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En esta actividad, los estudiantes investigarán cómo se detectan los agujeros negros basándose en el efecto que tienen en su entorno. Crearán un modelo para simular el fenómeno de la lente gravitacional que se crea porque la gravedad del agujero negro curva la luz.
Entender cómo se detectan los agujeros negros basándose en el efecto que tienen en su entorno.
Gravedad La gravedad es una fuerza que hace que los objetos se muevan, acercando las cosas entre sí. Todo objeto con masa tiene gravedad. Percibimos la gravedad cuando saltamos hacia arriba y somos atraídos de vuelta hacia abajo por la tierra. Los planetas, estrellas, lunas y otros objetos en el Universo tienen gravedad. Por eso orbitan unos alrededor de otros, como por ejemplo, la Tierra orbita alrededor del Sol o la luna orbita alrededor de la Tierra, en lugar de volar aleatoriamente en el espacio. Por eso vemos la luna y el Sol todos los días.
Cuanto más masa tiene algo, más fuerte es la gravedad que produce. La gravedad de la Tierra es más fuerte que la de la Luna porque es más masiva. Entonces, nuestros cuerpos son atraídos hacia abajo en la Tierra de manera más fuerte que si estuviéramos en la Luna. Por eso, los astronautas pueden saltar más alto y con más facilidad en la Luna que en la Tierra. Nuestros cuerpos también ejercen fuerza gravitacional sobre otros objetos, pero debido a que nuestra masa es tan pequeña, la gravedad de nuestros cuerpos no afecta a los objetos que podemos ver. La fuerza de la gravedad también cambia con la distancia a un objeto. La atracción entre la Tierra y la luna es más fuerte que entre la Tierra y Júpiter. Esto se debe a que la Tierra está más cerca de la Luna que de Júpiter.
La gravedad fue descrita por primera vez por Newton como una fuerza. Descrita hace más de 300 años, la teoría de la gravedad de Newton todavía se utiliza hoy en día. Se utilizó cuando los científicos trazaron la ruta para llevar al hombre a la luna, y aún se utiliza para construir puentes sobre ríos. Aunque la teoría de Newton describe la fuerza de la gravedad bastante precisamente, él no sabía qué causaba la gravedad ni cómo funcionaba. Estos conceptos permanecieron desconocidos durante casi 250 años, hasta que Albert Einstein describió la gravedad como la curvatura del espacio. El espacio tiene 3 dimensiones: arriba-abajo, izquierda-derecha y adelante-atrás; y puede visualizarse como un tejido, como una sábana elástica. Cualquier objeto con masa deforma el espacio, igual que una canica crea un hundimiento en la superficie de la sábana elástica. Esta curvatura del espacio provoca que los objetos interactúen entre sí, a menudo moviéndose el uno hacia el otro, lo cual se ve como gravedad, una consecuencia natural de la influencia de la masa en el espacio. Cuanta más masa tiene algo, más curva el espacio, y, por lo tanto, más gravedad hay.
Agujero negro Un agujero negro es una región en el espacio donde la fuerza de gravedad es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Un agujero negro puede ser muy muy pequeño en tamaño pero puede contener mucha masa. Algunos agujeros negros son el resultado de estrellas gigantes moribundas, varias veces más grandes que nuestro Sol. Al final de su vida, las estrellas se apagan y colapsan, provocando que parte del material de la estrella muerta sea comprimido en un espacio diminuto. Tal compresión enorme de la masa curva el espacio tanto que crea un pozo profundo. El resultado es la formación de lo que llamamos agujero negro, objeto caracterizados por una gravedad extrema. Debido a que su masa está tan concentrada, otros objetos pueden acercarse mucho a un agujero negro, donde el espacio está fuertemente curvado, y quedar atrapados para siempre en este pozo gravitacional.
Los agujeros negros no tienen más masa que otros objetos en el Universo necesariamente, pero la compresión de su masa crea una gravedad extrema cerca de ellos. Después de su formación, los agujeros negros pueden continuar creciendo, haciéndose más masivos a medida que acumulan más material de su entorno, como estrellas, gas, polvo y otros agujeros negros. Los agujeros negros pueden ser desde tan masivos como tres Soles hasta más de un millón de Soles. Las cosas que entran en un agujero negro se pierden para siempre una vez que cruzan su frontera de no retorno: el horizonte de sucesos. A medida que nos acercamos a un agujero negro, el espacio se curva cada vez más y la gravedad aumenta muy rápidamente. El horizonte de sucesos es la región límite del agujero negro donde la atracción de la gravedad se vuelve tan extrema que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Se cree que hay alrededor de 100 millones de agujeros negros de masas estelares dentro de nuestra propia galaxia.
Observación de agujeros negros Debido a su gravedad extrema, los agujeros negros son trampas espaciales perfectas. La luz viaja extremadamente rápido (nada puede viajar más rápido), tardando solo 1.3 segundos en viajar entre la luna y la Tierra. Si nos moviéramos a la velocidad de la luz, podríamos viajar alrededor de la Tierra 7.5 veces en solo un segundo. Por lo tanto, la atracción de la gravedad en un agujero negro debe ser extremadamente alta si ni la luz puede escapar de él. Cuando la luz entra en un agujero negro, no encuentra una salida y se queda en su interior. Por eso, un agujero negro es invisible y muy difícil de detectar para los astrónomos. Sin embargo, hay algunas formas de detectar agujeros negros.
Cuando un agujero negro se está alimentando de la materia en su cercanía, ese material puede volverse muy brillante, dando lugara a un fenómeno llamado disco de acreción que permite su detección. La extrema gravedad de un agujero negro provoca que el material cercano sea atraído hacia él. Este material puede incluir pequeñas cantidades de gas de una estrella cercana, o el polvo y demás material estelar que se forma cuando una estrella está siendo desgarrada. Cuanto más se acerca este material al agujero negro, más rápido orbita, y se roza y colisiona contra el resto del material que gira también hacia el agujero. La fricción creada provoca que el material se caliente a temperaturas muy altas. Dondequiera que haya calor, hay emisión de radiación electromagnética térmica, que es luz. Un ejemplo es nuestro cuerpo, que también emite radiación térmica y se puede ver mirando a través de gafas de imagen térmica. Otro ejemplo es cuando una pieza de metal se calienta a una temperatura muy alta y podemos verla brillar.
Cuando la temperatura del material alrededor del agujero negro aumenta, la energía emitida en forma de radiación también aumenta. Debido a que los materiales que se acercan girando alrededor del agujero negro se calientan extremadamente, estos brillan y forman un brillante disco aplanado de materia en rotación, llamado disco de acreción, alrededor del horizonte de sucesos. Aunque los agujeros negros son invisibles en sí mismos, este disco de acreción puede ser visto por astrónomos porque los materiales girando en espiral aún no han pasado el horizonte de sucesos para perderse para siempre. La luz del disco de acreción irradia hacia el universo y nos permite ver dónde hay un agujero negro y qué le está haciendo a su entorno. Además, a medida que el material se acerca girando alrededor del agujero negro, cuando está muy cerca pero justo antes de cruzar el horizonte de sucesos, parte de este material puede ser expulsado hacia el exterior en forma de haces de material concentrados y súper rápidos, llamados ‘chorros’.
En el caso de agujeros negros que no están alimentándose de material circundante y no pueden ser observados a través de sus discos de acreción, su presencia puede ser revelada por el efecto de su gravedad en estrellas que aparentemente orbitan alrededor de la nada. Esto es como los planetas, que mantenien su órbita alrededor del Sol. Pero en lugar de algo visible como nuestro Sol, estas estrellas simplemente orbitan alrededor de un espacio vacío. Por lo tanto, los astrónomos pueden asumir que hay un agujero negro allí. Esto ocurre en el centro de nuestra propia galaxia, donde vemos estrellas como la estrella S2, orbitando rápidamente alrededor de un punto invisible.
Adicionalmente, la existencia de un agujero negro puede ser evidente a través de un efecto óptico, llamado lente gravitacional, que se ve como el resultado de la luz siendo doblada por la gravedad generada por el agujero negro. La luz normalmente viaja en línea recta en el espacio. Pero debido a la extrema gravedad de un agujero negro, que curva el espacio, la luz que pasa cerca de un agujero negro viajará a lo largo de esta curvatura, en lugar de en línea recta, es decir, la luz se dobla. Por lo tanto, un agujero negro puede actuar como una lente, doblando la luz que venga de detrás de él. Al observar galaxias distantes con telescopios, los astrónomos han observado extraños anillos y arcos de luz, a pesar de no haber ninguna masa visible en esa dirección. Esto indica la presencia de un agujero negro invisible que está creando curvatura debido a la gravedad y enfocando la luz hacia nosotros como una lente.
La actividad está dividida en 4 partes. Para las primeras 3 partes, al comienzo de cada una, el profesor puede explicar el concepto detrás de esa parte y luego permitir que los estudiantes intenten la actividad por sí mismos siguiendo la hoja de trabajo del estudiante. Después de un tiempo especificado, el profesor discute y sigue (si es necesario) con los estudiantes, los pasos de la actividad que acaban de realizar y proporciona más elaboración. Solo para la parte 4, sería mejor que el maestro demostrara la actividad mientras los estudiantes le siguen. Decida cuál es la mejor configuración del aula para el final de la parte 4, cuando se están usado las velas, para garantizar una comprensión clara y también la seguridad.
El uso de una sábana elástica y canicas para demostrar la gravedad está inspirado en la actividad anterior de ASTROedu ‘Modelo de un agujero negro’. La actividad de lente gravitacional se basa en actividades de Perimeter Institute for Theoretical Physics y del sitio web Inside Einstein's Universe. Para que los estudiantes comprendan cómo un agujero negro obtiene una gravedad extrema y captura cualquier cosa que se acerque demasiado, consulten la Actividad “¿Qué es un agujero negro?” (nivel de 11 a 14 años). Para que los estudiantes sepan qué sucede cuando un agujero negro consume material de su entorno, vean la Actividad “Alimentando agujeros negros y lo que le sucede al Universo?” (nivel de 11 a 14 años).
Esta actividad primero refuerza la comprensión de los niños sobre la gravedad. A través de ella entienden por qué los agujeros negros tienen una gravedad tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. La gravedad de un agujero negro es un concepto clave para entender cómo los astrónomos observan algo invisible (como un agujero negro).
http://www.physicsoftheuniverse.com/topics_blackholes_event.htmlhttps://cnx.org/contents/LnN76Opl@10.22:Nm5VnVCq@3/Black-Holeshttp://science.howstuffworks.com/dictionary/astronomy-terms/black-hole3.htm http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes/encyc_mod3_q11.htmlhttp://earthsky.org/space/einstein-ring-helps-weigh-a-black-hole
