La breve historia de los agujeros negros que ha llevado al Nobel de Física de 2020

By 10/10/2020 Portal

Esta misma semana, sir Roger Penrose, Andrea Ghez y Reinhard Genzel recib√≠an el premio Nobel de F√≠sica por sus investigaciones sobre agujeros negros. Sus trabajos han requerido enfrentarse a los misterios de las singularidades o medir la posici√≥n de una estrella cerca del centro de la V√≠a L√°ctea con una gran precisi√≥n. Pero sus logros no son una √©xito individual, sino la culminaci√≥n de un trabajo colectivo que se extiende varias d√©cadas, o siglos. O, tal como escribi√≥ sir Isaac Newton: ¬ęSi he visto m√°s all√° es porque descansaba sobre hombros de gigantes¬Ľ.

El concepto de agujero negro tiene al menos 200 a√Īos. Sus ra√≠ces est√°n en las leyes de la gravedad de sir Isaac Newton (publicadas en 1687), que cien a√Īos m√°s tarde llevaron al astr√≥nomo John Mitchell a imaginar una estrella tan grande y pesada que fuera capaz de que ¬ęla luz volviera hacia ella como resultado de su propia fuerza de gravedad¬Ľ. En 1796, el matem√°tico franc√©s Pierre-Simon de Laplace lleg√≥ a una conclusi√≥n similar en plena revoluci√≥n francesa.

Sin embargo, estas estrellas oscuras quedaron en el olvido hasta que llegaron teorías más avanzadas para la luz, la gravedad y la materia, de la mano de Albert Enstein y su teoría de la relatividad.

El primer paso: el radio de Schwarzschild
Apenas unos meses despu√©s de que Einstein presentara su Relatividad General y de que demostrara que la gravedad afecta al movimiento de la luz, en 1916 el teniente de artiller√≠a y astr√≥nomo Karl Schwarzschild resolvi√≥ las ecuaciones de Einstein para un punto en el vac√≠o, allanando el camino para el concepto actual de agujero negro: ¬ęSchwarzschild desde luego, encontr√≥ la primera soluci√≥n de las ecuaciones de Einstein que representa el agujero negro m√°s sencillo¬Ľ, ha explicado Jos√© Luis Fern√°ndez Barb√≥n profesor de f√≠sica te√≥rica de la Universidad Aut√≥noma de Madrid y experto en estos objetos.

Los cálculos del alemán mostraron que algunos de los parámetros de las ecuaciones de Einstein se hacían infinitos a partir de cierta distancia al corazón del agujero (el radio de Schwarzschild). Comenzaba a nacer así la singularidad, un punto donde la relatividad no funciona y algunas magnitudes adquieren valores infinitos.

Esta idea no result√≥ muy atractiva para muchos cient√≠ficos, empezando por el propio padre de la relatividad. ¬ęCuriosamente, Einstein siempre fue muy esc√©ptico acerca de los agujeros negros¬Ľ, ha explicado Fern√°ndez Barb√≥n. ¬ęPensaba que las leyes de la f√≠sica conspirar√≠an para que los agujeros negros nunca se pudieran formar en el mundo real. Esta actitud persisti√≥ en √©l incluso cuando ya hab√≠a evidencia muy s√≥lida de que no era as√≠. Tal vez era porque la singularidad dentro del agujero negro es el sitio donde las ecuaciones de Einstein fallan¬Ľ.

¬ęCuriosamente, Einstein siempre fue muy esc√©ptico acerca de los agujeros negros. Pensaba que las leyes de la f√≠sica conspirar√≠an para que los agujeros negros nunca se pudieran formar en el mundo real¬Ľ

En 1931, y enfrentándose a feroces críticas de prestigiosos astrónomos, el indio Subrahmanyan Chandrasekhar estimó un límite de masa a partir del cual la presión de degeneración de electrones no bastaría para frenar el colapso impulsado por la gravedad (esto se conoce como límite de Chandrasekhar).

Tiempo detenido
En 1939, Robert Oppenheimer, uno de los padres de la bomba atómica, entre otros, predijo que una estrella de neutrones podría colapsar por las razones presentadas Chandrasekhar. Más adelante, interpretó la singularidad, a partir del radio de Schwarzschild, como una burbuja donde el tiempo se detenía, para observadores externos, pero no para los observadores que cayeran en las fauces del agujero.

Durante un tiempo, los agujeros negros volvieron a caer en el olvido y se convirtieron en curiosidades matem√°ticas. Al mismo tiempo, la relatividad pas√≥ a considerarse como una teor√≠a muy hermosa pero no demasiado √ļtil. Sin embargo, a partir de los sesenta la situaci√≥n cambi√≥ por completo y comenz√≥ una edad dorada de agujeros negros y relatividad.

La edad de oro de los agujeros negros
En 1958, David Finkelstein identific√≥ la inquietante superficie esbozada por Oppenheimer como el horizonte de sucesos. Jocelyn Bell confirm√≥ la existencia de p√ļlsares demostrando que las estrellas de neutrones no eran una mera curiosidad te√≥rica, y que en la naturaleza se pod√≠an producir realmente estructuras muy masivas y compactas. En 1963, Roy Kerr ¬ęencontr√≥ la soluci√≥n expl√≠cita que describe los agujeros negros en rotaci√≥n, que son los que seguramente aparecen en procesos reales de formaci√≥n¬Ľ, ha explicado Fern√°ndez Barb√≥n.

M√°s adelante, ¬ęRoger Penrose inici√≥ el estudio de teoremas cualitativos sobre singularidades y horizontes y Stephen Hawking culmin√≥ el programa de Penrose y descubri√≥ la evaporaci√≥n cu√°ntica de los agujeros negros¬Ľ, ha proseguido. Estos trabajos de Hawking se completaron cuando en 1974 predijo el efecto conocido como radiaci√≥n de Hawking. Finalmente, ¬ęJacob Bekenstein hizo la primera conexi√≥n entre los agujeros negros y la teor√≠a de la informaci√≥n¬Ľ, seg√ļn el astrof√≠sico.

Para Frans Pretorious, catedr√°tico de F√≠sica de la universidad de Princeton especializado en la relatividad, entre ¬ęlas muchas personas que contribuyeron a la comprensi√≥n contempor√°nea de los agujeros negros¬Ľ, hay que incluir a Werner Israel, pionero de los te√≥remas ¬ęno pelo¬Ľ y a Stephen Hawking, por sus contribuciones a la f√≠sica cu√°ntica de los agujeros negros que, seg√ļn √©l, podr√≠a haber sido galardonado con el Nobel si no hubiera fallecido.

Tampoco se ha olvidado del f√≠sico John Archibald Wheeler, que acu√Ī√≥ el concepto de agujero negro, y de otras muchas m√°s figuras, como Demetrios Christodoulou, Kip Thorne, James Maxwell Bardeen, Saul A. Teukolsky o William Unruh. ¬ęRealmente √©sta fue una edad de horo de la f√≠sica de los agujeros negros¬Ľ.