El trabajo del premio Nobel llevó agujeros negros de la fantasía a la realidad

El trabajo del premio Nobel llevó agujeros negros de la fantasía a la realidad

Mientras la carnicería del Frente Oriental se desataba a su alrededor, un teniente alemán en la Primera Guerra Mundial asimiló la nueva teoría de Albert Einstein. Menos de dos meses después de que Einstein publicara su teoría general de la relatividad, Karl Schwarzschild, que se había alistado a pesar de tener más de 40 años y ser físico, encontró una manera de usarla para describe el espacio-tiempo de una masa esférica no giratoria, como una estrella o un planeta estacionario. Escondida dentro del trabajo de Schwarzschild había una implicación que insinuaba a los últimos deformadores del espacio-tiempo: los agujeros negros. Tenía solo 42 años cuando murió meses después, en mayo de 1916. Pero la búsqueda que inició Schwarzchild ha continuado durante un siglo, y finalmente lo llevó al Premio Nobel de Física de este año.

El 2020 el premio fue otorgado al físico matemático Roger Penrose por su “descubrimiento de que la formación de agujeros negros es una predicción robusta de la teoría general de la relatividad” y a los astrofísicos Andrea Ghez y Reinhard Genzel “por el descubrimiento de un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia”. Es el primer Nobel otorgado específicamente por los agujeros negros, un reconocimiento de su inconfundible existencia (a pesar de la cobertura en el lenguaje de la segunda mitad del premio). “Hoy en día damos por sentado estas cosas”, dice Leo Stein, físico de la Universidad de Mississippi. “Hemos llegado tan lejos que, al menos dentro de nuestra comunidad astrofísica, pensamos, ‘Por supuesto que hay agujeros negros’”.

Pero no siempre fue así. Durante décadas, el concepto de agujeros negros no fue más que una aberración matemática. En los años posteriores a 1916, la solución de Schwarzschild provocó interés y cierta consternación entre matemáticos y físicos. Su trabajo predijo un “radio de Schwarzschild”, un radio que denota cuán compacto debería ser un objeto para evitar que la luz escape de su atracción gravitacional. El sol, por ejemplo, tiene un radio real de casi 700.000 kilómetros, pero su radio de Schwarzschild es de solo tres kilómetros.

El espacio-tiempo se curva en una cantidad relativa al radio de Schwarzschild de un objeto dividido por su radio real. Cuanto más cerca estén los dos valores, más curvas del espacio-tiempo. Entonces, ¿qué sucede cuando el radio del objeto es igual a su radio de Schwarzschild? ¿Y qué pasa si el radio de un objeto es cero? Las respuestas a esas preguntas se conocían como singularidades, soluciones indefinidas equivalentes a dividir por cero en una calculadora. En una singularidad, el espacio-tiempo parece doblarse hasta un punto de ruptura.

En las siguientes décadas, los físicos hicieron algunos avances, pero la búsqueda fue principalmente una diversión matemática sin vínculos con el mundo real. Los objetos exóticos —y, en ese momento, completamente teóricos— sugeridos por el trabajo de Schwarzschild podrían ser tan pesados ​​como el sol pero más pequeños que Central Park o, más extraño aún, contener la masa de una estrella dentro de un radio de cero. “La gente pensaba: ‘Está bien, esto es simplemente una fantasía. Estamos completamente fuera del ámbito de aplicación de nuestra teoría física “, dice Frans Pretorius, físico de la Universidad de Princeton.

Matemáticas monstruosas

En la década de 1960, las soluciones de Schwarzschild comenzaron a parecer más relevantes. Los astrónomos comenzaron a observar fenómenos extremos, como galaxias distantes que arrojaban chorros de partículas a energías y cantidades imposibles para una estrella normal (denominados “quásares”, abreviatura de “objetos cuasi estelares”), estas erupciones energéticas finalmente se atribuyeron a un festín de agujeros negros supermasivos. ). Al mismo tiempo, los teóricos comenzaron a modelar la dinámica de los cuerpos cósmicos ultracompactos, encontrando formas inteligentes de evitar las trampas asociadas con las singularidades. Penrose, entonces un joven matemático con un gran interés en la astrofísica, estaba en una posición óptima para ayudar a los científicos frustrados por las matemáticas.

“[Physicists] discutiría. Obtendrían respuestas que no coincidían entre sí ”, dice Daniel Kennefick, astrofísico e historiador de la ciencia de la Universidad de Arkansas. “Resultó que la razón era que realmente no entendían la estructura del infinito, y Penrose resolvió ese problema”.

Para lidiar con las complejidades de la relatividad general donde el espacio-tiempo se curvaba en extremo, como con objetos del mismo tamaño que su radio de Schwarzschild, Penrose ideó un conjunto de herramientas matemáticas. En particular, presentó el noción matemática de “superficies atrapadas” eso permitió a los físicos señalar con seguridad un horizonte de sucesos, el punto en el que ni siquiera la luz puede escapar del inexorable tirón de la gravedad. (El horizonte de eventos de un agujero negro no giratorio se encuentra en su radio de Schwarzschild). Los horizontes de eventos ayudaron a lidiar con el engaño de las singularidades colocando una barrera ineludible a su alrededor. “Realmente no nos gusta tener singularidades”, dice Stein. “De hecho, podríamos cortar el interior del espacio-tiempo del agujero negro y reemplazarlo con … elefantes rosas o lo que sea. Y desde afuera, nunca podrías notar la diferencia, porque todo está escondido detrás del horizonte “. La idea de Penrose de la “censura cósmica” era que no podía haber singularidades “desnudas”: todas ellas tendrían que estar “revestidas” por un horizonte de sucesos. Incluso cuando los agujeros negros chocaban y se fusionaban, las singularidades —o elefantes rosados— permanecerían ocultas por sus horizontes de eventos, evitando que su existencia arrojara al cosmos exterior al caos.

La fascinación por la geometría y artistas como M. C. Escher también llevó a Penrose a desarrollar diagramas potentes e intuitivos que capturó la dinámica del espacio-tiempo que antes estaba fuera de su alcance. Sus diagramas compactaban el espacio y el tiempo, colocando infinitos en la página en lugar de hacerlos estirarse en la distancia. “Una vez que está en la página, puede estudiarlo”, dice Kennefick. “Penrose era un fabricante de herramientas por excelencia. Inventó muchas de las herramientas que se usaron en ese período para comprender los agujeros negros y que todavía usamos hoy “. A finales de la década de 1960, el término “agujero negro” se había convertido en la nomenclatura aceptada para describir estas consecuencias hipotéticas, pero ahora mucho menos improbables, de la relatividad general.

Susto de salto astrofísico

Es difícil precisar exactamente cuándo la mayoría de los físicos se hicieron creyentes, pero a mediados de la década de 1990, los agujeros negros se daban por sentado incluso sin observaciones directas de ellos. Algunas de las pruebas más concretas provendrían de GhezY GenzelTrabajo separado sobre Sagitario A *, el entonces sospechoso agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. “A menudo, cuando interpretamos observaciones astronómicas, hay un margen de maniobra para otras posibilidades”, dice Suvi Gezari, astrónomo de la Universidad de Maryland, College Park. “Lo que es tan hermoso de nuestro centro galáctico es que las mediciones no permiten ninguna otra posibilidad que un agujero negro de cuatro millones de masas solares”.

Para llegar a ese nivel de precisión, Ghez y Genzel lideraron de forma independiente equipos que pasaron más de una década siguiendo el camino de S02, una estrella con una órbita elíptica corta alrededor de Sagittarius A *. En los 16 años que tardó el S02 en orbitar el centro galáctico, los investigadores mejoraron drásticamente las mediciones de sus telescopios con una tecnología llamada óptica adaptativa, que utiliza láseres para corregir la borrosidad causada cuando la luz viaja a través de la atmósfera terrestre.

Para cuando S02 hizo una órbita completa alrededor de una mancha oscura de nada, la existencia de agujeros negros no podría haber sido más clara. Desde entonces, los astrónomos han realizado otras observaciones directas de los agujeros negros.

En 2012, Gezari dirigió un equipo que observó, con un detalle sin precedentes, un evento de interrupción de las mareas—Un nombre dócil para un agujero negro que desgarra las entrañas de una estrella que se acercó demasiado. Un homicidio estelar en otra galaxia se parece un poco a una supernova más brillante y más larga, gracias a que el resto de la estrella se ha desprendido. “Solía ​​llamarlo las ‘huellas digitales’ de la víctima, que, en este caso, es la estrella”, dice Gezari.

Más eventos, como la fusión de dos agujeros negros y la consiguiente ondas gravitacionales capturados por el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) y el experimento Virgo, han dado una prueba más de que estos objetos existen. Pero quizás la evidencia más sorprendente hasta ahora es la Imagen del Event Horizon Telescope (EHT) de un agujero negro supermasivo con miles de millones de masas solares en el centro de la galaxia Messier 87 (M87). La ahora icónica imagen de un círculo negro rodeado por la intensa luz de un disco de acreción del tamaño de nuestro sistema solar ha eliminado cualquier lugar para la duda.

Estas observaciones de los agujeros negros y sus sombras son más que simples confirmaciones de la teoría de Einstein. A medida que aumenta la resolución del EHT, probará las mismas teorías que predijeron por primera vez su existencia. “Las sombras de los agujeros negros son una buena prueba en el sentido de que las teorías alternativas predicen algo diferente a lo que predice la relatividad general”, dice Feryal Özel, astrofísico de la Universidad de Arizona y el EHT. *

A principios de este mes, al examinar detenidamente la forma de la sombra vista por el EHT, Özel y sus colegas hicieron algunos de los más mediciones precisas de la relatividad general. Hasta ahora, esas mediciones concuerdan con las predicciones, pero es posible que, con más precisión, aparezcan desviaciones de la relatividad general que apuntan a una teoría subyacente más profunda.

Para los astrónomos, astrofísicos y matemáticos, los agujeros negros son, a su vez, monstruosos y hermosos; son extraordinarios en su física pero ordinarios en su ubicuidad. Continúan atrayendo a investigadores con la esperanza de descubrir nuevos secretos del universo. Para un público espectador, también hay algo de atractivo. El biólogo evolutivo “Stephen Jay Gould se preguntó cómo es que los dinosaurios se han vuelto tan populares” y argumentó que no es obvio que deban serlo “, dice Kennefick. Los agujeros negros, sugiere, tienen algunas de las mismas características que los dinosaurios: parecen grandes, comen cosas y son un poco aterradores, pero cómodamente lejos.

*Nota del editor (8/10/20): esta oración se ha editado después de su publicación para corregir la afiliación de Feryal Özel.

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