Juan García-Bellido es catedrático de física teórica y cosmólogo en el Instituto de Física Teórica (IFT/UAM). Su área de conocimiento abarca todas las escalas imaginables: desde lo infinitesimal, contemplando los choques de partículas de los aceleradores, hasta lo «infinitamente» grande, como las galaxias o los fenómenos muy energéticos. Dada la dificultad de estudiar procesos tan minúsculos o lejanos, la cosmología avanza, no solo de la mano de teorías y observaciones, sino también de las mejoras tecnológicas que permiten «asomarse» al universo de una nueva forma. O «con unas nuevas gafas», tal como ha comentado el investigador.
Por eso, este amplio campo está en constante evolución. Y por eso en los últimos cinco años García-Bellido ha estado trabajando en las ondas gravitacionales, unas distorsiones del espacio-tiempo que se detectaron de forma directa por primera vez en 2015 y que han inaugurado un nuevo campo en la astrofísica. Éste permitirá estudiar los agujeros negros o los orígenes del universo de una nueva forma, como con un «nuevo sentido», al igual que hace décadas se comenzó a observar el firmamento a través de los rayos X y no solo en el rango óptico.
La semana pasada, cuando el Nobel de Física reconoció a Roger Penrose, Reinhard Genzel y Andrea Ghez por sus investigaciones en los agujeros negros, García-Bellido impartió una conferencia sobre agujeros negros primordiales en la Fundación Ramón Areces, organizada por la Real Sociedad Española de Física.
-¿Qué son los agujeros negros primordiales?
Son agujeros negros formados en las primeras fracciones de segundo (a los 10^-5 segundos) tras el Big Bang. En 1996, Andrei Linde, David Wands y yo propusimos que hoy podrían formar el centro de las galaxias y que estarían también en el halo de las galaxias. Propusimos que su número sería tan alto que podría explicar el origen de la materia oscura —una masa invisible que se cree que actuó como semilla para la formación de galaxias y que justifica que las estrellas y las galaxias se muevan más velozmente de lo que permite la materia visible, formada por polvo, gas y estrellas—.
-¿Esta hipótesis se puede comprobar gracias a las ondas gravitacionales?
Estamos en un momento particularmente interesante, porque el observatorio de ondas gravitacionales LIGO ha permitido detectar la fusión de objetos que, según proponemos, podrían ser en realidad agujeros negros primordiales —formados poco después del Big Bang— y no agujeros negros estelares —formados por el colapso de estrellas, que envejecen y se derrumban sobre sí mismas—.
Es el caso del último evento comunicado por LIGO, en el que se informó de la fusión de dos agujeros negros, de 66 y 85 masas solares… Son monstruos muy masivos para ser agujeros negros estelares —normalmente, sus masas van de las cinco a varias decenas de masas solares—, así que podrían ser agujeros negros primordiales, formados tras el Big Bang.
Juan García-Bellido impartió una conferencia sobre agujeros negros primordiales en la Fundación Ramón Areces la semana pasada
-¿Qué implicaciones tendría confirmar esto?
La gran pregunta es: ¿Son los agujeros negros primordiales el origen de la materia oscura? Si así fuera, no haría falta buscar partículas más allá de la física conocida para justificar su existencia, y explicar la formación de galaxia y cúmulos, o la curva de rotación de las galaxias. (Ahora mismo, las observaciones astronómicas sugieren que hay una masa invisible, con interacciones muy débiles, para explicar la alta velocidad de las estrellas y las galaxias. Por eso, muchos físicos teóricos y experimentales buscan formas de dar con esa materia invisible).
-Desde hace cinco años las ondas gravitacionales permiten detectar y estudiar la fusión de agujeros negros. ¿Estamos entrando en una era dorada de los agujeros negros?
Yo diría que sí. Estamos en un momento dorado en el que empiezan a llegar muchos datos que nos dan una imagen coherente sobre la naturaleza de los agujeros negros. Podemos ver cómo agregan estrellas en los centros galácticos, cómo se forman sistemas binarios de agujeros negros o cómo gira el gas a su alrededor. Y, gracias a las ondas gravitacionales, se ha abierto una nueva ventana y ahora serán accesibles muchas de sus propiedades.
-¿Por ejemplo?
Podemos medir la masa de dos agujeros negros que se fusionan, a miles de millones de años luz, y saber que al hacerlo emiten una cantidad de energía que equivale a ocho veces la masa del Sol, en radiación. Esto equivale a 100 veces la luminosidad de todas las estrellas del universo en un par de segundos. Y quizás acabaremos viendo los agujeros negros que se formaron cuando el universo era primitivo.
-Además, en cuestión de una década se espera que entren en funcionamiento nuevos observatorios más potentes, ¿no?
Así es. Destaca el Telescopio Einstein, que tendrá tres brazos de 30 kilómetros de largo, bajo unos 200 metros de tierra, para detectar ondas gravitacionales —en comparación, el observatorio actual, LIGO, tiene brazos de unos cuatro kilómetros de largo—. Gracias a eso, podrá ver las ondas gravitacionales de cuando el universo era muy joven y tenía unos mil millones de años. Además, al estar enterrado podrá evitar el límite impuesto por las distorsiones sísmicas. Ahora mismo, LIGO o Virgo —el observatorio de ondas gravitacionales europeo— detectan cualquier perturbación gravitacional terrestre, incluyendo las aspas de un helicóptero que pase por encima de ellos.
Propuesta del ambicioso proyecto del Telescopio Einstein, destinado a la detección de ondas gravitacionales
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-Otra forma de evitar estas distorsiones sísmicas es mandar los sensores al espacio, ¿no es así?
Esa es la idea de LISA («Laser Interferometer Space Antenna»): poner en el espacio tres satélites, formando un triángulo equilátero, cuyos lados medirán no 30 kilómetros, como el Telescopio Einstein, sino 2,5 millones de kilómetros. Gracias a eso, LISA podrá detectar ondas gravitacionales de una longitud de onda mucho mayor.
-¿Por qué es interesante aumentar la longitud de onda que se puede detectar?
La idea es detectar ondas gravitacionales de distintas frecuencias para observar distintos fenómenos, al igual que se observan diferentes cosas al estudiar el cielo en el rango óptico, en el infrarrojo o en radio. LISA permitirá estudiar agujeros negros que orbitan agujeros negros más grandes, o bien las colisiones de agujeros negros supermasivos: son dos fenómenos predichos pero no observados nunca. También veremos eventos más antiguos y más lejanos, incluyendo quizás agujeros negros primordiales.
Parece ciencia ficción pero no lo es: ahora estamos trabajando en predecir qué tipo de señales verá este detector, que ya está en marcha, para ser lanzado en la década de 2030.
-¿Por qué es tan importante estudiar los agujeros negros?
Yo diría que porque nos aproximamos al conocimiento íntimo de la gravedad. Mientras que en la superficie de la Tierra, la gravedad es muy débil, en estos objetos la curvatura del espacio-tiempo es tan grande que conviene estudiar este entorno para buscar fenómenos inusuales, propios de un ambiente extremo y más allá de nuestra experiencia cotidiana.
La idea es lograr algo similar a lo que ocurrió a comienzos de siglo, cuando se comprendieron los fenómenos de la Mecánica Cuántica y vimos que nuestra forma de entender el universo no encajaba con las leyes físicas, por lo que hubo que crear una nueva Física.
Esquema de un agujero negro. Es imposible verlo, pero sí que se puede detectar el gas y la energía a su alrededor, y la influencia de su gravedad sobre el entorno
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ABC/AFP
-¿Qué se busca en ese extremo entorno de los agujeros negros?
Se busca combinar la mecánica cuántica y la gravedad, al explorar regímenes de gravedad donde se puedan manifestar las propiedades mecánico-cuánticas del espacio-tiempo. Stephen Hawking avanzó en esta dirección al demostrar que los agujeros negros no son tan negros, que en realidad liberan partículas, la llamada radiación de Hawking.
Por ejemplo, podría ocurrir que descubramos fenómenos peculiares que no sospechábamos o que podamos cambiar la dirección de la flecha del tiempo y que podamos ir hacia atrás: hay muchas cuestiones teóricas que podemos poner a prueba con estas observaciones.
-Entiendo que un problema importante es poder explicar la gravedad al nivel cuántico, ¿no?
No es que la mecánica cuántica no explique la gravedad, es que no hay una teoría unificada para ambas, que pueda relacionarlas. Por ejemplo, la producción de pares de protones y antiprotones —un proceso reproducido en el marco teórico por el que Stephen Hawking acabó justificando la existencia de la radiación que lleva su nombre— en el espacio-tiempo, es equivalente a crear un «miniuniverso», una fluctuación donde se crea espacio a partir de la nada. Pues bien, estos fenómenos ocurren a escalas muy lejanas a la experimentación. La interacción gravitacional es muy débil y las energía necesarias para crearlos son enormes.
El límite de lo conocido: imagen del horizonte de sucesos del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87. La ciencia desconoce qué ocurre en su interior
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EHT
También podría ser que la gravedad fuera una propiedad emergente que surge de otras interacciones, al igual que la viscosidad surge de las interacciones electromagnéticas entre átomos. Esto podría tener consecuencias en la fusión de los agujeros negros, así que estudiar este fenómeno sería una oportunidad de oro para acceder a este conocimiento.
-¿La radiación de Hawking implica que los agujeros negros se evaporarán, al final del universo?
Se evaporarían en un tiempo millones de veces mayor a la edad del universo. Lo interesante es que los formalismos que creó Hawking, con la teoría cuántica de campos, pueden ayudar a explicar las fluctuaciones cuánticas que aparecieron durante el nacimiento del universo y que son responsables de toda la estructura de galaxias y cúmulos de galaxias que observamos. Por eso, estas investigaciones tocan cuestiones de física fundamental y nos adentran también en el entendimiento del origen del universo.
-Esta semana, el Nobel de Física ha reconocido a tres investigadores fundamentales para la comprensión de los agujeros negros. ¿Cuál es la contribución de Roger Penrose?
Penrose contribuyó de manera muy importante al demostrar un teorema para explicar cómo el colapso de la materia, por evolución estelar, podía crear un agujero negro, en 1965, un año en que la existencia de los agujeros negros todavía estaba en entredicho. Estos teoremas de la singularidad fueron un gran avance, porque mostraron que eran reales y que había que buscarlos en la astrofísica. Pero se tardó mucho en poder confirmarlo con observaciones.
-De hecho, ni siquiera al propio Einstein le gustaba mucho la idea de los agujeros negros, ¿no?
A Einstein le costó mucho reconocer la solución de Karl Schwarzschild, en 1916, que predijo la existencia del agujero negro más sencillo, con una singularidad en un punto del espacio. Y lo cierto es que Einstein no vivió para ver confirmada esta predicción de su teoría, como ocurrió con muchas otras, como las lentes gravitacionales o las ondas gravitacionales.
-¿Y cuál es la importancia del trabajo de Reinhard Genzel y Andrea Ghez?
Sus investigaciones comenzaron en los años noventa. A través de interferometría, pudieron observar cómo se movían varias estrellas en el centro de la galaxia. Esto ha permitido confirmar la masa de ese agujero negro y que se trata de un objeto extremadamente compacto.