En la relatividad general, el modelo de Oppenheimer-Snyder es una solución a las ecuaciones de campo de Einstein basada en la métrica de Schwarzschild que describe el colapso de un objeto de masa extrema en un agujero negro. Recibe su nombre de los físicos J. Robert Oppenheimer y Hartland Snyder, quienes lo publicaron en 1939.

Durante el colapso de una estrella en un agujero negro, la geometría en el exterior de la esfera es la geometría de Schwarzschild. Sin embargo, la geometría en el interior es la misma métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker que en el resto del universo observable.

Historia Albert Einstein, quien desarrolló su teoría de la relatividad general en 1915, inicialmente negó la posibilidad de agujeros negros, a pesar de que eran una implicación genuina de la métrica de Schwarzschild, desarrollada por Karl Schwarzschild en 1916, la primera solución exacta no trivial conocida de las ecuaciones de campo de Einstein. En 1939, Einstein publicó "Sobre un sistema estacionario con simetría esférica que consta de muchas masas gravitatorias" en los Annals of Mathematics, afirmando proporcionar "una comprensión clara de por qué estas 'singularidades de Schwarzschild' no existen en la realidad física".

Meses después de la publicación del artículo de Einstein, Oppenheimer y su estudiante Snyder estudiaron este tema con su artículo "Sobre la contracción gravitacional continua", presentando un argumento opuesto al de Einstein. Demostraron que cuando una estrella suficientemente masiva agota su combustible termonuclear, experimentará una contracción gravitacional continua y se separará del resto del universo por un límite llamado horizonte de sucesos, del cual ni siquiera la luz puede escapar. Este artículo predijo la existencia de lo que hoy se conoce como agujeros negros. El término "agujero negro" fue acuñado décadas después, en el otoño de 1967, por John Archibald Wheeler en una conferencia organizada por el Instituto Goddard de Estudios Espaciales en la ciudad de Nueva York; Apareció por primera vez impreso al año siguiente. En este artículo, Oppenheimer y Snyder utilizaron la propia teoría de la gravedad de Einstein para demostrar cómo podían desarrollarse los agujeros negros por primera vez en la física contemporánea, pero sin hacer referencia al artículo mencionado de Einstein. Sin embargo, Oppenheimer y Snyder sí hicieron referencia a un artículo anterior de Oppenheimer y Robert Serber sobre estrellas de neutrones, que mejoraba el trabajo de Lev Davidovich Landau, en lo que era esencialmente un ejercicio de física nuclear y gravitación.

Esta investigación atrajo la atención de Richard Chace Tolman, quien previamente había obtenido una solución exacta a las ecuaciones de campo de Einstein que describen una esfera de fluido ideal estática. Posteriormente, Oppenheimer y George Volkoff publicaron un artículo sobre la estabilidad de las estrellas de neutrones, el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff. Estos artículos establecieron las bases de la teoría relativista general de la estructura estelar. En realidad, los objetos que estudiaron Tolman, Oppenheimer y Volkoff fueron las estrellas de neutrones de Fritz Zwicky, y no los "núcleos de neutrones" de Lev Landau. Pero si bien Zwicky introdujo la noción de estrellas de neutrones, gran parte de su trabajo sobre este tema fue posteriormente rechazado por erróneo. Por el contrario, el artículo de Oppenheimer y Volkoff ha sido aceptado como correcto. Esto llevó a Oppenheimer a considerar el siguiente problema natural: determinar qué sucedería si una estrella de neutrones fuera tan pesada que colapsara debido a su propio peso. Sin embargo, Oppenheimer no volvería a tratar el tema en publicaciones futuras.

Modelo El modelo de Oppenheimer-Snyder de colapso gravitatorio continuo se describe mediante el elemento de línea Las cantidades que aparecen en esta expresión son las siguientes:

Las coordenadas son dónde son coordenadas esféricas. es el límite de la región de materia la misa. y . se define implícitamente por la ecuación

.

Esta expresión es válida tanto en la región de la materia como en la región de la materia. y la región de vacío y realiza transiciones continuas entre ambos.

Recepción y legado Kip Thorne recordó que los físicos inicialmente se mostraron escépticos ante el modelo, considerándolo "verdaderamente extraño" en aquel entonces. Explicó además: "A la gente de esa época le resultaba difícil comprender el artículo porque las cosas que se desprendían de las matemáticas eran muy diferentes de cualquier imagen mental de cómo deberían comportarse las cosas en el universo". Werner Israel señaló que el trabajo de Oppenheimer y sus colaboradores sobre los estados finales de los objetos compactos había sido, de hecho, prefigurado por el descubrimiento de un límite superior en la masa de una enana blanca por Subrahmanyan Chandrasekhar. Sin embargo, al igual que los trabajos de Oppenheimer y sus colegas, esto fue inicialmente rechazado y casi olvidado. Si bien los físicos se habían acostumbrado a la relatividad del paso del tiempo en diferentes marcos de referencia, la dilatación del tiempo gravitacional implícita en el modelo de Oppenheimer-Snyder era demasiado extrema para que la mayoría de los físicos de la época la aceptaran. Para un observador inercial distante, la superficie de la estrella que experimenta una implosión gravitacional continua se congelaría en el radio crítico (el radio de Schwarzschild), pero para un observador en la superficie de la estrella, el proceso continuaría. Además, cualquier luz emitida en el radio crítico estaría infinitamente desplazada hacia el rojo, lo que haría que la estrella pareciera "aislarse" del universo externo.

El propio Oppenheimer no le dio mucha importancia a este descubrimiento. Sin embargo, algunos consideraron que el descubrimiento del modelo era más significativo que lo que opinaba Oppenheimer, y el modelo sería descrito posteriormente como visionario. Freeman Dyson pensó que era la mayor contribución de Oppenheimer a la ciencia. Lev Davidovich Landau añadió el artículo de Oppenheimer-Snyder a su "lista dorada" de artículos clásicos. Debido a la influencia de Landau, la mayoría de los físicos teóricos soviéticos también aceptaron este resultado. John Archibald Wheeler fue inicialmente un opositor del modelo hasta finales de la década de 1950, cuando se le pidió que impartiera un curso sobre relatividad general en la Universidad de Princeton. Wheeler afirmó en una conferencia en 1958 que el modelo de Oppenheimer-Snyder había descuidado muchas características de una estrella realista. De hecho, para que las matemáticas fueran manejables, Oppenheimer y Snyder supusieron una estrella perfectamente esférica sin rotación, presión interna cero, densidad uniforme, sin eyección de masa, sin ondas de choque y sin emisión de radiación. Sin embargo, más tarde cambió de opinión por completo después de que Edward Teller le informara de los resultados de una simulación por computadora realizada por Stirling Colgate y su equipo en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Colgate y sus colegas adaptaron los códigos informáticos para desarrollar la bomba termonuclear (el proceso Teller-Ulam ) para simular la implosión gravitacional de una estrella. Asumieron que la estrella era esférica y no rotaba, pero por lo demás tuvieron en cuenta todas las complicaciones de una estrella real. Descubrieron que una estrella suficientemente masiva experimentaría una contracción gravitacional continua de manera similar al escenario idealizado descrito por Oppenheimer y Snyder. De forma independiente, un equipo liderado por Yákov Zeldóvich se basó en su propia experiencia y simulaciones por computadora para la bomba de hidrógeno de la Unión Soviética y llegó a la misma conclusión.

miniaturadeimagen|Imagen etiquetada de Sagitario A* tomada por el Observatorio de rayos X Chandra en 2003. En el Primer Simposio de Texas sobre Astrofísica Relativista en 1963, Wheeler dio una larga conferencia sobre la contracción gravitacional, en la que compartió su entusiasmo por el modelo de Oppenheimer-Snyder. Posteriormente desempeñó un papel clave en el resurgimiento del interés por la relatividad general en Estados Unidos y popularizó el término "agujero negro" a finales de la década de 1960. Varios físicos teóricos investigaron este tema y a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, los avances en la astronomía observacional, como los radiotelescopios, cambiaron la actitud de la comunidad científica. Los púlsares y cuásares ya habían sido descubiertos y ni las estrellas de neutrones ni los agujeros negros se consideraban meras curiosidades de los libros de texto. Cygnus X-1, el primer candidato a agujero negro sólido, fue descubierto por el telescopio espacial de rayos X Uhuru en 1971. Las observaciones de la fuente de radio central de la Vía Láctea, Sagitario A*, y el centro de la galaxia espiral NGC 4258, ambos identificados como agujeros negros supermasivos, se realizaron en la década de 1990. Más evidencia llegó en la década de 2000 gracias al telescopio espacial Hubble y al observatorio de Rayos X Chandra. Los trabajos de Oppenheimer y sus colaboradores fueron el impulso inicial para esta edad de oro de la astrofísica. Jeremy Bernstein describió la publicación de Oppenheimer-Snyder como "uno de los grandes artículos de la física del siglo ".

Un obstáculo mental para muchos físicos escépticos del modelo de Oppenheimer-Snyder fue la llamada "singularidad de Schwarzschild" -que significa el límite de un agujero negro-, la cual resultó ser removible mediante un cambio de coordenadas. (Sin embargo, la singularidad central no se puede eliminar). En 1958, David Finkelstein encontró dicha transformación de coordenadas y dio una conferencia al respecto en el King's College de Londres. Roger Penrose estuvo presente. Arthur Stanley Eddington había introducido la misma idea anteriormente, pero no se comprendió el verdadero significado de esta idea y pronto se olvidó). Penrose ganó el Premio Nobel de Física en 2020 por sus contribuciones a la teoría matemática de los agujeros negros, una de las fronteras de la física teórica moderna. Reconoció el modelo de Oppenheimer-Snyder como una de sus inspiraciones para la investigación. El periódico The Hindu escribió en 2023:

En la cultura popular

En la película Oppenheimer de 2023, se produce una interacción entre Oppenheimer y su estudiante Snyder cuando su artículo se publica el mismo día de la invasión de Polonia.

Véase también

Ecuación de Tolman-Oppenheimer-Volkoff

Referencias

Enlaces externos

"El primer simposio de Texas sobre astrofísica relativista: una perspectiva histórica, sesenta años después", de Kip Thorne, presentado en el 32º simposio en Shanghái, China, el 11 de diciembre de 2023.

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