Una lente supermasiva sobre las constantes de la naturaleza – Número 93: Precursores

TEl Premio Nobel de Física 2020 fue para tres investigadores que confirmaron que la relatividad general de Einstein predice los agujeros negros y establecieron que el centro de nuestra propia galaxia alberga un agujero negro supermasivo con el equivalente a 4 millones de soles empaquetados en un espacio relativamente pequeño. Además de ampliar nuestra comprensión de los agujeros negros, el fuerte campo gravitacional alrededor del agujero negro supermasivo es un laboratorio para estudiar la naturaleza en condiciones extremas. Los investigadores, incluido uno de los nuevos premios Nobel, Andrea Ghez de UCLA, han medido cómo la intensa gravedad cambia la constante de estructura fina, una de las constantes de la naturaleza que define el universo físico y, en este caso, la vida dentro de él. Esta investigación amplía otros esfuerzos en curso para comprender las constantes y si varían en el espacio y el tiempo. La esperanza es encontrar pistas para resolver problemas en el Modelo Estándar de partículas elementales y en la cosmología actual.

Una lente supermasiva sobre las constantes de la naturaleza - Número 93: Precursores
PREMIO NOBEL: Andrea Ghez ganó el premio más grande de la ciencia por su descubrimiento conjunto de un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia. También ha definido con precisión las trayectorias elípticas de las estrellas que orbitan el centro galáctico.Wikimedia Commons

Además de Ghez, los otros premios Nobel galardonados en 2020 son Roger Penrose de la Universidad de Cambridge, quien profundizó nuestra comprensión teórica de los agujeros negros; y Reinhard Genzel, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania. Ghez y Genzel llevaron a cabo observaciones y análisis paralelos pero separados que llevaron a cada uno a deducir la presencia de nuestro agujero negro supermasivo galáctico. A 27.000 años luz de distancia, obtener buenos datos requería enormes telescopios. Ghez trabajó con el Observatorio Keck en Mauna Kea en Hawai, y Genzel usó el Very Large Telescope en Chile. Cada investigador descubrió que el movimiento de las estrellas que observaron surgió de una enorme masa en el centro de la galaxia. Obtuvieron el mismo valor, 4 millones de veces la masa de nuestro sol, en una región tan grande como nuestro sistema solar, evidencia definitiva de un agujero negro supermasivo.

La investigación de Ghez en Keck la convirtió en coautora en un papel publicado este año, en el que Aurélien Hees del Observatorio de París y 13 colegas internacionales presentaron los resultados de la constante de estructura fina cerca de nuestro agujero negro supermasivo galáctico. Sorprendentemente, los resultados ganadores del Premio Nobel de Ghez que respaldan esta investigación combinaron las teorías y técnicas astronómicas actuales con ideas que se remontan a Johannes Kepler e Isaac Newton para examinar el movimiento de las estrellas cerca del agujero negro supermasivo. Este es otro ejemplo de la percepción de Newton sobre cómo avanza la ciencia cuando escribió en 1675: “Si he visto más lejos, es subiéndome a hombros de gigantes”.


La constante de la fuerte gravedad cerca del agujero negro podría ser una pista para modificar el Modelo Estándar.

El astrónomo alemán Kepler es uno de esos gigantes que cambió la ciencia cuando presentó sus leyes del movimiento planetario en 1609. Fue el primero en demostrar que los planetas no orbitan alrededor del sol en círculos perfectos de inspiración divina, como se suponía. Las órbitas son elipses con el sol en un foco de la elipse, uno de los dos puntos desplazados simétricamente del centro que definen cómo construir una elipse. Kepler también encontró una relación matemática entre el tamaño de una órbita planetaria y el tiempo que tarda el planeta en completar un circuito.

En 1687 Newton dio a las leyes de Kepler una base física más profunda y coherente. La ley de gravitación de Newton, basada en la atracción mutua entre cuerpos, mostró que un objeto celeste en una órbita cerrada alrededor de una masa sigue una trayectoria elíptica que depende de esa masa. Este resultado, que hoy se enseña en la introducción a la astronomía, es el corazón de cómo Ghez encontró la masa del agujero negro supermasivo. Sus años de cuidadosas observaciones definieron con precisión las trayectorias elípticas de las estrellas que orbitan el centro galáctico; luego usó la teoría de Newton para calcular la masa en el centro (la relatividad general, que reemplaza la ley de Newton, predice los agujeros negros, pero el enfoque de Newton es lo suficientemente preciso para las órbitas estelares alrededor del agujero negro supermasivo). El conocimiento de estas órbitas sería crucial para medir la constante de estructura fina en la fuerte gravedad cerca del agujero negro supermasivo. Cómo esa constante depende de la gravedad podría ser una pista para modificar el Modelo Estándar o la relatividad general para lidiar con la materia oscura y la energía oscura, los dos grandes acertijos de la física contemporánea.


TSu examen particular encaja en un examen más amplio y a largo plazo de las constantes fundamentales de la naturaleza, cada una de las cuales nos dice algo sobre el alcance o la escala de nuestras teorías más profundas. Junto con otras constantes, la constante de estructura fina (denotada por la letra griega α), aparece en el Modelo Estándar, la teoría cuántica de campos de partículas elementales. El valor numérico de α define la intensidad con la que interactúan los fotones y las partículas cargadas eléctricamente a través de la fuerza electromagnética, que controla el universo junto con la gravedad y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Entre sus efectos, el electromagnetismo determina el grado de repulsión entre los protones y cómo se comportan los electrones en un átomo. Si el valor de α fuera muy diferente del que conocemos, eso afectaría si la fusión nuclear dentro de las estrellas produce el elemento carbono o si los átomos pueden formar moléculas complejas estables. Ambos son necesarios para la vida, otra razón por la que α es importante.

Otras constantes representan otras teorías físicas importantes: C, la velocidad de la luz en el vacío, es crucial en la relatividad; h, la constante derivada por Max Planck (ahora tomada como “barra h”, o ħ = h/ 2π), establece el tamaño minúsculo de los efectos cuánticos; y GRAMO, la constante gravitacional en la teoría de Newton y la relatividad general, determina cómo interactúan los cuerpos astronómicos. En 1899, Planck utilizó solo estos tres para definir un sistema de medición universal basado en propiedades naturales y no en ningún artefacto humano. Este sistema, escribió, sería el mismo “para todos los tiempos y todas las civilizaciones, extraterrestres y no humanas”.

Surge la noción de que, de muchos multiversos, el que existimos es el que tiene el valor ganador.

Planck derivó unidades naturales de longitud, tiempo y masa de C, ħy GRAMO: LPAG = 1,6 x 10-35 metros, TPAG = 5,4 x 10-44 segundos, y METROPAG = 2,2 x 10-8 kilogramos. Demasiado pequeños para ser prácticos, tienen un peso conceptual. En el universo actual, la interacción gravitacional entre partículas elementales es demasiado débil para afectar su comportamiento cuántico. Pero coloque los cuerpos una pequeña longitud de Planck LPAG aparte, menor que el diámetro de una partícula elemental, y su interacción gravitacional se vuelve lo suficientemente fuerte como para rivalizar con los efectos cuánticos. Esto define la “era de Planck” 10-44 segundos después del Big Bang, cuando los efectos gravitacionales y cuánticos tenían una fuerza similar y requerirían una teoría combinada de la gravedad cuántica en lugar de las dos teorías separadas que tenemos hoy.

Sin embargo, para algunos físicos, C, ħy GRAMO no son realmente fundamentales porque dependen de unidades de medida. Considere, por ejemplo, que C es 299,792 km / seg en unidades métricas pero 186,282 millas / seg en unidades inglesas, Esto muestra que las unidades físicas son construcciones culturales en lugar de inherentes a la naturaleza (en 1999, el Mars Climate Orbiter de la NASA se estrelló fatalmente porque dos equipos científicos se olvidaron de verificar qué sistema de medición el otro había usado). Las constantes que son números puros, sin embargo, se traducirían perfectamente entre culturas e incluso entre nosotros y extraterrestres con unidades de medida inimaginablemente diferentes.

La constante de estructura fina α se destaca por llevar esta pureza favorecida. En 1916 apareció en los cálculos de las longitudes de onda de la luz emitida o absorbida cuando un solo electrón en los átomos de hidrógeno salta entre niveles cuánticos. La teoría cuántica temprana de Niels Bohr predijo las principales longitudes de onda, pero los espectros mostraron características adicionales. Para explicarlos, el teórico alemán Arnold Sommerfeld agregó la relatividad a la teoría cuántica del átomo de hidrógeno. Sus cálculos dependían de una cantidad que llamó constante de estructura fina. Incluye ħ, C, y la carga del electrón mi, otra constante de la naturaleza; y la permitividad ε0 que representa las propiedades eléctricas del vacío. Sorprendentemente, las unidades físicas en esta colección extraña se cancelan, dejando solo el número puro 0.0072973525693.

Una lente supermasiva sobre las constantes de la naturaleza - Número 93: Precursores
HOMBROS GIGANTES: Los ganadores del Nobel de este año se basaron en técnicas astronómicas que se remontan a Isaac Newton, quien escribió sobre los avances científicos: “Si he visto más lejos, es subiéndome a hombros de gigantes”.Nicku / Shutterstock

Sommerfeld usó α solo como un parámetro, pero ganó fama a fines de la década de 1920 cuando reapareció en un trabajo avanzado sobre la mecánica cuántica relativista del físico francés Paul Dirac, y luego en lo que el astrónomo inglés Arthur Eddington esperaba que fuera una Teoría del Todo. Planeaba fusionar la teoría cuántica y la relatividad para derivar las propiedades del universo, como el número de partículas elementales que contiene y sus constantes, α entre ellas.

Un giro en el enfoque de Eddington fue que consideró la cantidad 1 / α en lugar de α, porque su análisis mostró que debe ser un número entero además de puro. Esto fue consistente con una medición contemporánea que arrojó 1 / α = 137.1, tentadoramente cerca de 137 exactamente. Los cálculos de Eddington dieron en cambio 136, lo suficientemente cerca como para despertar interés. Sin embargo, otras mediciones confirmaron que 1 / α = 137,036. Los intentos de Eddington de justificar su resultado diferente fueron poco convincentes y, por esta y otras razones, su teoría no ha sobrevivido.

Pero α y “137” permanecen vinculados, por lo que Richard Feynman llamó al 137 un “número mágico”. Lo que quiso decir no tiene nada que ver con la numerología. Más bien es que sabemos cómo medir el valor de α pero no cómo derivarlo de las teorías que conocemos. Esto también es cierto para las otras constantes fundamentales, incluidos los números puros, como la relación entre las masas de protones y electrones, y es una falta en el Modelo Estándar. Sin embargo, el valor de α es fundamental en la electrodinámica cuántica, la teoría cuántica del electromagnetismo. Feynman entendió completamente esto, ya que ganó el Premio Nobel de 1965 junto con otros dos teóricos por desarrollar la electrodinámica cuántica.

Entonces α se acepta como una de las constantes importantes de la naturaleza. Ahora, con los valores de estas cantidades conocidos con precisión, los físicos preguntan, ¿son realmente constantes? En 1937, las consideraciones sobre las fuerzas del universo llevaron a Dirac a especular que α y GRAMO cambian con el tiempo a medida que el universo envejece. Otra especulación sugerente e incluso más antigua es preguntarse si las constantes varían en todo el universo. En 1543, cuando el astrónomo polaco Nicolaus Copernicus puso el sol y no la Tierra en el centro del universo, trasladó a la humanidad de su ubicación cósmica especial. Esto implica que el universo es el mismo en todas partes, pero esto es solo una suposición.

VLa aparición de “constantes” alteraría tanto el Modelo Estándar como la cosmología basada en él y la relatividad general, que entre otras cuestiones no explican la materia oscura y la energía oscura. Agregue el papel de α en la noción de que el universo está “ajustado” para sustentar la vida y la idea relacionada de que, de muchos multiversos, el que existimos es el que tiene ese valor ganador de α. Todo esto estimula la investigación sobre las constantes de la naturaleza, gran parte de la cual se centra en α.

Las mediciones terrestres confirman que α se fija dentro de partes por decenas de miles de millones. Un proyecto más desafiante es medirlo a distancias astronómicas. Esto también determina α en los primeros tiempos cósmicos, ya que la luz de miles de millones de años luz de distancia tardó tantos años en llegarnos desde un universo más joven. Desde 1999, John Webb de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia, con sus colegas, ha estado haciendo tales mediciones al recolectar luz de los distantes núcleos galácticos llamados cuásares donde los agujeros negros atraen el polvo que brilla. Esta luz atraviesa nubes de gas interestelares y es absorbida en longitudes de onda características de los átomos en las nubes. El análisis de las longitudes de onda da α en la ubicación distante, al igual que las longitudes de onda del hidrógeno definieron α por primera vez en la Tierra.

Los resultados apuntan a la opinión de Copérnico de que, en escalas muy grandes, el universo se ve muy parecido en todas partes.

Los primeros resultados de Webb mostraron que α ha aumentado un 0,0006 por ciento durante los últimos 6 mil millones de años o más, y que depende de la distancia a la Tierra. Los resultados publicados en 2020 muestran un cambio menor en α entre ahora y hace 13 mil millones de años, cuando el universo tenía solo 0,8 mil millones de años, lo que los autores interpretan como “consistente con ningún cambio temporal”. Los resultados acumulados también sugieren que α varía en diferentes direcciones en el espacio. En general, los errores experimentales son demasiado grandes para inspirar confianza en que cualquier cambio medido en α sea exactamente correcto, pero los cambios son ciertamente extremadamente pequeños.

Ahora, α también se ha medido dentro de un campo gravitacional fuerte, donde teóricamente puede cambiar. La gravedad más fuerte que conocemos proviene de un agujero negro, donde una nave espacial tendría que alcanzar la velocidad inalcanzable de la luz para escapar. Pero la fuerte gravedad también acompaña a una enana blanca, una estrella que ha expulsado sus capas externas para dejar un núcleo masivo pero del tamaño de un planeta. En 2013, J.C. Berengut de la Universidad de Nueva Gales del Sur, junto con Webb y otros, analizaron datos espectrales de una enana blanca y obtuvieron un cambio en α del 0,004 por ciento en relación con la Tierra.

Sin embargo, nadie había medido α cerca de un agujero negro supermasivo hasta el trabajo de este año de Hees y coautores, incluido Ghez. Sus resultados de Keck ayudaron a elegir cinco estrellas cuyas órbitas las acercan al agujero negro supermasivo para maximizar sus efectos gravitacionales, y de un tipo cuyos espectros muestran fuertes características de absorción debido a la atmósfera estelar circundante. Esto facilitó la derivación de α de las longitudes de onda de absorción de cada estrella. El resultado compuesto final nuevamente muestra solo un pequeño cambio en α, de 0.001 por ciento o menos en comparación con la Tierra.

Aunque el cambio medido en α es pequeño, los resultados de cinco estrellas en diferentes lugares del campo gravitacional del agujero negro supermasivo condujeron a un nuevo resultado; permitieron una prueba temprana de las predicciones teóricas de que los cambios en α son proporcionales a los cambios en el potencial gravitacional, la energía almacenada en el campo gravitacional. Los resultados confirmaron que las dos cantidades son proporcionales, pero las incertidumbres en los datos respaldaron solo una estimación aproximada de la constante de proporcionalidad. Un valor más confiable podría seleccionar entre varias teorías nuevas que tratan la materia oscura y la energía oscura.

Por ahora, los cambios medidos en α a lo largo del tiempo y el espacio, y bajo la gravedad, son demasiado pequeños o inciertos para guiar a los físicos hacia nuevas teorías o incluso para alimentar especulaciones como las perspectivas de vida en el universo lejano o cerca de un agujero negro. La pequeñez de los cambios insinúa la opinión de Copérnico de que en escalas muy grandes, el universo se ve muy similar en todas partes, aunque más mediciones podrían confirmar que existen diferencias reales, aunque pequeñas, en todo el universo que podrían ser significativas.

Puede ser una especie de consuelo saber que en un universo dinámico, este número cósmico particular se mantiene estable. Pero ver cambios más grandes en α cerca de nuestro agujero negro supermasivo galáctico podría ser el punto de partida para una nueva física. Como describió Hees en una entrevista por correo electrónico, su objetivo ahora es profundizar en el campo gravitacional del agujero negro. Planea realizar nuevas mediciones optimizadas en 2021 para “observar estrellas que están más cerca del agujero negro y que por lo tanto experimentaron un potencial gravitacional más fuerte… Pero con la tecnología actual, no es fácil obtener buenas observaciones espectrales de estrellas que están súper cercanas al agujero negro “. Aún así, cree que puede reducir los errores de medición en un factor de 10.

El trabajo del Premio Nobel de clase mundial llevado a cabo por Ghez dependió de grandes mejoras en las técnicas de observación y espectroscopia. Es una buena apuesta que las mejoras adicionales basadas en este exitoso proyecto mejorarán la investigación en el agujero negro supermasivo, una arena única para estudiar esos cambios esquivos en α y lo que significan para cómo entendemos el universo.

Sidney Perkowitz es profesor emérito Charles Howard Candler de física en la Universidad de Emory. Sus últimos libros son Física: una introducción muy brevey Los verdaderos científicos no usan corbatas. Él está trabajando en Bocetos científicos.

Imagen principal: esta ilustración muestra la actividad frenética en el agujero negro supermasivo en el núcleo de la Vía Láctea, conocido como Sagitario A * o Sgr A *. Crédito: ESA – C. Carreau / NASA

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