Atómica francés y el
Instituto de Astrofísica y del
Espacio / Conicet de
Argentina).

Muchos jóvenes han oído hablar de los agujeros negros y comprenden que si algo cae dentro de uno de ellos, no puede volver a salir –ni siquiera la luz puede escapar. Así es cómo un agujero negro recibe su nombre: es un punto en el espacio que no emite ninguna luz (figura 1). Este no es un concepto sencillo de explicar. En este artículo, por tanto, introduzco brevemente los agujeros negros y posteriormente describo dos sencillas actividades para ayudar a los estudiantes a visualizar lo que ocurre. Cada actividad debería llevar alrededor de una hora; ambas son adecuadas para alumnos de edades comprendidas entre 10 y 14 años (aunque observa que el revisor sugiere utilizar las actividades con estudiantes entre 10 y 19 años).

Agujeros negros

Figura 2: Un agujero negro:
la estrella colapsada o
singularidad; el horizonte de
eventos¸ una región
alrededor de la singularidad
donde ni siquiera la luz
puede escapar; y la región
fuera del horizonte de
eventos, donde los objetos
pueden sentir la gravedad
del agujero negro sin
quedar atrapados. Haz click
en la imagen para ampliarla. 

Imagen cortesía de Monica
Turner.

Los agujeros negros se forman durante la muerte de estrellas muy masivas (al menos varias veces la masa de nuestro Sol).

Una Estrella consiste en un núcleo caliente rodeado de muchas capas de gasw1. En el núcleo de la estrella, los elementos más ligeros, como el hidrógeno y el helio se unen por fusión termonuclear para formar elementos más pesados, como los metales. El calor creado en este proceso ejerce una presión hacia afuera, que se opone a la fuerza de la gravedad que atrae el gas hacia el centro de la estrella, confiriéndole a la estrella su gran tamaño. Cuando la estrella se queda sin combustible en el núcleo, sin embargo, es incapaz de soportar el peso de estas capas externas de gas. Si la estrella moribunda es muy masiva, la gravedad atraerá el gas y provocará que la estrella se haga más y más pequeña hasta que su densidad se vuelva infinita en un único punto, que es denominado una singularidad (figura 2).

Una imagen de la galaxia
NGC 3621, tomada desde el
“Very Large Telescope” en el
Observatorio Europeo del Sur
(European Southern
Observatory, ESO). Se cree
que dicha galaxia posee un
agujero negro supermasivo
activo en su centro que
engulle materia
produciendo radiación.

Imagen cortesía de la ESO.

Cerca de la singularidad, la gravedad es tan fuerte que nada puede escapar. La velocidad de escape necesitaría ser mayor que la velocidad de la luz – así que ni siquiera la luz puede escapar, por eso el agujero negro es negro. (Aunque en realidad no es un agujero: hay un montón de cosas ahí, aunque no podemos verlas.)

A una cierta distancia de la singularidad, la gravedad es suficientemente débil para permitir escapar a la luz, así que los objetos más allá de esta distancia son visibles. Ese contorno se denomina el horizonte de eventos. Los objetos fuera de ese horizonte de eventos sienten todavía la gravedad del agujero negro, y serán atraídos hacia él, pero pueden ser vistos y pueden potencialmente escapar de caer dentro. Una vez que los objetos son succionados dentro del horizonte de eventos, sin embargo, no hay vuelta atrás.

Después de la formación del agujero negro, éste crece absorbiendo masa a su alrededor, al igual que otras estrellas y otros agujeros negrosw2. Si un agujero negro absorbe suficiente material, puede convertirse en un agujero negro supermasivo, que significa que tiene una masa de más de un millón de veces la masa solar. Se cree que los agujeros negros supermasivos existen en el centro de muchas galaxias, incluida la Vía Láctea.

Normalmente, los astrónomos observan objetos en el espacio mirando a la luz; así es cómo, por ejemplo, estudian las estrellas (por ejemplo, véase Mignone & Barnes, 2011). Sin embargo, debido a que los agujeros negros no emiten ninguna luz, no pueden ser observados de la manera habitual. En vez de eso, los astrónomos tienen que observar la interacción del agujero negro con otros objetos. Una manera de hacer eso es mirando a los movimientos de las estrellas alrededor del agujero negro, ya que sus órbitas son alteradas por su presenciaw3.

 

Actividad 1: Modelando la formación de un agujero negro

Esta actividad demostrará a los estudiantes cómo se forma un agujero negro a través del colapso de una estrella masiva, toda/una vez que el núcleo de la estrella es incapaz de soportar el peso de las capas externas del gas que la rodea. El tiempo requerido debería ser de alrededor de una hora.

Materiales

Cada grupo necesitará:

  • Un globo
  • Algunas hojas de papel de aluminio, cada una de unos 30 centímetros de lado aproximadamente.
  • Un alfiler para pinchar el globo

Metodología

  1. Hacer que los estudiantes inflen el globo y lo anuden. Luego tendrían que envolver el globo con varias capas de papel de aluminio para crear la estrella a escala.
  2. Explicar que las capas de papel de aluminio representan las diferentes capas de gas de la estrella, y que el globo que les da su forma es análoga al núcleo candente de la estrella. Dentro del núcleo, el calor creado por fusión termonuclear ejerce una presión sobre las capas de gas de la estrella, evitando que colapsen.
  3. Hacer que los estudiantes simulen el efecto de la gravedad intentando comprimir levemente el globo. La presión del núcleo es tal que la estrella no puede colapsar por la gravedad.
  4. Cuando una estrella alcanza el final de su existencia, se queda sin combustible en el núcleo y no es capaz de retener las capas de gas. Hacer que los estudiantes pinchen el globo con el alfiler, simulando este proceso.
  5. De nuevo, que intenten comprimir el globo con sus manos para imitar el efecto de la gravedad. Esta vez, deberán ser capaces de comprimir el papel de aluminio hasta convertirlo en una bola pequeña, simulando la formación de un agujero negro. Notar que la masa de la bola pequeña es la misma que la de la estrella modelo, pero que sus tamaños son muy diferentes.

Discusión

Figura 3: Los materials
requeridos para la actividad
2.

Imagen cortesía de Charlotte
Provost y Monica Turner.
  • Si una estrella real tuviera el tamaño del globo, ¿entonces cómo sería de grande el agujero negro? La bola estrujada, ¿es demasiado grande o demasiado pequeña para representar un agujero negro?

    Respuesta: La bola estrujada es demasiado grande para representar un agujero negro. Incluso un agujero negro real, formado a partir de una estrella masiva, es más pequeño que la punta de un lápiz.

  • ¿Qué ocurriría si se utilizaran más trozos de papel de aluminio para hacer las capas de gas de la estrella? ¿Sería la estrella más masiva? ¿Qué pasaría con el agujero negro?

    Construyendo la estrella con más capas de gas (representadas por el aluminio) harían la estrella más masiva. También resultaría en la formación de un agujero negro más masivo, dado que habría más material con el cual crear el agujero negro.

  • El concepto de densidad (masa por unidad de volumen) puede ser introducido aquí. ¿Qué tiene una mayor densidad, la estrella o el agujero negro?

    Aunque tienen un tamaño diferente, la estrella y el agujero negro tienen la misma masa, dado que están compuestas de la misma cantidad de material. Sin embargo, como el agujero negro es más pequeño, contiene más material en menos volumen, y por tanto tiene una mayor densidad.

 

Actividad 2: Modelar la acción de un agujero negro

Paso 4: colocar la bola
pesada en el centro provoca
que el tejido espacio-tiempo
se curve.

Imagen cortesía de Charlotte
Provost y Monica Turner.

En esta actividad, los estudiantes construirán un modelo de un agujero negro para ayudarles a visualizar cómo un agujero negro puede ‘curvar’el espacio–tiempo y afectar objetos cercanos. La actividad debería llevar alrededor de una hora.

Materiales

Cada grupo necesitará (figura 3):

  • Una venda elástica ligera utilizada para lesiones musculares (p.ej. Tubifix, vendida en farmacias), las más anchas disponibles (utilizadas para el tórax).
  • Una canica pequeña
  • Una bola muy pesada (como las usadas en juegos de bolos, bochas o petanca).
  • Un par de tijeras puntiagudas.

Metodología

Paso 5: hacer rodar una
canica por el tejido, y
observar cómo su trayectoria
se altera.

Imagen cortesía de Charlotte
Provost y Monica Turner.
  1. Cortar un trozo de venda elástica de alrededor de 40 cm de largo. Si es tubular, necesitarás cortarla y abrirla de un lado.
  2. Pedir a algunos estudiantes que estiren la venda horizontalmente hasta que quede tirante, para representar el espacio bidimensional.
  3. Colocar la canica sobre la venda, y hacerla rodar por la superficie de la venda. Su trayectoria debería ser una línea recta, similar a la de un rayo de luz a través del espacio.
  4. Colocar la bola pesada en la venda, y verás cómo se deforma el tejido del espacio. El espacio se curva alrededor de la masa pesada.
  5. Hacer que la canica ruede cerca de la masa; su trayectoria debería ser alterada por la deformación de la venda. Esto es similar a lo que le ocurre a la luz al pasar cerca de un objeto masivo que deforma el espacio que lo rodea. Intenta variar la velocidad de la canica para ver cómo su camino cambia.
  6. Cuanto más concetrada sea la masa central (es decir, cuanto más pesada sea la bola grande), más curvada estará la venda. Esto aumenta la profundidad del ‘pozo gravitacional’, del que una canica no sería capaz de escapar.
  7. Tan pronto como la canica pasa próxima a la bola grande, comienza a dar vueltas alrededor del ‘agujero negro’ y finalmente cae dentro de él. Una vez está ahí, puedes ver cómo las cosas pueden caer más fácilmente dentro de un agujero negro, pero tienen dificultad en salir: su gravedad deforma el espacio de tal forma que la luz u otro objeto caen y no pueden escapar.

Discusión

Figura 6: Utilizando canicas
de diferente peso.

Imagen cortesía de Charlotte
Provost y Monica Turner.
  • ¿Qué ocurre cuando disminuyes la velocidad de la canica?¿Por qué?

    Cuando la velocidad de la canica es suficientemente alta, la canica tiene suficiente energía para escapar de la gravedad del agujero negro. Sin embargo, si la velocidad de la canica es demasiado pequeña, la fuerza de la gravedad proveniente del agujero negro es demasiado fuerte y la canica no es capaz de escapar.

  • ¿Qué ocurre cuando usas una bola más pesada?¿Y una canica más pesada? (figura 6)?

    Debido a que los objetos más masivos crean una fuerza gravitacional mayor, en ambos casos necesitarás lanzar la canica más fuerte para que escape de la gravedad del agujero negro.

  • ¿Cómo podrías averiguar si hay un agujero negro en algún punto, observando los movimientos de las estrellas?

    Si un agujero negro se vuelve suficientemente masivo, las estrellas que pasan cerca de él quedarían atrapadas en su campo gravitacional y comenzarían a orbitar alrededor del agujero negro, de la misma forma que los planetas de nuestro Sistema Solar orbitan alrededor del Sol. Observando los movimientos de muchas estrellas, los astrónomos pueden buscar estrellas que tienen órbitas alrededor del mismo punto central. Si no son capaces de ver un objeto en su punto central, eso es evidencia de que un agujero negro puede estar ahí.  


 

Agradecimientos

La Actividad 1 ha sido adaptada a partir de la demostración manual ‘Viaje a un agujero negro’ de la página web Dentro del Universo de Einsteinw4. Dicha actividad fue a su vez adaptada de la actividad ‘Hoja de Aluminio, Globos y Agujeros Negros’ de la página web Imagina el Universo, de la NASAw1.

La actividad 3 ha sido adaptada de un recurso de la base de datos UNAWE de Ricardo Moreno de Explorando el Universo, UNAWEw5 España.

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References

Web References

Resources

Author(s)

Monica Turner obtuvo su Licenciatura en Físicas por la Universidad McGill en Montreal, Canadá, y posteriormente completó su Máster en Astronomía en la Universidad de Victoria, en Victoria, Canadá. Actualmente trabaja en la obtención de su Doctorado en Astronomía en el Observatorio Leiden en Holanda. Monica tiene experiencia como profesor ayudante en clases de astronomía, así como trabajando con niños en campamentos de ciencia, y actualmente está involucrada en la Conciencia del Universo de la Unión Europea (EU Universe Awareness, UNAWE)w4.


Review

En este artículo, la autora describe brevemente cómo se forman los agujeros negros en el espacio, y cómo interactúan con lo que se conoce como el ‘espacio–tiempo’. Posteriormente describe, de forma muy simple pero impactante, diversos experimentos para demostrar la formación de agujeros negros, y cómo pueden alterar el espacio a su alrededor.

Preguntas de asimilación adecuadas después de las actividades incluyen:

  • Describe los agujeros negros.
  • ¿Qué permite a las estrellas ser / permanecer estables? (Tus estudiantes pueden discutir conceptos como la gravedad y la fusión.)
  • ¿Qué es singularidad?
  • ¿Cómo influye la gravedad sobre objetos masivos? ¿Qué ocurre con los fotones (luz)?
  • ¿Qué son los agujeros negros supermasivos?

Gerd Vogt, HLUW Yspertal, Austria




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