Agujeros negros, esa noble física en 2020

El martes 6 de octubre, Göran Hansson, secretario general de la Real Academia Sueca de Ciencias, anunció que el Premio Nobel de Física 2020 se refería a los objetos más oscuros del universo: los agujeros negros.

El martes 6 de octubre, Göran Hansson, secretario general de la Real Academia de Ciencias de Suecia, anunció en voz alta, clara e inteligible (aunque en sueco) que el Premio Nobel de Física 2020 era el más oscuridad del universo: los agujeros negros, y luego exclamó; «Y los ganadores son: Roger Penrose, Andrea Ghez y Reinhard Gentzel …»

¿Quién es Roger y qué hizo para ganar la mitad del Premio Nobel de Física? ¿Y quiénes son Andrea y Reinhard y qué hicieron para ganar la otra mitad del prestigioso premio? ¿Y cuáles son estos objetos míticos en el centro de las preocupaciones de físicos y astrofísicos?

Te puede interesar: Premio Nobel de Física por extraer algunos secretos de los agujeros negros

Comencemos diciendo que esta entrega del Nobel 2020 está marcada por una intención de equilibrio. Premiaron a una mujer, solo cuarta en más de 200 premios Nobel de Física, lo que ilustra un desequilibrio y prejuicio de género en el comité, y de los cuatro, dos fueron en los últimos dos años, en 2018 a Donna Strickland y ahora Andrea. Ghez. Parece que el Comité Nobel está preocupado por corregir una desigualdad de género histórica, y esa es una buena noticia.

Además, el premio equilibra el enfoque teórico y las observaciones de los agujeros negros. Es precisamente esta oscilación virtuosa entre teoría y observación la responsable de que los agujeros negros hayan estado en círculos académicos y en redes de tal impacto desde 2016. Ese año, el observatorio LIGO anunció la detección de ondas gravitacionales a partir de la fusión de dos. agujeros negros, dando una tarjeta de identidad definida, tanto a las ondas gravitacionales conjeturadas como a los agujeros negros. Y en 2019 las redes se vieron sacudidas por la sensacional fotografía de la sombra del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87, captada por el telescopio múltiple EHT (Event Horizon Telescope).

La opinión del Nobel premia los esfuerzos teóricos y de observación que llevaron a los agujeros negros a ser unos «objetos secretos y conjeturas» (la frase es de Borges), a tener existencia real como electrones, personas (al menos algunas), estrellas o galaxias.

Los agujeros negros son una predicción de la relatividad. No una predicción de Einstein, sino de su teoría, que sabía más que él, que nunca creyó en los agujeros negros. Por supuesto, la ciencia no se trata de creer o no, sino de teorías complejas, y la relatividad general es una teoría compleja, no siempre es fácil descifrar lo que nos dice.

Los agujeros negros son un fenómeno gravitacional, y la historia nos ha dado esencialmente dos teorías de la gravitación: la gravitación universal de Newton a finales del siglo XVIII y la relatividad de Einstein a principios del siglo XX. Einstein creó una nueva teoría de la gravedad porque la de Newton tenía algunos pecadillos originales, como que asumió que la gravedad se transmite instantáneamente, y el de Einstein es mejor, es decir, describe los fenómenos gravitacionales con más precisión. Por ejemplo, la relatividad predice ondas gravitacionales y la de Newton no; y existen ondas gravitacionales, las detectamos. La teoría de Newton no predice los agujeros negros, y la relatividad sí, pero aprendemos esta certeza poco a poco.

El primer paso lo dio Karl Schwarzschild en 1916, pocos meses después de la publicación de la relatividad, cuando obtuvo una solución exacta a las ecuaciones de Einstein. La solución de Schwarzschild representa la geometría del espacio y el flujo del tiempo alrededor de una masa esférica no giratoria y tendría que ser muy relevante para la comprensión de los agujeros negros. La solución presentó un comportamiento curioso a una cierta distancia del centro, una distancia conocida como “Radio SchwarzschildSolo depende de la masa. Por ejemplo, para la Tierra, esta distancia es de menos de una pulgada. Para el sol, son unos 3 kilómetros.

En 1939, con las primeras tomas de la Segunda Guerra Mundial, Robert Oppenheimer, sí, el mismo Proyecto Manhattan publicó con Snyder, su alumno, una descripción del colapso de la materia por su propia fuerza gravitacional. La solución indicó que, una vez que la materia cruza el umbral del radio de Schwarzschild, no le queda más remedio que ir imparable hacia el centro. En el centro, las cantidades físicas o geométricas se vuelven infinitas. Ni siquiera la luz puede escapar a este destino inusual. Es la terrible singularidad, el punto de ruptura de la teoría. Y esta singularidad está oculta al mundo exterior por la esfera de Schwarzschild que actúa como una membrana unilateral, puedes entrar, pero nada puede salir.

Por supuesto, el modelo de colapso de Oppenheimer-Snyder estaba altamente idealizado, la materia no ejerce presión y cae radialmente, manteniendo una perfecta simetría esférica. La idea de un agujero negro seguía siendo una curiosidad y quizás un artefacto de las matemáticas.

Cuando Oppenheimer publicó sus resultados, tenía 35 años, Einstein 60 y sostenía que la naturaleza no podía permitir aberraciones como los agujeros negros, y Roger Penrose era un niño de 8 años y no sabía nada sobre agujeros negros.

En la década de 1960, se descubrieron emisiones de radiación muy potentes de objetos muy distantes, los quásares. Estas enormes cantidades de energía no podrían explicarse por la fusión nuclear, como en las estrellas; y se ha propuesto que la materia que cae hacia un agujero negro supermasivo podría ser el mecanismo para explicar tanta energía: la energía gravitacional que proporcionan los agujeros negros.

En 1965 apareció la primera gran contribución de la mente fértil e imaginativa de Roger Penrose, actual profesor emérito de la Universidad de Oxford, quien con nuevas herramientas matemáticas en la mano, análisis globales y técnicas de topología diferencial, logró establecer que la relatividad predice que el colapso gravitacional no es, por tanto, simétrico, crea una singularidad unida por un horizonte y, por tanto, inaccesible para un observador externo.

La relatividad tiene el germen de su propia destrucción, predice la formación de singularidades donde ya no puede predecir.

Luego, en 1970, Hawking y Penrose publicaron conjuntamente resultados que apoyaban la idea de que la relatividad debería producir singularidades de espacio-tiempo, incluso con desviaciones significativas de la simetría esférica.

Alguien comentaría: «… o hay agujeros o la relatividad tiene agujeros”. La teoría legitimaba las soluciones matemáticas que describen los agujeros negros: deben existir. Los teoremas de la singularidad de Hawking y Penrose sugirieron fuertemente que las singularidades eran genéricas y que un agujero negro es el destino inevitable en el colapso final de estrellas masivas.

La mesa estaba preparada para que los astrofísicos diseñaran posibles escenarios de formación de agujeros negros. Y dedícate a buscarlos. En 1971 apareció el primer candidato, Cygnus X-1: una poderosa fuente de rayos X que se interpretó como una estrella orbitando un agujero negro. El agujero arranca el material que tiene, que en su voraz caída se calienta tanto que emite rayos X.

Mientras los teóricos continuaban sentando las bases de los agujeros negros, los astrónomos buscaban evidencia de observación de su existencia.

En la década de 1990, dos grupos independientes liderados por German Reinhard Genzel, codirector del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre y la estadounidense Andrea Ghez, profesora e investigadora del departamento de física y astronomía de la Universidad de California en Los Ángeles, observaron con entusiasmo el centro. de nuestra propia galaxia. Muy densamente poblada por estrellas y con mucho polvo interestelar, se puede observar con técnicas especiales de radiación infrarroja. En 1992, Gentzel anunció que explicar el movimiento de las estrellas muy cerca del centro era muy difícil si no se invocaba la presencia de un enorme agujero negro. En 1995, los dos grupos compitieron y llegaron a las mismas conclusiones. El estudio detallado de dos estrellas (S0-2 y S0-102 para los interesados) indicó un objeto muy denso en el centro. Las observaciones combinadas y acumuladas de los equipos Ghez y Gentzel no dejan lugar a dudas: un agujero negro 4 millones de veces la masa del Sol y que los astrónomos han designado como Sagitario A *, habita en el centro de la Vía Láctea nuestra galaxia. Por evidencia abrumadora, Andrea Ghez y Reinhard Gentzel comparten la mitad del Premio Nobel.

Por cierto, si Hawking estuviera vivo, el comité del Nobel estaría en problemas porque el número máximo de ganadores es tres. ¿A quién habrían dejado fuera?

La astronomía sin duda vive un momento de gloria: detección de ondas gravitacionales emitidas por la fusión de agujeros negros en 2015 (y desde ese momento hasta ahora hay 48 detecciones más de ondas gravitacionales provenientes de agujeros negros) y el Premio Nobel en 2017 por estas detecciones. A continuación, la fotografía del agujero negro en la galaxia M87 publicada en 2019, premio Nobel de ese año, por James Peebles por comprender la radiación cósmica de fondo que llena el universo, y por Michel Mayor y Didier Queloz por el descubrimiento de exoplanetas. Y ahora, para los agujeros negros de Penrose, Ghez y Gentzel. Pronto tendremos (escribir) la fotografía de la sombra del agujero en nuestra propia galaxia.

Una compleja predicción de la relatividad, luego de los esfuerzos de tantos físicos y astrónomos, impuso a la realidad unos extraños y fascinantes objetos cuya existencia no se suponía hace 20 años. El universo es más interesante con ellos, y el comité del Nobel lo entendió.

* Héctor Rago es astrofísico de la Universidad Industrial de Santander.