Nobel de Física 2020

Tres científicos han ganado hoy martes el Premio Nobel de Física 2020 por mejorar nuestra comprensión de los agujeros negros. Según la Real Academia Sueca de Ciencias el británico Roger Penrose recibirá la mitad del premio de este año “por el descubrimiento de que la formación de agujeros negros es una predicción sólida de la teoría general de la relatividad“. Goran K. Hansson, secretario general de la academia, confirmó que el alemán Reinhard Genzel y la estadounidense Andrea Ghez recibirán la segunda mitad del premio “por el descubrimiento de un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia“.

Los premios celebran “uno de los objetos más exóticos del universo“, los agujeros negros, que se han convertido en un elemento básico de la ciencia ficción y la investigación científica y donde el tiempo incluso parece haberse detenido, según los científicos del comité Nobel.

Penrose demostró con las matemáticas que la formación de agujeros negros era posible, basándose en gran medida en la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Genzel y Ghez observaron el centro cubierto de polvo de nuestra galaxia, la Vía Láctea, donde estaba sucediendo algo extraño, varias estrellas moviéndose alrededor de algo que no podían ver. Fue un agujero negro. No sólo un agujero negro ordinario, sino un agujero negro supermasivo, con 4 millones de veces la masa de nuestro sol. Ahora los científicos saben que todas las galaxias tienen agujeros negros supermasivos.

Es común que varios científicos que trabajaron en campos relacionados compartan el premio. El premio del año pasado fue para el cosmólogo canadiense James Peebles, por su trabajo teórico sobre los primeros momentos después del Big Bang, y los astrónomos suizos Michel Mayor y Didier Queloz por descubrir un planeta fuera de nuestro sistema solar.

El prestigioso premio viene con una medalla de oro y un premio en metálico de 10 millones de coronas suecas (más de 950.000 euros), cortesía de un legado dejado hace 124 años por el creador del premio, el inventor sueco Alfred Nobel. La cantidad se incrementó recientemente para ajustar la inflación.

El lunes, el Comité Nobel otorgó el premio de fisiología y medicina a los estadounidenses Harvey J. Alter y Charles M. Rice y al científico británico Michael Houghton por descubrir el virus de la hepatitis C que devasta el hígado. Los demás premios, que se anunciarán en los próximos días, serán para trabajos destacados en los campos de la química, la literatura, la paz y la economía.

Roger Penrose utilizó ingeniosos métodos matemáticos en su demostración de que los agujeros negros son una consecuencia directa de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. El mismo Einstein no creía que los agujeros negros realmente existieran, esos monstruos superpesados que capturan todo lo que entra en ellos. Nada puede escapar, ni siquiera la luz.

En enero de 1965, diez años después de la muerte de Einstein, Roger Penrose demostró que los agujeros negros realmente se pueden formar y los describió en detalle; en su corazón, los agujeros negros esconden una singularidad en la que cesan todas las leyes conocidas de la naturaleza. Su artículo innovador todavía se considera la contribución más importante a la teoría general de la relatividad desde Einstein.

Reinhard Genzel y Andrea Ghez lideran cada uno un grupo de astrónomos que, desde principios de la década de 1990, se ha centrado en una región llamada Sagitario A * en el centro de nuestra galaxia. Las órbitas de las estrellas más brillantes más cercanas al centro de la Vía Láctea se han cartografiado con una precisión cada vez mayor. Las mediciones de estos dos grupos concuerdan, y ambos encontraron un objeto invisible extremadamente pesado que tira del revoltijo de estrellas, haciéndolas correr a velocidades vertiginosas. Alrededor de cuatro millones de masas solares se agrupan en una región no mayor que nuestro sistema solar.

Usando los telescopios más grandes del mundo, Genzel y Ghez desarrollaron métodos para ver a través de las enormes nubes de gas y polvo interestelar hasta el centro de la Vía Láctea. Extendiendo los límites de la tecnología, refinaron nuevas técnicas para compensar las distorsiones causadas por la atmósfera terrestre, construyeron instrumentos únicos y se comprometieron a investigación a largo plazo. Su trabajo pionero nos ha proporcionado la evidencia más convincente hasta ahora de un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.

Los descubrimientos de los galardonados de este año han abierto nuevos caminos en el estudio de los objetos compactos y supermasivos. Pero estos objetos exóticos todavía plantean muchas preguntas que piden respuestas y motivan la investigación futura. No sólo preguntas sobre su estructura interna, sino también sobre cómo para probar nuestra teoría de la gravedad en las condiciones extremas en las inmediaciones de un agujero negro“, comenta David Haviland, presidente del Comité Nobel de Física.

Un gran avance más allá de Einstein

Ni siquiera Albert Einstein, el padre de la relatividad general, pensó que los agujeros negros pudieran existir realmente. Sin embargo, diez años después de la muerte de Einstein, el teórico británico Roger Penrose demostró que se pueden formar agujeros negros y describió sus propiedades. En su corazón, los agujeros negros esconden una singularidad, un límite en el que se rompen todas las leyes conocidas de la naturaleza.

Para demostrar que la formación de agujeros negros es un proceso estable, Penrose necesitaba ampliar los métodos utilizados para estudiar la teoría de la relatividad, abordando los problemas de la teoría con nuevos conceptos matemáticos. El innovador artículo de Penrose se publicó en enero de 1965 y todavía se considera la contribución más importante a la teoría general de la relatividad desde Einstein.

La gravedad tiene el universo en sus garras

Los agujeros negros son quizás la consecuencia más extraña de la teoría general de la relatividad. Cuando Albert Einstein presentó su teoría en noviembre de 1915, cambió todos los conceptos anteriores de espacio y tiempo. La teoría proporcionó una base completamente nueva para comprender la gravedad, que da forma al universo a la mayor escala. Desde entonces, esta teoría ha proporcionado la base para todos los estudios del universo, y también tiene un uso práctico en una de nuestras herramientas de navegación más comunes, el GPS.

La teoría de Einstein describe cómo todo y todos en el universo están sujetos a la gravitación. La gravedad nos retiene en la Tierra, gobierna las órbitas de los planetas alrededor del Sol y la órbita del Sol alrededor del centro de la Vía Láctea. Conduce al nacimiento de estrellas a partir de nubes interestelares y, finalmente, a su muerte en un colapso gravitacional. La gravedad da forma al espacio e influye en el paso del tiempo. Una masa pesada dobla el espacio y ralentiza el tiempo; una masa extremadamente pesada puede incluso cortar y encapsular un pedazo de espacio, formando un agujero negro.

Una medalla de oro del Premio Nobel
Una medalla de oro del Premio Nobel.

La primera descripción teórica de lo que ahora llamamos agujero negro se produjo apenas unas semanas después de la publicación de la teoría general de la relatividad. A pesar de las ecuaciones matemáticas extremadamente complicadas de la teoría, el astrofísico alemán Karl Schwarzschild pudo proporcionar a Einstein una solución que describía cómo las masas pesadas pueden doblar el espacio y el tiempo.

Estudios posteriores mostraron que una vez que se ha formado un agujero negro, está rodeado por un horizonte de eventos que barre la masa en su centro como un velo. El agujero negro permanece oculto para siempre dentro de su horizonte de eventos. Cuanto mayor es la masa, mayor es el agujero negro y su horizonte. Para una masa equivalente a la del Sol, el horizonte de sucesos tiene un diámetro de casi tres kilómetros y, para una masa como la de la Tierra, su diámetro es de sólo nueve milímetros.

Una solución más allá de la perfección

El concepto de “agujero negro” ha encontrado un nuevo significado en muchas formas de expresión cultural pero, para los físicos, los agujeros negros son el punto final natural de la evolución de las estrellas gigantes. El primer cálculo del dramático colapso de una estrella masiva fue realizado a fines de la década de 1930 por el físico Robert Oppenheimer, quien luego dirigió el Proyecto Manhattan que construyó la primera bomba atómica. Cuando las estrellas gigantes, muchas veces más pesadas que el Sol, se quedan sin combustible, primero explotan como supernovas y luego colapsan en remanentes extremadamente densamente compactos, tan pesados que la gravedad arrastra todo hacia adentro, incluso la luz.

La idea de las ‘estrellas oscuras’ se consideró ya a finales del siglo XVIII, en las obras del filósofo y matemático británico John Michell y del renombrado científico francés Pierre Simon de Laplace. Ambos habían razonado que los cuerpos celestes podían volverse tan densos que serían invisibles, ni siquiera la velocidad de la luz sería lo suficientemente rápida como para escapar de su gravedad.

Un poco más de un siglo después, cuando Albert Einstein publicó su teoría general de la relatividad, algunas de las soluciones a las notoriamente difíciles ecuaciones de la teoría describían esas estrellas oscuras. Hasta la década de 1960, estas soluciones se consideraban especulaciones puramente teóricas, que describían situaciones ideales en las que las estrellas y sus agujeros negros eran perfectamente redondos y simétricos. Pero nada en el universo es perfecto, y Roger Penrose fue el primero en encontrar con éxito una solución realista para toda la materia que colapsa, con sus pinceladas, hoyuelos e imperfecciones naturales.

El misterio de los quásares

La cuestión de la existencia de agujeros negros resurgió en 1963, con el descubrimiento y de los cuásares, los objetos más brillantes del universo. Durante casi una década, los astrónomos habían estado desconcertados por los rayos de radio de fuentes misteriosas, como 3C273 en la constelación de Virgo. La radiación en luz visible finalmente reveló su verdadera ubicación: el 3C273 está tan lejos que los rayos viajan hacia la Tierra durante más de mil millones de años.

Si la fuente de luz está tan lejos, debe tener una intensidad igual a la luz de varios cientos de galaxias. Se le dio el nombre de ‘quásar’. Los astrónomos pronto encontraron cuásares tan distantes que habían emitido su radiación en la primera infancia del universo. ¿De dónde viene esta increíble radiación? Sólo hay una forma de obtener esa cantidad de energía dentro del volumen limitado de un quásar: a partir de materia que cae en un agujero negro masivo.

Superficies atrapadas resolvieron el acertijo

Si los agujeros negros podrían formarse en condiciones realistas era una cuestión que desconcertó a Roger Penrose. La respuesta, como recordó más tarde, apareció en el otoño de 1964 durante una caminata con un colega en Londres, donde Penrose era profesor de matemáticas en Birkbeck College. Cuando dejaron de hablar por un momento para cruzar una calle lateral, se le ocurrió una idea. Más tarde esa tarde, lo buscó en su memoria. Esta idea, a la que llamó superficies atrapadas, era la clave que había estado buscando inconscientemente, una herramienta matemática crucial necesaria para describir un agujero negro.

Una superficie atrapada obliga a todos los rayos a apuntar hacia un centro, independientemente de si la superficie se curva hacia afuera o hacia adentro. Utilizando superficies atrapadas, Penrose pudo demostrar que un agujero negro siempre esconde una singularidad, un límite donde terminan el tiempo y el espacio. Su densidad es infinita y, hasta el momento, no existe una teoría sobre cómo abordar este fenómeno más extraño de la física.

Las superficies atrapadas se convirtieron en un concepto central en la finalización de la prueba de Penrose del teorema de la singularidad. Los métodos topológicos que introdujo ahora son incalculables en el estudio de nuestro universo curvo.

Una calle de un solo sentido hasta el fin de los tiempos

Una vez que la materia comienza a colapsar y se forma una superficie atrapada, nada puede detener el colapso. No hay vuelta atrás, como en la historia que cuenta el físico y premio Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar, de su infancia en la India. La historia trata sobre las libélulas y sus larvas, que viven bajo el agua. Cuando una larva está lista para desplegar sus alas, promete que les contará a sus amigos cómo es la vida al otro lado de la superficie del agua. Pero una vez que la larva atraviesa la superficie y se va volando como una libélula, no hay retorno. Las larvas en el agua nunca escucharán la historia de la vida del otro lado.

De manera similar, toda la materia sólo puede cruzar el horizonte de eventos de un agujero negro en una dirección. El tiempo reemplaza al espacio y todos los caminos posibles apuntan hacia adentro, el flujo del tiempo lleva todo hacia un final ineludible en la singularidad. No sentirás nada si caes a través del horizonte de sucesos de un agujero negro supermasivo. Desde afuera, nadie puede verte caer y tu viaje hacia el horizonte continúa para siempre. Mirar dentro de un agujero negro no es posible dentro de las leyes de la física; los agujeros negros esconden todos sus secretos detrás de sus horizontes de eventos.

Los agujeros negros gobiernan los caminos de las estrellas

Aunque no podemos ver el agujero negro, es posible establecer sus propiedades observando cómo su colosal gravedad dirige los movimientos de las estrellas circundantes.

Reinhard Genzel y Andrea Ghez lideran grupos de investigación separados que exploran el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Con la forma de un disco plano de unos 100.000 años luz de diámetro, está formado por gas y polvo y unos pocos cientos de miles de millones de estrellas; una de estas estrellas es nuestro Sol. Desde nuestro punto de vista en la Tierra, enormes nubes de gas y polvo interestelar oscurecen la mayor parte de la luz visible que proviene del centro de la galaxia. Los telescopios infrarrojos y la tecnología de radio fueron los primeros que permitieron a los astrónomos ver a través del disco de la galaxia e visualizar las estrellas en el centro.

Utilizando las órbitas de las estrellas como guías, Genzel y Ghez han producido la evidencia más convincente hasta el momento de que hay un objeto supermasivo invisible escondido allí. Un agujero negro es la única explicación posible.

Enfocarse en el centro

Durante más de cincuenta años, los físicos han sospechado que puede haber un agujero negro en el centro de la Vía Láctea. Desde que se descubrieron los cuásares a principios de la década de 1960, los físicos razonaron que podrían encontrarse agujeros negros supermasivos dentro de la mayoría de las grandes galaxias, incluida la Vía Láctea. Sin embargo, actualmente nadie puede explicar cómo se formaron las galaxias y sus agujeros negros, entre unos pocos millones y muchos miles de millones de masas solares.

Hace cien años, el astrónomo estadounidense Harlow Shapley fue el primero en identificar el centro de la Vía Láctea, en la dirección de la constelación de Sagitario. Con observaciones posteriores, los astrónomos encontraron allí una fuerte fuente de ondas de radio, que recibió el nombre de Sagitario A *. Hacia fines de la década de 1960, quedó claro que Sagitario A * ocupa el centro de la Vía Láctea, alrededor del cual orbitan todas las estrellas de la galaxia.

No fue hasta la década de 1990 que los telescopios más grandes y un mejor equipo permitieron estudios más sistemáticos de Sagitario A *. Reinhard Genzel y Andrea Ghez comenzaron proyectos para intentar ver a través de las nubes de polvo hasta el corazón de la Vía Láctea. Junto con sus grupos de investigación, desarrollaron y perfeccionaron sus técnicas, construyendo instrumentos únicos y comprometiéndose con la investigación a largo plazo.

Sólo los telescopios más grandes del mundo serán suficientes para observar estrellas distantes; cuanto más grandes, mejor es absolutamente cierto en astronomía. El astrónomo alemán Reinhard Genzel y su grupo utilizaron inicialmente NTT, el telescopio de nueva tecnología en la montaña La Silla en Chile. Finalmente trasladaron sus observaciones a las instalaciones del Very Large Telescope, VLT, en la montaña Paranal (también en Chile). Con cuatro telescopios gigantes que duplican el tamaño de NTT, el VLT tiene los espejos monolíticos más grandes del mundo, cada uno con un diámetro de más de 8 metros.

En Estados Unidos, Andrea Ghez y su equipo de investigación utilizan el Observatorio Keck, ubicado en la montaña hawaiana de Mauna Kea. Sus espejos tienen casi 10 metros de diámetro y actualmente se encuentran entre los más grandes del mundo. Cada espejo es como un panal de abejas, que consta de 36 segmentos hexagonales que se pueden controlar por separado para enfocar mejor la luz de las estrellas.

Las estrellas muestran el camino

Por grandes que sean los telescopios, siempre hay un límite en el detalle que pueden resolver porque vivimos en el fondo de un mar atmosférico de casi 100 kilómetros de profundidad. Grandes burbujas de aire sobre el telescopio, que son más calientes o más frías que su entorno, actúan como lentes y refractan la luz en su camino hacia el espejo del telescopio, distorsionando las ondas de luz. Es por eso que las estrellas brillan y también la razón por la que sus imágenes se ven borrosas.

La llegada de la óptica adaptativa fue crucial para mejorar las observaciones. Los telescopios ahora están equipados con un espejo extra delgado que compensa la turbulencia del aire y corrige la imagen distorsionada.

Durante casi treinta años, Reinhard Genzel y Andrea Ghez han seguido a sus estrellas en el distante revoltijo estelar en el centro de nuestra galaxia. Continúan desarrollando y refinando la tecnología, con sensores de luz digital más sensibles y mejores ópticas adaptativas, de modo que la resolución de la imagen ha mejorado más de mil veces. Ahora pueden determinar con mayor precisión las posiciones de las estrellas, siguiéndolas noche tras noche.

Los investigadores rastrean unas treinta de las estrellas más brillantes de la multitud que existe. Las estrellas se mueven más rápidamente en un radio de un mes luz desde el centro, dentro del cual realizan una danza agitada como la de un enjambre de abejas. Las estrellas que están fuera de esta zona, en cambio, siguen sus órbitas elípticas de forma más ordenada.

Una estrella, llamada S2 o S-O2, completa una órbita del centro de la galaxia en menos de 16 años. Este es un tiempo extremadamente corto, por lo que los astrónomos pudieron trazar un mapa de toda su órbita. Podemos comparar esto con el Sol, que tarda más de 200 millones de años en completar una vuelta alrededor del centro de la Vía Láctea; los dinosaurios caminaban por la Tierra cuando comenzamos nuestra vuelta actual.

La teoría y las observaciones se suceden

El acuerdo entre las mediciones de los dos equipos fue excelente, lo que llevó a la conclusión de que el agujero negro en el centro de nuestra galaxia debería ser equivalente a alrededor de 4 millones de masas solares, empaquetadas en una región del tamaño de nuestro sistema solar.

Es posible que pronto veamos directamente a Sagitario A *. Este es el siguiente en la lista porque, hace poco más de un año, la red de astronomía Event Horizon Telescope logró obtener imágenes de los alrededores más cercanos de un agujero negro supermasivo. Más lejos, en la galaxia conocida como Messier 87 (M87), a 55 millones de años luz de nosotros, hay un ojo más negro que negro rodeado por un anillo de fuego.

El núcleo negro de M87 es gigantesco, más de mil veces más pesado que Sagitario A *. Los agujeros negros en colisión que causaron las ondas gravitacionales recientemente descubiertas fueron considerablemente más ligeros. Al igual que los agujeros negros, las ondas gravitacionales existían sólo como cálculos de la teoría de la relatividad general de Einstein, antes de ser capturadas por primera vez en el otoño de 2015 por el detector LIGO en los EE.UU. (Premio Nobel de Física 2017).

Lo que no sabemos

Roger Penrose demostró que los agujeros negros son una consecuencia directa de la teoría general de la relatividad pero, en la gravedad infinitamente fuerte de la singularidad, esta teoría deja de aplicarse. Se está llevando a cabo un trabajo intensivo en el campo de la física teórica para crear una nueva teoría de la gravedad cuántica. Esto debe unir los dos pilares de la física, la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, que se encuentran en el interior extremo de los agujeros negros.

Al mismo tiempo, las observaciones se acercan a los agujeros negros. El trabajo pionero de Reinhard Genzel y Andrea Ghez ha abierto el camino para nuevas generaciones de pruebas precisas de la teoría general de la relatividad y su predicción más extraña. Lo más probable es que estas mediciones también puedan proporcionar pistas para nuevos conocimientos teóricos. El universo tiene muchos secretos y sorpresas por descubrir.

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