Los agujeros negros, los monstruos cuyos misterios ya no asustan a la ciencia

By 10/10/2020 Portal

Hic sunt dracones, ¬ęaqu√≠ hay dragones¬Ľ, es una cita de origen medieval que sol√≠a aparecer en los mapas junto a reptiles cori√°ceos y otras criaturas mitol√≥gicas para se√Īalar los l√≠mites de lo conocido y, por ende, de lo peligroso. Los sat√©lites y la cartograf√≠a ya casi han acabado con los rincones ignotos del globo terr√°queo, pero el misterio acecha en el firmamento, m√°s all√° de los mapas, en el coraz√≥n de unos monstruos m√°s reales que mitol√≥gicos: los agujeros negros.

¬ęComo los unicornios y las g√°rgolas, los agujeros negros parecen estar m√°s en los territorios de la ciencia ficci√≥n y la mitolog√≠a antigua que en el universo real¬Ľ, como ha escrito Kip Thorne, experto en agujeros negros del Caltech y Nobel de F√≠sica en 2017 por la primera detecci√≥n de ondas gravitacionales. Seg√ļn J. Craig Wheeler, astrof√≠sico de la Universidad de Texas: ¬ęCasi cualquiera comprende el simbolismo de los agujeros negros como fauces abiertas que todo lo tragan y nada dejan salir¬Ľ.

El comecocos cósmico
Se puede decir que los agujeros negros son un aut√©ntico ¬ęcomecocos¬Ľ de la materia, de la energ√≠a y hasta del espacio. En su superficie hay un punto de no retorno, el conocido como horizonte de sucesos, a partir del cual nada puede escapar a la gravedad, nada, ni siquiera la luz, por lo que no es posible verlos directamente. Adem√°s, cualquiera que se acercase demasiado a ellos podr√≠a acabar ¬ęespaguetizado¬Ľ, o lo que es lo mismo, desgarrado por su inmensa gravedad hasta las part√≠culas fundamentales. Por si esto fuera poco inquietante, un observador externo ver√≠a a la v√≠ctima congelada en el tiempo, en la superficie del agujero, mientres √©ste ya habr√≠a desaparecido: ¬ęEn el espacio nadie puede o√≠rte gritar; en un agujero negro, nadie puede verte desaparecer¬Ľ, dijo el astrof√≠sico Stephen Hawking.

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

ABC/AFP
En el interior del agujero negro, la curvatura del espacio-tiempo se hace infinita en un punto, la singularidad, de densidad tambi√©n infinita. ¬ęUna singularidad es un lugar, o un momento, donde las ecuaciones de Einstein que gobiernan el espacio-tiempo se rompen, y la relatividad pierde su poder predictivo¬Ľ, ha explicado Frans Pretorius, catedr√°tico de F√≠sica de la universidad de Princeton especializado en la relatividad. ¬ęPor eso, para entender las singularidades har√≠a falta una nueva teor√≠a, quiz√°s una teor√≠a cu√°ntica de la gravedad como la teor√≠a de cuerdas¬Ľ. De momento no la hay y los cient√≠ficos est√°n completamente a ciegas en cuanto a lo que puede estar ocurriendo en el ¬ęest√≥mago¬Ľ de estos monstruos.

¬ęUna singularidad es un lugar, o un momento, donde las ecuaciones de Einstein que gobiernan el espacio-tiempo se rompen, y la relatividad pierde su poder predictivo¬Ľ

A pesar de todo, los investigadores no se han amilanado ante estas ¬ęcriaturas¬Ľ voraces y misteriosas. Tras siglos de vicisitudes, teor√≠as y demostraciones, los experimentos han permitido acercarse, m√°s que nunca, a la guarida de los dragones, en busca de un hermoso tesoro de conocimiento. Precisamente, esta misma semana, 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 con una gran precisi√≥n: comparable a la de distinguir una piedra de un cent√≠metro en un estadio de f√ļtbol construido en la Luna.

La singularidad que Penrose hizo m√°s natural
Se puede decir que el Nobel de F√≠sica ha reconocido aspectos muy diferentes en el premio compartido por Penrose y la pareja Ghez y Genzel. En primer lugar, la Academia Sueca de Ciencias ha galardonado a Roger Penrose por ¬ęel descubrimiento de que la formaci√≥n de agujeros negros es una predicci√≥n robusta de la teor√≠a general de la relatividad¬Ľ. Es decir, ha reconocido una investigaci√≥n basada en demostraciones matem√°ticas, que fue revolucionaria en unos a√Īos en los que los agujeros negros pasaron de verse como un concepto curioso a una realidad posible: era la edad dorada de los agujeros negros. (Aqu√≠ puedes leer una breve historia).

¬ęDurante d√©cadas, los f√≠sicos, incluyendo a Albert Einstein, trataron de demostrar por todos los medios que los agujeros negros no pod√≠an existir¬Ľ, ha explicado Marcia Bartusiak, profesora de Escritura cient√≠fica en el Instituto de Tecnolog√≠a de Massachusetts y autora de ¬ęAgujeros negros¬Ľ (Ariel). ¬ęPero en 1965, Roger Penrose escribi√≥ la prueba definitiva de que un agujero negro es inevitable cuando una estrella lo suficientemente masiva, muere, y colapsa por acci√≥n de la presi√≥n gravitacional hasta un punto singular¬Ľ.

¬ęDurante d√©cadas, los f√≠sicos, incluyendo a Albert Einstein, trataron de demostrar por todos los medios que los agujeros negros no pod√≠an existir¬Ľ

Sir Roger Penrose, profesor emérito de Matemáticas de la Universidad de Oxford, tras ganal el Nobel de Física de 2020
Jos√© Luis Fern√°ndez Barb√≥n profesor de f√≠sica te√≥rica de la Universidad Aut√≥noma de Madrid y experto en estos objetos precisa qu√© aport√≥ el cient√≠fico brit√°nico: ¬ęAntes de Penrose, los agujeros negros se describ√≠an usando soluciones muy particulares de las ecuaciones de Einstein. Pero demostr√≥ que los agujeros negros eran muy naturales, en el sentido de que se forman en situaciones de colapso gravitacional bastante general¬Ľ.

Adem√°s de eso, Frans Pretorius ha a√Īadido: ¬ęPenrose hizo muchas importantes contribuciones a la relatividad, y algunas de ellas estar√≠an entre los m√°s importantes art√≠culos desde Einstein¬Ľ. En relaci√≥n con los agujeros negros, estas contribuciones ¬ęincluyen los llamados teoremas de la singularidad, que muestran que cualquier agujero contiene una singularidad de alg√ļn tipo¬Ľ, ha proseguido.

Adem√°s de esas demostraciones, rigurosamente demostradas con c√°lculos matem√°ticos, la otra aportaci√≥n de Penrose es ¬ęla conjetura de la censura c√≥smica, que afirma que las singularidades que se pueden formar en el universo est√°n siempre escondidas, ¬ęvestidas¬Ľ, por el horizonte de sucesos de un agujero negro¬Ľ, es decir, m√°s all√° del alcance de un observador externo. Quiz√°s lo m√°s interesante de esta conjetura es que apuntala muchos de los c√°lculos que se hacen hoy, como los que vinculan ondas gravitacionales y agujeros negros.

El misterio de los agujeros negros supermasivos
Junto a este esplendor de teor√≠as de agujeros negros de los a√Īos sesenta y setenta hubo un esplendor de observaciones que cambiaron la forma de entender el universo. ¬ęEn cuesti√≥n de unos pocos a√Īos, los astr√≥nomos empezaron a encontrar evidencias observacionales de que los agujeros negros poblaban el universo¬Ľ, ha explicado Marcia Bartusiak. ¬ęY no solo los peque√Īos. Las inmensas energ√≠as partiendo de los cu√°sares, los brillantes n√ļcleos de galaxias lejanas, solo pod√≠an ser explicados por agujeros negros supermasivos de millones o miles de millones de masas solares¬Ľ. En seguida, se descubri√≥ que en las galaxias hab√≠a gigantescas plantas de energ√≠a, cuyo giro y campo magn√©tico expulsan enormes cantidades de energ√≠a en chorros espectaculares.

¬ęEn cuesti√≥n de unos pocos a√Īos, los astr√≥nomos empezaron a encontrar evidencias observacionales de que los agujeros negros poblaban el universo¬Ľ

Junto a estas brillantes emisiones, en forma de rayos X, se detectaba tambi√©n ondas de radio provenientes del centro de la V√≠a L√°ctea, que hac√≠an pensar en la presencia de otro gigantesco agujero negro. Pero: ¬ęTodas las evidencias de que estos sistemas albergan agujeros negros era circunstancial¬Ľ, ha explicado Frans Pretorius. ¬ęSin embargo, el lento y constante trabajo de Andrea Ghez y Reinhard Genzel, durante d√©cadas, apuntado a Sagitario A*, dio l√≠mites mucho m√°s claros de lo que debe ser un agujero negro¬Ľ.

3C273, un cu√°sar localizado en la constelaci√≥n de Virgo. Al principio se pens√≥ que era una estrella, pero luego se concluy√≥ que era el n√ļcleo de una galaxia muy lejana. Con el tiempo, se asoci√≥ con la presencia de una agujero negro supermasivo devorando materiaNo obstante, ni as√≠ hay una certidumbre absoluta de que en el coraz√≥n de la V√≠a L√°ctea hay un agujero negro: ¬ęPara estas observaciones astron√≥micas, nunca se puede afirmar algo al 100%, y por eso el Nobel habla de ¬ęobjeto compacto¬Ľ, pero si lo que hay no es un agujero negro como el predicho por la relatividad, debe de ser algo tan compacto como uno, lo cual es un descubrimiento remarcable en s√≠ mismo¬Ľ. Efectivamente, la Academia Sueca de Ciencias le ha concedido a Ghez y a Genzel el Nobel de F√≠sica por por ¬ęel descubrimiento de un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia¬Ľ.

¬ŅQu√© se esconde en el centro de la V√≠a L√°ctea?
¬ęEl premio Nobel fundamentalmente ha reconocido una medida MUY robusta de la masa ‚ÄĒde dicho objeto compacto en el centro de la V√≠a L√°ctea‚ÄĒ, que es de 4.3 millones de masas solares¬Ľ, ha explicado Stefan Gillessen, astrof√≠sico del Instituto Max Planck para F√≠sica Extraterrestre, la instituci√≥n dirigida por el Nobel Reinhard Genzel, tambi√©n implicado en las observaciones galardonadas.

No existen las b√°sculas c√≥smicas, pero s√≠ que se puede inferir la masa de un gran objeto por la velocidad y la √≥rbita de los cuerpos que orbitan a su alrededor (como si se quisiera medir la masa del Sol analizando los movimientos y tama√Īo de la Tierra).

Para medir la masa en el centro de la V√≠a L√°ctea, los astrof√≠sicos se fijaron en una estrella muy brillante y extremadamente r√°pida llamada S2 que est√° en la zona central. Mientras que el Sol tarda unos 225 millones de a√Īos en dar una vuelta alrededor de la galaxia, √©sta completa una vuelta en 16 a√Īos: su velocidad m√°xima es de cerca de 8.000 km/s, mientras que la Tierra se mueve como mucho a 30 km/s alrededor del Sol.

¬ŅQu√© hay en el centro de la V√≠a L√°ctea? Una forma de averiguarlo es medir la velocidad y la √≥rbita de estrellas que giran muy cerca del n√ļcleo

ESO
Gracias a medidas muy precisas de la velocidad y √≥rbita de S2, junto a las leyes de Newton, pudieron definir la masa del centro de la V√≠a L√°ctea. ¬ęA partir de ah√≠, pasamos a la siguiente fase¬Ľ, ha recordado Gillessen. ¬ęNos preguntamos: ¬ŅCon cu√°nta precisi√≥n podemos medir la √≥rbita? ¬ŅPodemos ver las desviaciones de la √≥rbita impuestas por la relatividad?¬Ľ.

Gracias a los √ļltimos avances en interferometr√≠a, que permiten combinar muchas antenas para mejorar la resoluci√≥n de las observaciones, y usando longitudes de onda que atraviesan el polvo y el gas que se arremolina en el coraz√≥n de la V√≠a L√°ctea, pudieron situar con gran precisi√≥n la posici√≥n de S2. Tras 30 a√Īos de trabajo, en el que participaron decenas de cient√≠ficos, confirmaron que experimenta dos fen√≥menos predichos por la relatividad: el desplazamiento al rojo de la luz, a causa del tir√≥n gravitacional de grandes masas, y la precesi√≥n de Schwarzschild, un fen√≥meno que tambi√©n se hab√≠a observado en Mercurio y por el cual las √≥rbitas de los objetos en torno a grandes masas no est√°n siempre en el mismo punto, sino que se adelantan ligeramente, formando una especie de roseta como la que hay bajo estas l√≠neas.

Representación exagerada de un fenómeno relativista que afecta a la estrella S2 (órbitas en rojo y azul) en torno al centro de la Vía Láctea (el punto negro del centro). Sus órbitas no coinciden en el mismo punto, se adelantan ligeramente. Observarlo, confirma las predicciones de la relatividad

ESO/L. Calçada
Por tanto, estas observaciones apuntalaron la idea de que existe un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea y en las otras galaxias; confirmaron las predicciones de la relatividad y mostraron, una vez más, lo importante que es para la ciencia ese juego entre las mejoras tecnológicas de los instrumentos, la teoría y las observaciones.

Roger Penrose, Reinhard Genzel y Andrea Ghez¬ęTanto Ghez como Genzel pasaron muchos a√Īos recogiendo abrumadoras evidencias de que nuestra V√≠a L√°ctea alberga un agujero negro supermasivo, que en el pasado fue un cu√°sar y que se encender√° de nuevo cuando nuestra galaxia colisione con Andr√≥meda, dentro de 4.000 millones de a√Īos¬Ľ, ha comentado Marcia Bartusiak.

¬ęEs interesante pensar que nuestra propia existencia podr√≠a no haber surgido si no hubiera sido por los agujeros negros¬Ľ

Adem√°s, cree que ambos ¬ędieron apoyo a la idea de que hay un agujero negro supermasivo en cada gran galaxia de nuestro universo. Y podr√≠a ser que cada generaci√≥n de una galaxia y, por tanto, nosotros, dependa de la presencia de un agujero negro supermasivo. Por eso, es interesante pensar que nuesetra propia existencia podr√≠a no haber surgido sino hubiera sido por los agujeros negros¬Ľ.

Una nueva edad dorada
Con el paso de las décadas se ha ido constatando que los agujeros negros no solo están en el centro de las galaxias, con masas equivalentes a millones o miles de millones de soles, sino que además vagan por el espacio, con varias o unas decenas de masas solares, tras la muerte de algunas estrellas. Desde hace dos décadas, incluso se baraja que estos objetos puedan explicar el enigma de la materia oscura, si al comienzo del universo se hubieran formado los conocidos como agujeros negros primordiales. Y ahora, como ya ocurrió hace décadas, los nuevos instrumentos prometen revolucionar lo que conocemos.

¬ęQuiz√°s mi opini√≥n est√° un poco sesgada ‚ÄĒha dicho Frans Pretorius‚ÄĒ pero realmente creo que vamos a entrar en una segunda era dorada de los agujeros negros, y que va a ser gracias a las observaciones¬Ľ.

Desde 2015, los científicos detectan directamente ondas gravitacionales, ondas generadas por la fusión de agujeros negros (entre otros muchos fenómenos) y que se expanden por el universo a la velocidad de la luz, distorsionando el espacio-tiempo

LIGO
En 2015 los cient√≠ficos hicieron la primera detecci√≥n directa de las ondas gravitacionales, unas distorsiones del espacio-tiempo emitidas por la fusi√≥n de agujeros negros de decenas de masas solares, con los observatorios LIGO y Virgo (reconocido con el Nobel de F√≠sica en 2017). Adem√°s, el a√Īo pasado se public√≥ la primera imagen del horizonte de sucesos de un agujero negro, el agujero negro supermasivo M87*, gracias al Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT).

¬ęLas observaciones tuvieron un papel crucial cuando los cient√≠ficos se tomaron en serio el concepto de agujeros negros durante la primera edad dorada, en los a√Īos sesenta¬Ľ, ha proseguido Pretorius. ¬ęAhora, con los datos de LIGO, Virgo, el EHT y las futuras misiones (…) creo, y espero, que haremos descubrimientos muy profundos que no puedo anticipar¬Ľ.

¬ęCon los datos de LIGO, Virgo, el EHT y las futuras misiones (…) creo, y espero, que haremos descubrimientos muy profundos que no puedo anticipar¬Ľ

¬ęLos agujeros negros se est√°n revelando como objetos centrales en la f√≠sica del nuevo siglo¬Ľ, ha explicado Jos√© Luis Fern√°ndez Barb√≥n. ¬ęHace mucho que hablamos de ellos, pero es justo ahora cuando estamos en condiciones de estudiarlos en detalle con diferentes instrumentos. En las pr√≥ximas d√©cadas, este flujo de datos no har√° m√°s que crecer. Podr√≠amos aprender muchas cosas inesperadas‚Ķ¬Ľ.

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

EHT
En cuesti√≥n de una d√©cada se pondr√°n en marcha observatorios revolucionarios, como el Telescopio Einstein o el observatorio espacial LISA, que tendr√°n capacidad de detectar las ondas gravitacionales procedentes de la fusi√≥n de agujeros negros supermasivos o de detectar agujeros negros muy primitivos. Seg√ļn algunos cient√≠ficos, ser√° como inaugurar un campo de la astronom√≠a de ondas gravitacionales de alta energ√≠a, de igual forma a cuando, hace d√©cadas, se inaugur√≥ la astronom√≠a de rayos gamma o de rayos X.

¬ęLos radioastr√≥nomos podr√°n aumentar el tama√Īo de sus radiotelescopios (…) y ganar todav√≠a m√°s resoluci√≥n para tomar im√°genes de agujeros negros¬Ľ, ha explicado Marcia Bartusiak. ¬ęEstamos al comienzo de una nueva maravillosa visi√≥n del Universo¬Ľ.

Adem√°s de eso, se avanzar√° en lo que viene a conocerse como astronom√≠a de m√ļltiples mensajeros, una especie de acumulaci√≥n de varios ¬ęsentidos¬Ľ para percibir o estudiar el cosmos. ¬ęMientras que la radiaci√≥n electromagn√©tica (√≥ptica, radio, rayos X o gamma) proporciona evidencias indirectas para los agujeros negros ‚ÄĒha continuado Bartusiak‚ÄĒ las ondas gravitacionales son generadas por los propios agujeros negros y son una fuente directa de conocimiento sobre sus propiedades¬Ľ.

Los límites de lo conocido: la gravedad
Los agujeros negros est√°n sin duda en el centro de todos los focos: ¬ęNo me sorprender√≠a que los hallazgos del Telescopio del Horizonte de Sucesos‚ÄĒque publicaron la primera imagen de un agujero negro en 2019‚ÄĒ recibieran el Nobel¬Ľ, ha comentado Marcia Bartusiak. Gracias a ellos, es posible ir mucho m√°s all√°, y acercarse a los hasta ahora impenetrables secretos de la gravedad.

¬ęNo me sorprender√≠a que los hallazgos del Telescopio del Horizonte de Sucesos recibieran el Nobel¬Ľ

Esta fuerza domina en el universo y est√° perfectamente descrita en nuestro entorno por la ley de la gravedad de Newton (con √©sto bast√≥ para que los astronautas se posaran en la Luna). De hecho, los efectos de la relatividad no empiezan a manifestarse hasta que no se est√° en el entorno de un potente campo gravitacional: ¬ęPor eso es que los agujeros negros son tan importantes para nuestra comprensi√≥n de la gravedad; son la prueba definitiva para las ecuaciones de Einstein¬Ľ, ha comentado Marcia Bartusiak.

De momento, se ha podido demostrar que la relatividad funciona en todas las condiciones, pero hay un problema: mientras que se ha observado que las otra interacciones de la naturaleza siguen las reglas de la mec√°nica cu√°ntica, la gravedad no lo hace: ¬ęPor eso, no entenderemos los agujeros negros hasta que no hallemos la teor√≠a de la ¬ęgravedad cu√°ntica¬Ľ, una teor√≠a que muestre c√≥mo la gravedad act√ļa a la escala submicrosc√≥pica¬Ľ, seg√ļn la escritora.

Stephen Hawking explicó qué ocurre cuando se forma un par de partículas en el vacío cerca del horizonte de sucesos. Averiguó que una sería engullida, y que la otra sería liberada en forma de radiación térmica, a la que se llamó radiación de Hawking

Nature/https://www.nature.com/articles/d41586-019-01592-x

En 1974, Stephen Hawking, para varios investigadores, merecedor tambi√©n del Nobel de F√≠sica de 2020, emprendi√≥ los primeros pasos, al describir la radiaci√≥n de Hawking y al mostar que los agujeros negros pueden estar evapor√°ndose lentamente (tanto, que llevar√≠a mucho m√°s tiempo que la edad del universo para que lo hicieran por completo). Por tanto, lo que seg√ļn las reglas de la relatividad es un horizonte de sucesos liso y fantasmal, para Hawking era un extra√Īo lugar donde hay part√≠culas en movimiento y transformaci√≥n.

¬ęEl agujero negro es ahora un laboratorio de pruebas¬Ľ, ha concluido Marcia Bartusiak. ¬ęLas respuestas llegar√°n cuando los f√≠sicos puedan por fin fusionar la gravedad con la mec√°nica cu√°ntica¬Ľ. Hasta entonces, estos misteriosos objetos son la frontera de lo conocido.