Agujeros negros, estos nobel de la física 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 fue para 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 fuera en sueco) que el Premio Nobel de Física 2020 era para los objetos más comunes. más oscuro del universo: los agujeros negros, 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 han hecho para merecer la otra mitad del prestigioso premio? ¿Y cuáles son estos objetos míticos en el centro de las preocupaciones de físicos y astrofísicos?

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Empecemos diciendo que este premio Nobel 2020 está marcado por una intención de equilibrio. Premiaron a una mujer, solo la cuarta de más de 200 ganadores del Premio Nobel de Física, lo que ilustra un desequilibrio y prejuicio de género dentro del 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 del Nobel está preocupado por corregir una desigualdad de género histórica, y esa es una buena noticia.

Además, el precio equilibra el enfoque teórico y las observaciones de los agujeros negros. Es precisamente este virtuoso cambio entre la teoría y la observación el responsable de que los agujeros negros se hayan encontrado en círculos académicos y en redes con tanto impacto desde 2016. Ese año, el observatorio LIGO anunció la detección de ondas gravitacionales resultantes de la fusión de dos agujeros negros, dando una tarjeta de identidad definitiva, 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 Nobel otorga el premio a los esfuerzos teóricos y de observación que han llevado a los agujeros negros a ser “objetos secretos y conjeturas” (la expresión 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, en ciencia no se trata de creer o no, pero en teorías complejas, y la relatividad general es una teoría compleja, no siempre es fácil descifrar lo que nos dice.

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Los agujeros negros son un fenómeno gravitacional, y la historia nos ha dado esencialmente dos teorías de la gravedad: 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 Newton tenía algunos pecadillos originales, como el que supone que la gravedad se transmite instantáneamente, y la de Einstein es mejor, es decir, describe con mayor precisión Fenómenos gravitacionales. 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 hemos aprendido esa certeza poco a poco.

El primer paso lo dio Karl Schwarzschild en 1916, pocos meses después de la publicación de la relatividad, al obtener 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 debería ser muy relevante para la comprensión de los agujeros negros. La solución exhibió un comportamiento curioso a una cierta distancia del centro, esta distancia llamada “Radio SchwarzschildSolo depende de la masa. Por ejemplo, para la Tierra, esta distancia es un poco menos de un centímetro. Para el sol, son unos 3 kilómetros.

En 1939, con las primeras tomas de la Segunda Guerra Mundial, Robert Oppenheimer, sí, el mismo Manhatan Project publicó con Snyder, su alumno, una descripción del colapso de la materia por su propia fuerza gravitacional. La solución indicaba que una vez que la materia cruza el umbral del rayo de Schwarzschild, no le queda más remedio que dirigirse irresistiblemente hacia el centro. En el centro, las cantidades físicas o geométricas se vuelven infinitas. Incluso la luz no puede escapar de este inusual hechizo. Ésta 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 unidireccional, puedes entrar pero nada puede salir.

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

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Cuando Oppenheimer dio a conocer sus resultados, tenía 35 años, Einstein tenía 60 y argumentó 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 los 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 ocurre 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 suministrada por los agujeros negros.

En 1965 apareció el primer gran aporte 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 global y técnicas de topología diferencial, logró establecer que la relatividad predice que el colapso gravitacional por lo tanto no es simétrico, crea una singularidad atrapada por un horizonte y por lo 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 espacio-temporales incluso con grandes desviaciones de la simetría esférica.

Alguien comentaría: “… o hay agujeros, o la relatividad tiene agujeros“. La teoría legitimó 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 del colapso final de estrellas masivas.

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

A medida que los teóricos continuaron estableciendo los fundamentos de los agujeros negros, los astrónomos buscaron evidencia de observación de su existencia.

Alrededor de los años 90, dos grupos independientes liderados por el alemán Reinhard Genzel, codirector del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre y por la norteamericana Andrea Ghez, profesora e investigadora del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de California en Los Ángeles, hemos observado con entusiasmo el centro de nuestra propia galaxia. Muy densamente poblada de estrellas y con mucho polvo interestelar, se puede observar con técnicas especiales de radiación infrarroja. Ya en 1992, Gentzel anunció que era muy difícil explicar el movimiento de estrellas muy cerca del centro si no se invocaba la presencia de un agujero negro masivo. En 1995, los dos grupos competían 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 conjuntas y acumulativas de los equipos de 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 *, vive en el centro de la Vía Láctea, nuestra galaxia. Por la abrumadora evidencia, Andrea Ghez y Reinhard Gentzel comparten la mitad del Premio Nobel.

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Por cierto, si Hawking hubiera estado vivo, el Comité del Nobel habría tenido problemas porque el número máximo de ganadores es tres. ¿A quién habrían dejado fuera?

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

Una compleja predicción de la relatividad, tras los esfuerzos de tantos físicos y astrónomos, ha impuesto a la realidad unos extraños y fascinantes objetos cuya existencia no fue tomada hace 20 años. El universo es más interesante con ellos, y el comité del Nobel lo entendió bien.

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

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