Horizonte de eventos (Event horizon)

Dentro del campo de la astrofísica, un horizonte de sucesos denota un límite espacio-temporal desde el cual ninguna señal puede propagarse a un observador específico. Wolfgang Rindler introdujo este término en los años 50.

En astrofísica, un horizonte de sucesos es un límite en el espacio-tiempo más allá del cual ninguna señal puede llegar a un observador determinado. Wolfgang Rindler acuñó el término en la década de 1950.

En 1784, John Michell postuló que la fuerza gravitacional cerca de objetos compactos suficientemente masivos podría ser tan intensa como para impedir que incluso la luz se escape. Durante esa época, los marcos científicos predominantes incluían la gravitación newtoniana y la teoría corpuscular de la luz. Dentro de estas construcciones teóricas, si la velocidad de escape gravitacional de un objeto masivo superara la velocidad de la luz, la luz emitida desde dentro o desde su superficie escaparía temporalmente antes de ser retirada. Posteriormente, en 1958, David Finkelstein empleó la relatividad general para establecer una definición más rigurosa del horizonte de sucesos de un agujero negro local. Esto se conceptualizó como un límite más allá del cual ningún evento podría influir en un observador externo, generando así información y paradojas de cortafuegos que impulsaron una reevaluación de los horizontes de eventos locales y la comprensión fundamental de los agujeros negros. En consecuencia, surgieron varias teorías, algunas incorporando horizontes de eventos y otras no. Stephen Hawking, un destacado teórico de la física de los agujeros negros, propuso sustituir el horizonte de sucesos por un horizonte aparente, afirmando: "El colapso gravitacional produce horizontes aparentes pero no horizontes de sucesos". En última instancia, concluyó que "la ausencia de horizontes de sucesos significa que no hay agujeros negros, en el sentido de regímenes desde los cuales la luz no puede escapar al infinito".

Un objeto que se acerca al horizonte desde la perspectiva de un observador parecerá desacelerar, sin cruzar nunca definitivamente el límite. Al mismo tiempo, el corrimiento al rojo gravitacional hace que su espectro visual se desplace hacia el rojo a medida que el objeto se acerca al horizonte.

Dentro de un universo en expansión, la tasa de expansión puede alcanzar, e incluso superar, la velocidad de la luz, impidiendo así que las señales lleguen a ciertas regiones cósmicas. Un horizonte de sucesos cósmico constituye un horizonte de sucesos genuino, ya que su influencia se extiende a todas las formas de señales, incluidas las ondas gravitacionales, que se propagan a la velocidad de la luz.

Categorías de horizontes más especializadas abarcan los horizontes absoluto y aparente, que son fenómenos relacionados pero distintos observados en las proximidades de los agujeros negros. Otras clasificaciones distintas incluyen:

• Los horizontes de Cauchy y Killing.
• Las esferas de fotones y ergosferas asociadas con la solución de Kerr.
• Horizontes cosmológicos y de partículas, que son pertinentes para el estudio de la cosmología.
• Horizontes aislados y dinámicos, los cuales tienen una importancia significativa en la investigación contemporánea de agujeros negros.

El horizonte de sucesos cósmicos

Dentro de la cosmología, el horizonte de sucesos del universo observable se define como la distancia máxima desde la cual la luz emitida en el momento presente puede llegar a un observador en el futuro. Este concepto difiere del horizonte de partículas, que denota la mayor distancia comomóvil desde la cual la luz emitida en el pasado podría haber llegado a un observador en una época específica. Los eventos que se originan más allá de esta distancia siguen siendo inobservables, ya que la luz no ha tenido tiempo suficiente para atravesar el espacio intermedio hasta nuestra ubicación, incluso si se emitió en el inicio del universo. La evolución temporal del horizonte de partículas depende de las características de la expansión cósmica. Si la expansión exhibe propiedades particulares, ciertas regiones del universo permanecerán perpetuamente inobservables, independientemente del tiempo que un observador pueda esperar por la luz de esas áreas. El límite último más allá del cual los eventos nunca pueden observarse constituye un horizonte de eventos, que significa el alcance máximo del horizonte de partículas.

El criterio para determinar la existencia de un horizonte de partículas para el universo se articula de la siguiente manera: una distancia comoving, denotada como d_p, se define como:

d p = ∫<!-- ∫ --> §2122§ t §2930§ c un ( t ) d t . {\displaystyle d_{p}=\int _{0}^{t_{0}}{\frac {c}{a(t)}}\,dt.}

Esta ecuación define a como el factor de escala, c como la velocidad de la luz y t§67§ como la edad del Universo. Un horizonte de eventos está ausente si d_p → ∞, lo que indica que los puntos están infinitamente distantes y son observables. Por el contrario, un horizonte está presente cuando d_p ≠ ∞.

Los modelos cosmológicos que carecen de un horizonte de sucesos incluyen universos compuestos principalmente de materia o radiación. Por el contrario, un universo dominado por la constante cosmológica, conocido como universo de Sitter, ejemplifica un modelo que presenta un horizonte de sucesos.

Una publicación académica sobre el modelo cosmológico FLRW presentó cálculos para las velocidades de los horizontes cosmológicos de sucesos y partículas, basados en una aproximación del Universo como compuesto de constituyentes que no interactúan, cada uno de los cuales se comporta como un fluido perfecto.

El horizonte aparente de una partícula acelerada

En un universo libre de gravedad y que no se expande, una partícula que se mueve a una velocidad constante eventualmente observará cualquier evento, ya que los conos de luz delanteros de estos eventos cruzan su línea mundial. Sin embargo, si la partícula sufre una aceleración, es posible que ciertos conos de luz nunca crucen su línea mundial. En tales escenarios, emerge un horizonte aparente dentro del marco de referencia en aceleración de la partícula, delineando un límite más allá del cual los eventos permanecen inobservables.

Este fenómeno se ejemplifica con una partícula uniformemente acelerada. Su diagrama espacio-temporal ilustra una trayectoria hiperbólica que se acerca asintóticamente a una línea de 45 grados, que representa la trayectoria de un rayo de luz. A medida que la partícula acelera, se acerca, pero nunca alcanza, la velocidad de la luz en relación con su sistema de referencia inicial. En consecuencia, cualquier evento cuyo borde del cono de luz coincida con esta asíntota o se extienda más allá permanece inobservable para la partícula acelerada. Dentro del marco de referencia de la partícula, se forma un horizonte aparente detrás de ella, que impide el escape de cualquier señal. La distancia a este límite está definida por ${\displaystyle c^{2}/a}$, donde a denota la aceleración adecuada constante de la partícula.

Aunque los escenarios del mundo real, como los de los aceleradores de partículas, pueden aproximarse a esta situación, nunca se forma un horizonte de sucesos genuino. Su formación requeriría una aceleración indefinida de las partículas, lo que exigiría aportes de energía arbitrariamente vastos y un aparato de tamaño ilimitado.

Interacción con un horizonte cósmico

Para un observador que acelera uniformemente en el espacio vacío, el horizonte percibido mantiene una distancia constante, independientemente del movimiento de su entorno. Los ajustes a la aceleración del observador pueden inducir un movimiento aparente del horizonte a lo largo del tiempo o, dependiendo de la función de aceleración específica, impedir por completo la existencia de un horizonte de sucesos. El observador no contacta físicamente con el horizonte ni atraviesa su ubicación aparente.

Dentro de un universo de Sitter, un observador que no acelera percibe consistentemente el horizonte a una distancia fija. Este horizonte permanece intacto, incluso para un observador en aceleración.

El horizonte de sucesos de un agujero negro

Una ilustración destacada de un horizonte de sucesos se origina en la caracterización de un agujero negro según la relatividad general: un cuerpo celeste de una densidad tan inmensa que ni la materia próxima ni la radiación pueden escapar de su influencia gravitacional. Aunque frecuentemente se define como el límite donde la velocidad de escape del agujero negro excede la velocidad de la luz, una explicación más precisa postula que dentro de este horizonte, todas las trayectorias similares a la luz (y, en consecuencia, todos los caminos dentro de los conos de luz delanteros de las partículas) están distorsionados, llevándolos más hacia el agujero negro. Una vez que una partícula cruza este horizonte, su progresión hacia el agujero negro se vuelve tan ineludible como avanzar a través del tiempo, independientemente de su dirección de viaje, y puede considerarse análoga, dependiendo del sistema de coordenadas espacio-temporal elegido.

El radio de Schwarzschild define el horizonte de sucesos para un cuerpo celeste no giratorio que colapsa dentro de este radio específico; Los agujeros negros en rotación exhiben características ligeramente diferentes. Este radio es directamente proporcional a la masa de un objeto. En teoría, cualquier cantidad de materia formaría un agujero negro si se comprimiera lo suficiente como para caber dentro de su radio de Schwarzschild calculado. Por ejemplo, el radio de Schwarzschild del Sol es de aproximadamente 3 kilómetros (1,9 millas), mientras que el de la Tierra es de aproximadamente 9 milímetros (0,35 pulgadas). Sin embargo, ni la Tierra ni el Sol poseen la masa y la fuerza gravitacional necesarias para superar las presiones de degeneración de electrones y neutrones que impiden tal colapso. La masa estelar mínima necesaria para superar estas presiones y sufrir un colapso gravitacional se conoce como límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, que es aproximadamente tres masas solares.

Los modelos fundamentales de colapso gravitacional indican que un horizonte de sucesos precede a la formación de la singularidad de un agujero negro. Si todas las estrellas dentro de la Vía Láctea convergieran progresivamente hacia el centro galáctico, manteniendo sus distancias relativas, colectivamente caerían dentro de su radio de Schwarzschild combinado mucho antes de que se produjera cualquier colisión física. Hasta que se produzca un colapso en un futuro tan lejano, los observadores que residen dentro de una galaxia envuelta por un horizonte de sucesos continuarían su existencia sin interrupción inmediata.

La naturaleza de los horizontes de sucesos de los agujeros negros se malinterpreta con frecuencia. Una creencia predominante, aunque incorrecta, postula que los agujeros negros "aspiran" activamente el material cercano; sin embargo, no poseen mayor capacidad para atraer materia que cualquier otro cuerpo gravitacional. De manera análoga a cualquier masa en el cosmos, el material debe ingresar al campo gravitacional de un agujero negro para que se produzca su captura o acreción. Otro error común es la observación directa de la materia cayendo en un agujero negro, lo cual es inviable. Los astrónomos sólo pueden detectar discos de acreción que rodean los agujeros negros, donde la alta velocidad del material en órbita genera intensas fuerzas de fricción, produciendo radiación detectable de alta energía. Al mismo tiempo, parte de la materia de estos discos de acreción es expulsada a lo largo del eje de rotación del agujero negro, formando chorros visibles cuando interactúan con el gas interestelar o cuando se dirigen hacia la Tierra. Además, un observador remoto nunca presenciaría un objeto cruzando el horizonte de sucesos. En cambio, a medida que un objeto se acerca al agujero negro, su movimiento aparente se ralentizaría progresivamente y cualquier luz emitida sufriría un desplazamiento al rojo cada vez mayor.

Alternativamente, el horizonte de sucesos puede caracterizarse por la estructura causal del espacio-tiempo. Las trayectorias que cruzan un punto específico en el espacio-tiempo están restringidas a trayectorias dentro de un cono de luz, dictadas por la velocidad de la luz. La curvatura del espacio-tiempo influye en la orientación de estos conos de luz. En el horizonte de sucesos de un agujero negro, la curvatura se intensifica hasta tal punto que todos los caminos posibles conducen exclusivamente hacia el agujero negro, sin rutas de escape.

Desde una perspectiva topológica, el horizonte de sucesos está definido por la estructura causal como el cono nulo pasado del infinito temporal conforme futuro. El horizonte de sucesos de un agujero negro posee un carácter teleológico, lo que implica que está determinado por acontecimientos futuros. Más precisamente, determinar la existencia de un horizonte de sucesos requeriría el conocimiento de la historia completa del universo extendiéndose hasta el futuro infinito, una hazaña inalcanzable para los observadores cuasilocales, incluso en principio. En consecuencia, ningún experimento o medición realizada dentro de una región de espacio-tiempo finita y un intervalo de tiempo finito puede confirmar definitivamente la presencia de un horizonte de eventos. Debido a esta definición inherentemente teórica, un objeto que atraviesa el horizonte de sucesos no necesariamente encuentra fenómenos inusuales y, en su momento, cruza este límite calculado dentro de una duración finita.

Interacciones con horizontes de eventos de agujeros negros

Un error común sobre los horizontes de sucesos, particularmente aquellos asociados con los agujeros negros, los postula como un límite inflexible que aniquila los objetos que se acercan. Sin embargo, desde la perspectiva de cualquier observador externo, todos los horizontes de sucesos parecen estar situados a una distancia finita. Nunca se observa que los objetos dirigidos hacia un horizonte de eventos lo atraviesen desde el punto de vista del observador emisor, principalmente porque el cono de luz del evento que cruza el horizonte nunca cruza la línea mundial del observador. Además, mantener un objeto en una posición estacionaria con respecto a un observador cerca del horizonte requiere la aplicación de una fuerza que aumenta infinitamente a medida que el objeto se acerca al horizonte.

Para el horizonte de sucesos de un agujero negro, los observadores que permanecen estacionarios con respecto a un objeto distante coincidirán en su ubicación precisa. Aunque esto podría sugerir que se podría bajar a un observador con una cuerda o varilla para hacer contacto con el horizonte, esto es prácticamente inviable. Si bien la distancia adecuada al horizonte es finita, lo que implica una longitud de cuerda finita, un descenso lento (donde cada punto de la cuerda está aproximadamente en reposo en coordenadas de Schwarzschild) sometería a los puntos más cercanos al horizonte a aceleraciones adecuadas (fuerzas G) que se aproximan al infinito, provocando inevitablemente que la cuerda se rompa. Por el contrario, si la cuerda se baja rápidamente, potencialmente incluso en caída libre, el observador situado en su extremo podría tocar e incluso cruzar el horizonte de sucesos. Sin embargo, una vez que esto ocurre, recuperar la sección inferior de la cuerda más allá del horizonte de sucesos se vuelve imposible. Si se tensa la cuerda, las fuerzas a lo largo de ella aumentarían sin límite a medida que se acercaran al horizonte de sucesos, lo que provocaría una rotura inevitable. Fundamentalmente, esta ruptura no ocurriría en el horizonte de eventos en sí, sino en un punto observable por el segundo observador externo.

Suponiendo que el horizonte aparente potencial esté situado significativamente dentro del horizonte de sucesos, o esté completamente ausente, los observadores que atraviesen el horizonte de sucesos de un agujero negro no percibirían ni experimentarían ningún fenómeno inmediato y distinto. Visualmente, un observador que cayera en el agujero negro eventualmente percibiría el horizonte aparente como una región negra y opaca que abarca la singularidad. Otros objetos que previamente entraron en la región del horizonte a lo largo de la misma trayectoria radial permanecerían visibles debajo del observador, siempre que aún no hayan cruzado el horizonte aparente, lo que permitiría una posible comunicación. A nivel local, se hacen perceptibles las crecientes fuerzas de marea, cuya magnitud es función de la masa del agujero negro. En el contexto de los agujeros negros estelares realistas, la espaguetificación (el desgarro del material por las fuerzas de marea) ocurre mucho antes de alcanzar el horizonte de sucesos. Por el contrario, dentro de los agujeros negros supermasivos, normalmente ubicados en centros galácticos, la espaguetificación se manifiesta dentro del horizonte de sucesos. En consecuencia, un astronauta humano sólo podría sobrevivir al paso a través de un horizonte de sucesos si el agujero negro posee una masa de aproximadamente 10.000 masas solares o más.

Más allá de la Relatividad General

Si bien un horizonte de sucesos cósmico se acepta generalmente como un límite físico genuino, la caracterización de un horizonte de sucesos de un agujero negro local proporcionada por la relatividad general se considera incompleta y controvertida. Cuando las circunstancias que conducen a los horizontes de eventos locales se analizan a través de un marco cosmológico más completo, uno que integra tanto la relatividad como la mecánica cuántica, se anticipa que estos horizontes de eventos locales exhibirán propiedades distintas de las predichas únicamente por la relatividad general.

Actualmente, el mecanismo de radiación de Hawking postula que la principal influencia de los efectos cuánticos en los horizontes de eventos es la adquisición de una temperatura, lo que lleva a la emisión de radiación. En el contexto de los agujeros negros, este fenómeno se conoce como radiación de Hawking, y la investigación más amplia sobre cómo los agujeros negros adquieren temperatura constituye un aspecto central de la termodinámica de los agujeros negros. Para las partículas en aceleración, este efecto cuántico se manifiesta como el efecto Unruh, que hace que el espacio circundante parezca poblado de materia y radiación.

La controvertida hipótesis del cortafuegos del agujero negro propone que la materia que caiga en un agujero negro sería incinerada por un "cortafuegos" de alta energía situado en el horizonte de sucesos.

El principio de complementariedad ofrece una perspectiva alternativa, postulando que desde el punto de vista de un observador distante, la materia que cae sufre una termalización en el horizonte y posteriormente se reemite como radiación de Hawking. Por el contrario, un observador que cayera en el agujero negro percibiría que la materia atraviesa la región interior sin obstáculos hasta su destrucción en la singularidad. Esta hipótesis se alinea con el teorema de la no clonación, ya que sólo existe una copia de la información desde el marco de referencia de cualquier observador específico. Además, la complementariedad de los agujeros negros está respaldada por los comportamientos de escala de las cuerdas a medida que se acercan al horizonte de sucesos, lo que indica que dentro del sistema de coordenadas de Schwarzschild, estas cuerdas se extienden para abarcar el horizonte y se termalizan en una membrana con un espesor de longitud de Planck.

Una comprensión integral de los horizontes de sucesos locales, que son generados por fuerzas gravitacionales, requiere, como mínimo, el desarrollo de una teoría de la gravedad cuántica. La teoría M representa un candidato potencial para dicha teoría, mientras que la gravedad cuántica de bucles ofrece otro marco teórico prometedor.

Fuerza Abraham-Lorentz

• Fuerza Abraham-Lorentz
• Métrica acústica
• Más allá de los agujeros negros
• Electrón de agujero negro
• Nave espacial con agujero negro
• Hipótesis de la censura cósmica
• Horizonte dinámico
• Telescopio del Horizonte de Sucesos
• Radiación de Hawking
• Kugelblitz (astrofísica)
• Micro agujero negro
• Coordenadas de Rindler

Notas

Referencias

Misner, Charles W.; Thorne, Kip S.; Wheeler, John Archibald (1973). Gravitación (27ª edición). Nueva York, Nueva York: Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0.

• Misner, Charles W.; Thorne, Kip S.; Wheeler, John Archibald (1973). Gravitación (27. edición impresa). Nueva York, Nueva York: Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0.Hawking, Stephen W. (2001). El universo en pocas palabras. Nueva York: Bantam. ISBN 978-0-553-80202-3.Thorne, Kip S. (1994). Agujeros negros y distorsiones del tiempo: el escandaloso legado de Einstein. El programa de libros del Fondo Commonwealth. Nueva York/Londres: Norton. ISBN 978-0-393-31276-8.Ashtekar, Abhay; Krishnan, Badri (2004). "Horizontes aislados y dinámicos y sus aplicaciones". Revisiones vivas en la relatividad. 7 (1): 10. arXiv:gr-qc/0407042. Bibcode:2004LRR.....7...10A doi:10.12942/lrr-2004-10 ISSN 2367-3613.5253930. title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rft.genre=article&rft.jtitle=Vivir+Reseñas+en+la+relatividad&rft.atitle=Aislado+y+dinámico+horiz ons+y+sus+aplicaciones&rft.volume=7&rft.issue=1&rft.pages=10&rft.date=2004&a mp;rft_id=https%3A%2F%2Fnlm.nih.gov%2Fpmc%2Farticles%2FPMC5253930%23id-name%3DPMC&rft_id=inf o%3Abibcode%2F2004LRR.....7...10A&rft_id=info%3Aarxiv%2Fgr-qc%2F0407042&rft.issn=2367-36 13&rft_id=info%3Adoi%2F10.12942%2Flrr-2004-10&rft_id=info%3Apmid%2F28163644&rft.aula st=Ashtekar&rft.aufirst=Abhay&rft.au=Krishnan%2C+Badri&rft_id=https%3A%2F%2Fnlm.nih. gov%2Fpmc%2Farticles%2FPMC5253930&rfr_id=info%3Asid%2Fen.</span></li></ul> </artículo> <div class=">Fuente: Archivo de la Academia TORIma