Velocidad de escape o de liberación

Velocidad de liberación en el sistema solar

Gravitas (profundidad de la personalidad) era una de las virtudes romanas, con Pietas (deber, devoción), Dignitas (carisma, autoestima) y Virtus (excelencia moral). Lo contrario de la virtud es el vicio. Pero en la astronomía, la gravedad es un término que data de la Edad Media y utilizado por Isaac Newton para hablar de la gravedad ejercida por cualquier masa cercana. Es la fuerza del campo gravitacional que nos mantiene a la superficie de la Tierra. De hecho, nos hace caer continuamente en dirección del centro de la Tierra, pero somos retenidos por la superficie sólida del planeta. La gravitación es universal, influye a gran distancia en todas las direcciones, en todos los objetos con una masa, en otras palabras, es una fuerza de atracción invisible y universal de la materia enlaciada directamente con su masa. Este concepto es fundamental para la astronomía, ya que explica todas las trayectorias de las órbitas espaciales.
Pero, ¿cómo un cuerpo puede escapar de la atracción de un otro cuerpo?
La velocidad de escape o de liberación permite a un cuerpo escapar definitivamente a la atracción gravitacional de un otro cuerpo, esta velocidad depende de la masa y del radio del objeto. En un cuerpo tan pequeño como Deimos la luna de Marte, cuyas las dimensiones son 7,8 × 6,0 × 5,1 km, es suficiente de correr a 20 km/h (5.556 m/s) para abandonar el suelo y escapar definitivamente a Deimos.
Pero la Tierra tiene una masa de 5.972E24 kg y un radio de 6 371 kilómetros, la velocidad de escape es más difícil de lograr, es 11.186 km/s o 40270 km/h. En un objeto más masivo o más pequeño que el planeta Tierra, la velocidad de liberación será aún más difícil de conseguir. Por ejemplo, el Sol es 333 000 veces más masivo y 109 veces más grande que la Tierra. La velocidad de liberación del Sol es ≈617 km/s.

Tabla : Velocidad de escape de los planetas y estrellas

Imagen: La Tierra tiene una masa de 5.972E24 kg y un radio de 6.371 kilómetros, su velocidad de liberación o velocidad de escape mínima es de 11.186 kilómetros/s o 40270 km/h. La velocidad mínima de escape también se conoce como la segunda velocidad cósmica, que corresponde a la velocidad de liberación de un cuerpo alejándose definitivamente de la Tierra. La primera velocidad cósmica es la velocidad de liberación mínima (7,9 km/s) para traer una máquina en órbita baja (<2000 kilómetros). La tercera velocidad cósmica es la velocidad de liberación de traer una máquina fuera del sistema solar (42,1 km/s) desde la órbita terrestre.

Velocidad de liberación de las estrellas

Una gran parte de las estrellas en la galaxia tienen una velocidad de escape o de liberación de unos pocos cientos de kilómetros por segundo.
Si queremos medir las velocidades de liberación muchas más grandes, se debe observar las enanas blancas como una enana blanca de 1 masa solar tiene un radio del orden de la de la Tierra. Así, para una máquina que se coloca en la superficie, va a ser muy difícil escapar, la velocidad de escape en la superficie de las enanas blancas, es de unos miles de kilómetros por segundo, como Sirius B (5200 km/s).
En las estrellas de neutrones las velocidades de liberación son aún mayores. De hecho las estrellas de neutrones son muy pequeñas y muy densas. Concentran la masa de una estrella como el Sol en un radio de unos 10 km. Como el radio es muy pequeño el campo de gravedad en la superficie es mucho mayor y es aún más difícil escapar. La velocidad de liberación puede alcanzar de hasta 200 000 km/s, o 66% de la velocidad de la luz.
Pero es con los agujeros negros que se alcanza el límite de la velocidad de liberación es decir la de la luz. Los agujeros negros son objetos masivos cuyo el campo gravitacional es tan intenso que impide cualquier forma de materia o de radiación de escaparse. La teoría del agujero negro afirma que es un objeto tan denso que su velocidad de liberación es mayor que la velocidad de la luz (300 000 km/s).
Los agujeros negros son descritas por la teoría de la relatividad general. Cuando el corazón de la estrella muerta es demasiado grande para convertirse en una estrella de neutrones, se encoge inexorablemente hasta formar este objeto astronómico invisible.

N.B.: Las enanas blancas son residuos de estrellas apagadas. Esta es la penúltima etapa de la evolución de las estrellas cuya masa es entre 0,3 y 1,4 veces la del Sol. La densidad de una enana blanca es muy alto. Una enana blanca de 1 masa solar tiene un radio del orden de la de la Tierra. El diámetro de la enana blanca no depende de su temperatura, pero de su masa, más su masa es alta, más su diámetro es pequeño. Sin embargo, hay un valor por encima del cual una enana blanca no puede existir es el límite de Chandrasekhar. Más allá de esta masa, la presión debida a los electrones es insuficiente para compensar la gravedad y la estrella continúa su contracción hasta convertirse en una estrella de neutrones.

N.B.: Las estrellas de neutrones son objetos muy pequeños pero muy densos. Concentran la masa de una estrella como el Sol, en un radio de unos 10 km. Estas son los restos de las estrellas muy masivas más de diez masas solares. Cuando una estrella masiva llega al final de su existencia, se colapsa sobre sí misma, produciendo una impresionante explosión llamada supernova. Esta explosión dispersa enormes cantidades de materia en el espacio, pero preserva el corazón denso de la estrella. Este corazón aún se encoge y se convierte en gran parte en un núcleo gigantesco de neutrones.

Imagen: Considerado desde el siglo 18, la teoría que apoya la existencia del agujero negro, afirma que es tan denso que su velocidad de escape es superior a la velocidad de la luz. Como la luz no puede vencer su fuerza gravitacional de superficie y permanece atrapado, fueron naturalmente llamados "agujeros negros". De esta característica inquietante resulta los términos "negro" y "oscuro", pero el término más preciso sería probablemente "invisible", porque de hecho es una total ausencia de luz. La teoría también define con precisión el campo gravitacional de un agujero negro. Es de tal manera que ninguna partícula cruzando el horizonte, la frontera teórica, no puede escaparse.
Crédito Imagen: V. Beckmann (NASA's GSFC) et al., ESA.