Zulo Beltzak: Unibertsoko Objektu Harrigarrienak

Zer gertatuko litzateke Lur planeta osoa bere ozeano, mendi eta izaki bizidun guztiekin batera hartu eta zentimetro bateko bolatxo txiki batean metatuko bagenu? Zentzugabeko ideia bat dirudi honek, zientzia fikziozko pelikuletako buruhauste horietako bat bezalakoa. Azken finean, zinez badakigu unibertso osoan ez dagoela horrenbesteko indarra duen ez zapalgailu ez prentsa hidraulikorik ez ezer eta, beraz, zentzugabeko burutapentzat ikus dezakegu. Baina, unibertso osoan existitzen al da horrelako dentsitatea duten objektuak sortzeko gai den gertakari naturalik? Horren erantzuna, ordea, baiezkoa da, eta sinestezina badirudi ere benetako adibide bat gure galaxiaren erdigunean dago.

Diaboloak gora

Gogoan ditut, duela urte asko jada, Zumaiako abuztuetako ilunabarretan familian ospatzen genituen afari-meriendak. Momentu berezia zen oso, familiako hamarnaka pertsona elkartzen baikinen egun berezi haiek elkarrekin pozik igarotzeko asmoz. Gainera, familian bagenuen artista berezi bat: nire lehengusua. Afari-merienda bakoitzera diabolo bat eramaten zuen eta, bertako giroa pizteko asmoz, gogotsu ibiltzen zen trikimailu ezberdinak egiten. Nik, ordea, berebiziko abilezia horiek izan ez eta liluraturik begiratzen nuen, diaboloa ahalik eta altuen botatzeko eskatuz. Hark gora eta gora botatzen zuen jostailua eta, benetan altu iristen zen arren, beti bueltatzen zen lurrera. Baina, posible litzateke diaboloari abiadura nahikoa emanda nire lehengusuarengana berriro ez itzultzea?

Elkargune familiarrak alde batera utziko ditugu eta fisika klasikoaren ikuspuntutik bilatuko diogu galdera horri erantzuna. Testuinguru horretan definitzen da objektu baten ihes-abiadura, diaboloak Lur planetaren erakarpen grabitatoriotik ihes egiteko beharko lukeen abiadura minimoa izango litzatekeena. Matematikoki modu honetan definitzen da:

non M erakarpen grabitatorioa eragiten duen objektuaren masa, R bere erradioa eta G grabitazioaren konstante unibertsala diren. Lur planetaren kasuan, ihes-abiaduraren gutxi gorabeherako balioa 11.2 km/s da. Ikus dezakegunez, ihes-abiadurak ez du diaboloaren masarekiko menpekotasunik, eremu grabitatorioa sortzen duen objektuaren parametroekiko baizik. Hori garrantzitsua da, ihes-abiadura berdina izango baita diaboloaren kasuan edo beste edozein masadun objekturen kasuan. Baina, zer gertatuko litzateke Lur planetaren erradioa erdira murriztuko bagenu? Nire lehengusuak familia txunditzeko gorriak ikusteaz gain, ihes-abiaduraren balioa 15.8 km/s-ra igoko litzateke. Planetaren tamaina R = 0.09 m-tara murriztuko bagenu, ihes-abiadura argiaren abiadura izango litzateke. Hortik aurrera Lur planetaren eremu grabitatoriotik ihes egiteko argiaren abiadura baino handiago den abiadura bat erdietsi beharko genuke, Erlatibitate Bereziaren teoriaren ikuspuntutik guztiz ezinezkoa dena. Baina existitzen al da horrelako objekturik gure unibertsoan? Erantzuna baiezkoa da, eta zulo beltzak deritzegu [1].

Testuinguru Pixka Bat

Badira jadanik bizpahiru mende, 1783. urtean hain zuzen ere, Belgikako Michell apaizak lehen aldiz objektu bitxi hauen inguruan hausnartu zuenetik. Bere hitzetan “Eguzkiaren diametroa baino 500 aldiz handiagoko objektu batek eragingo lukeen erakarpen grabitatorioa eta (ondorioz) ihes-abiadura hain lirateke handiak, gorputz horrek igorritako argiak atzera itzultzeko beharra izango du grabitatearen indarraren ondorioz”. Urte batzuk geroago, Laplace fisikari famatuak ere burutapen beraren inguruan hausnartu eta “izar ikusezin” moduan definitu zituen objektu bitxi horiek. Tamalez, garai hartan hain dentsitate altuko objektuak guztiz imajinaezinak ziren eta, gainera, grabitateak argiaren ibilbidea desbideratzearen ideia ere ez zegoen oso onartua komunitate zientifikoan.

Kontestua hori izanik, 1915. urtean Albert Einstein fisikari alemaniarrak Erlatibitate Orokorraren teoria iraultzailea garatu zuen. Teoria horren arabera, grabitatea espazio-denbora izeneko ehunaren kurbaduraren ondorio bat besterik ez da eta, gainera, kurbadura horren presentziaren eraginez argiaren ibilbidea ere aldatu egiten da. Zoritxarrez, Einsteinek berak teoria hori kaleratu zuen arren, ez zen gai izan berori definitzen duen eremu-ekuazioen soluzio zehatzik aurkitzeko. Hala ere, hilabete eskas batzuk itxaron behar izan zituen soilik bilatzen zegoena lortu ahal izateko; alemaniako gerrako erretaguardian zegoen Karl Schwarzschild zientzialariaren mezu bat iritsi baizitzaion. Schwarzschildek, gerra erdian penfigoz gaixorik zegoela, Einsteinen eremu-ekuazioen lehen soluzio zehatza kalkulatzea lortu zuen eta, ondorioz, zulo beltzaren kontzeptua matematikoki ezaugarritu zuen lehen pertsona izan zen. Zoritxarrez, garai hartako zientzialari guztien jarrera oraindik nahiko eszeptikoa zen eta honelako ideiak trikimailu matematikotzat irudikatu izan ziren 60. hamarkada iritsi arte. Baina 1965. urtean, lehenengo zulo beltza behatu zen (Cygnus X-1) eta ordutik izugarrizko arrakasta lortu dute. Beraz, askorentzat unibertsoko objektu harrigarrienak bihurtu dira. Baina, zer da benetan zulo beltz bat? Eta zergatik dira hain bereziak?

Zulo Beltzak Ulertzen

Zulo beltzen kontzeptua ulertu ahal izateko Erlatibitate Orokorraren oinarri sinpleenak barneratzea ezinbesteko afera bat da. Teoria horren arabera, gure mundua espazio-denbora izeneko ehun batek osatzen du, edo hobeto esanda, gu geu gara ehun horretan murgilduta gaudenak. Badira jadanik urte batzuk eskolan gauzak non dauden azaltzeko koordenatuen kontzeptua irakatsi zigutela. Koordenatu horiei koordenatu espazialak deituko diegu eta matematikoki (x,y,z) bezala adierazten dira. Orain, hiru koordenatu horiei beste bat gehituko diegu, guk denboratzat ulertzen duguna, t hain zuzen ere. Beraz, (x,y,z,t) lau koordenatu ditugu eta koordenatu multzo horrek berak ezaugarritzen du aurretik aipatutako ehuna: espazio-denbora. Gainera, masak ere berebiziko garrantzia du ehunean, bere presentziak gure ehunaren egitura alda dezakeelako. Hala ere, lau dimentsiotako gauzak irudikatzea zinez zaila da eta, hortaz, aurreko kontzeptuak hobeto ulertzeko izarak erabiliko ditugu.

Saia gaitezen gure 4 dimentsioko espazio-denbora sukaldeko maindire bat balitz bezala ulertzen. Lehen irudian ikus dezakezuen bezala, inolako objekturik egon ezean gure espazio-denborak honelako itxura hartzen du: guztiz uniformea norabide guztietan. Hala ere, aurretik aipatu dugun moduan, masa baten presentziak gure ehunaren egitura aldatzen du eta horren adibidea bigarren irudia izango litzateke. Ikus dezakegunez, masak ehuna kurbatu egiten du, hau da, gure espazio-denbora kurbatzen du. Kontzeptu eskematiko hau errealitatera eraman dezakegu ezagunak ditugun astroek espazio-denbora nola kurbatzen duten ikusteko. 

Aurreko irudian ikus daitekeenez, Eguzkia eta Lurraren inguruko espazio-denbora nabarmen kurbatzen da. Erlatibitate Orokorraren teorian honela ulertzen da grabitatea; espazio-denboraren kurbaduraren ondorioa da, hain zuzen ere. Gainera, objektuen dentsitatea ere oso garrantzitsua da, zenbat eta altuagoa izan orduan eta eragin handiagoa baitute espazio-denboran. Arrazoi honegatik orbitatzen dute planetek Eguzkiaren inguruan, azken honen dentsitatea askoz altuagoa izanik, gehiago kurbatzen baitu espazio-denbora. Hala ere, ezagutzen ditugu gure Eguzkia baino askoz dentsitate altuagoko objektuak; neutroi-izarrak, adibidez. Horien dentsitatea Eguzkiaren dentsitatea baino 1014  aldiz handiagoa da eta unibertso osoko objektu masiboenetarikoak kontsideratzen dira. Eta zer gertatzen da dentsitatea gehiago handitzen badugu? Espazio-denbora izugarri tolesteaz gain, edozein astroren ihes-abiadura argiaren abiadura baino handiagoa izanez gero zulo beltz bat lortzen dugula.

Zulo beltzak dentsitatea oso altua den espazio-denborako puntuetan sortzen dira, hau da, izugarrizko masa handiak espazio oso txikietan metatzen direnean. Gainera, aurretik aipatu bezala, zulo beltzen ihes-abiadura argiaren abiadura baino handiagoa da eta, beraz, objektu bitxi hauen eremu grabitatioriotik argia ere ezin da irten (hortik datorkie beltz izena). Baina, zergatik diogu argia ere ezin dela irten? Irten nondik?

Zulo beltzek espazio-denboran sekulako kurbadura sortzen dute eta, ondorioz, haiengana erortzen doan edozein objektuk “muga” jakin bat zeharkatzean ez luke atzera bueltarik izango; zulo beltzera erortzera kondenatuta egongo litzateke. Muga horri gertaeren muga deritzo eta objektu ezberdinetarako Schwarzschilden erradioaren bitartez definitzen da:

non c argiaren abiaduraren konstante unibertsala, G grabitatearen konstante unibertsala eta M eremu grabitazionala sortzen duen objektuaren masa diren. Noski, edozein objektuk du bere Schwarszchilden erradioa, baina hori objektuaren erradioa baino handiagoa izatekotan zulo beltz baten kasuan egongo ginateke. 

Gertaeren Muga

Momentu batez imajina dezagun ondoko egoera: bi astronauta espazioan kokaturik, Irati eta Naroa. Irati, zoritxarrez, zulo beltz batera erortzeko bidean kokatzen da eta Naroak berriz, urrutitik begiratzen du bere laguna. Iratirentzat denbora aurrera doa, ohiko moduan, haren erlojuak hori adierazten baitu. Nahiz eta zulo beltzetik gero eta gertuago izan, aurretik aipatu dugun gertaeren muga gainditu du jadanik eta, gainera, ez du ezer berezirik nabaritu. Naroa, ordea, txundituta gelditzen ari da Iratiren ibilbidea urrutitik behatzen duelarik. Naroarentzat, Irati gero eta motelago ari da zulo beltzera gerturatzen eta, gainera, honek igortzen duen argia gero eta ahulagoa eta gorrixkagoa bihurtzen ari da. Denbora asko igaro ondoren, Naroarentzat Irati gertaeren mugan izoztuta gelditu da; bere irudia bertan itsatsita egongo balitz bezala.

Gertaeren muga jakin daitekeenaren eta jakin ezin denaren arteko muga ikusezin bat da. Beste modu batean esanda, ezagutzaren muga dela esan genezake ere, hortik aurreragoko informazioa ez delako inoiz atzera itzuliko. Erlatibitate Orokorraren ondorio harrigarrienetariko bat da, ez baita benetako oztopo fisiko bat, atzera bueltarik ez dagoela definitzen duen muga matematiko bat baizik. Ohikoagoak diren gertakariekin alderatzen saiatzen bagara, itsasoa bukatzen ikusten dugun ortzi-muga bat dela pentsa genezake; badakigulako badagoela zerbait haren atzean, baina ez dakigu zer. Hala ere, baditu ezaugarri berezi batzuk ere; Irati ez baita hain erraz gorritzen.

Gertaeren mugatik gero eta gertuago dagoen Iratik igortzen duen argia zulo beltzaren atzaparretatik ihesean dabil. Lehen aipatu bezala, gertaeren mugan grabitatearen eragina oso altua da eta, beraz, kanpora ihesean dabiltzan fotoiak luzatu egiten dira eta kolore gorrixka hartzen dute. Gainera, kanporantz doazen fotoi horiei gero eta gehiago kostatzen zaie Naroarengana iristea eta, ondorioz, Iratiren irudia ahulagoa ikusten du azken honek. Hori gutxi balitz, Erlatibitate Orokorraren teoriaren arabera urruti kokatuta dagoen Naroarentzat Iratiren denbora askoz motelago doa aurrera eta, honexegatik, gertaeren mugan kokatzean Iratiren irudia geldi egongo balitz bezala ikusten du.

Baina, orduan, zer demontre gertatzen zaio Iratiri? Haren irudiari dagokionez, desagertu egiten da; hark igortzen duen argia hain gorri eta ahul bihurtzen da non teleskopio batek ere ezingo lukeen detektatu. Fisikoki, ordea, ezer ez, Iratik ez baitu ezer nabarituko. Eta orduan zer gertatzen da zulo beltz batera erortzen den informazioarekin? Honek buruhauste bat izaten jarraitzen du gaur egungo zientzialarientzat ere [2].

Irudien Azalpena

1. Irudia: Cygnus X-1 zulo beltza bere inguruan orbitatzen ari den izarraren materia zurrupatzen.

2. Irudia: Espazio-denbora adierazten duen ehuna, inongo masaren presentzia gabe.

3. Irudia: Espazio-denbora adierazten duen ehuna kurbaturik, masa baten presentziaren ondorioz.

4. Irudia: Eguzkiak eta Lur planetak espazio-denboraren ehuna nola kurbatzen duten azaltzen duen ilustrazioa.

5. Irudia: Eguzkiak, neutroi izar batek eta zulo beltz batek espazio-denboraren ehuna nola kurbatzen duten azaltzen duen ilustrazioa.

6. Irudia: Gure astronauta den Patxi zulo beltzera erortzen.

Bibliografia

[1] A. Alberdi Odriozola and M. Lozano Leyva, Los agujeros negros. Un paseo por el Cosmos. National Geographic, 2019. ISBN: 978-8482989631

[2] Rindler, W. (1956). Visual horizons in world models. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 116(6), 662–677. doi:10.1093/mnras/116.6.662