Nobel de Física. Agujeros negros, una energía ´fuente´ de preguntas

Los agujeros negros son los objetos astronómicos más sugerentes y los que despiertan más curiosidad. Su propia denominación tiene algo de fascinante y tenebroso al mismo tiempo, y su omnívora capacidad para engullirlo todo a su alrededor suscita una curiosidad temerosa. Ahora, con el anuncio del Premio Nobel de Física 2020, llegan a lo más alto del podio científico mundial, y a las portadas de todos los medios.

No es la primera vez que su extraño nombre circula entre los motivos de los premios de la Academia de las Ciencias de Estocolmo. Ya se comentaba cuando recibió el Nobel el físico italiano Riccardo Giacconi, padre de la astronomía de rayos X, que permitió identificar los primeros agujeros negros en los años 70, y volvieron a la palestra en 2017, cuando se premió a los descubridores de las ondas gravitacionales generadas en las profundidades cósmicas por la colisión entre dos agujeros negros.

Pero ahora el agujero negro ocupa el escenario entero, dividiendo en dos el monto del prestigioso premio. La mitad de la suma será para el inglés Roger Penrose, de la Universidad de Oxford, “por el descubrimiento de que la formación de agujeros negros es una robusta previsión de la teoría general de la relatividad”; la otra mitad la compartirán el alemán Reinhard Genzel, de la Universidad de Berkeley en California, y la estadounidense Andrea Ghez, de la Universidad de California en Los Ángeles, “por el descubrimiento de un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia”.

Hablamos con Marco Bersanelli, profesor de Astrofísica en la Universidad degli Studi de Milán, para que nos guíe por los senderos del espacio-tiempo en relación al significado y valor de este Nobel.

Los agujeros negros son los protagonistas de esta edición del Premio Nobel de Física. Los astrónomos siempre han intentado describir y explicar los fenómenos y cuerpos celestes  luminosos, objeto de posible observación. Pero los agujeros negros no se ven, ni siquiera con megatelescopios. ¿Cómo se llegó a pensar en su existencia?

La idea de que puedan existir cuerpos con un campo gravitacional tan intenso que impida incluso que emerja la luz no es nueva, se remonta a finales del siglo XVIII. Entonces se creía que la luz estaba compuesta por corpúsculos y sometida a las leyes de gravitación de Newton. Pero cuando se descubrió la naturaleza ondulatoria de la luz esta idea entró en crisis. Solo con la introducción de la teoría de la relatividad de Einstein, en 1916, este concepto se retomó y transformó en una hipótesis creíble, y al final consolidada desde el punto de vista físico. Einstein demostró que la gravedad es el efecto de la curvatura del espacio en torno a una masa: cuando mayor es el campo gravitacional, más pronunciada es la curvatura. Dos años después, gracias sobre todo al trabajo de Karl Schwarzschild, se hizo evidente que, dada una masa cualquiera, si esta masa está confinada dentro de una esfera de cierto radio crítico (el llamado “radio de Schwarzschild”), la curvatura del espacio es digamos completa. El espacio se cierra sobre sí mismo alrededor de esa masa. Entonces nada, ni siquiera la luz, puede escapar.

Pero entonces, si los agujeros negros no dan ninguna señal, ¿cómo se pueden estudiar?

No podemos recibir ninguna señal desde el interior del agujero negro pero podemos ver los efectos de su campo gravitacional a su alrededor. Si hay estrellas o gas interestelar cerca de un agujero negro, ese material se verá especialmente acelerado, incluso de manera violenta. Estudiando esos efectos, los astrofísicos pueden comprobar si se trata de un agujero negro o no, incluso pueden calcular su masa.

¿Cuál ha sido la principal contribución de Roger Penrose al conocimiento de los agujeros negros?

Sus trabajos teóricos fundamentales de los años 60, realizados en parte con Stephen Hawking, han demostrado que en determinadas condiciones la gravitación relativa lleva inexorablemente al colapso completo y a la generación del agujero negro. Fue importante porque muchos en aquel momento dudaban de la realidad física de los agujeros negros, considerándolos un efecto espurio de la teoría. Además, Penrose estudió desde el punto de vista físico-matemático las extraordinarias propiedades de los agujeros negros en rotación, demostrando que en principio se podría extraer de ellos más energía de la que entra.

Si Penrose merecía el Nobel por sus trabajos teóricos sobre la relatividad de Einstein, los otros dos premiados, Reinhard Genzel y Andrea Ghez, han visto reconocida una larga y cuidadosa actividad de observación. ¿De qué se trata en este caso?

Observando con extrema atención lo que sucede en torno al centro de nuestra galaxia, han descubierto que el movimiento de una veintena de estrellas remitía a un campo gravitacional central muy fuerte. Pero en correspondencia con la fuente de ese campo no se veía nada. Después de más de veinte años de observación, una de esas estrellitas realizó una órbita completa, y otras tenían trayectorias que pasaban muy cerca del punto central. Mediante un análisis riguroso de esos datos orbitales, Genzel y Ghez demostraron con certeza que en el origen de ese cambio gravitacional debe encontrarse un agujero negro con la fabulosa masa de más de cuatro millones de masas solares.

¿Qué recursos instrumentales han podido utilizar y qué avances tecnológicos han favorecido más su investigación y su descubrimiento?

Para sus observaciones han utilizados algunos de los instrumentos más potentes nunca construidos, concretamente el VLT (Very Large Telescope) del European Southern Observatory, situado en los Andes chilenos. Pero desde el punto de vista tecnológico, el paso decisivo ha sido la introducción de la llamada “óptica adaptativa”, un sofisticado sistema que permite reducir drásticamente el efecto de turbulencias de la atmósfera terrestre, haciéndolo cualitativamente similar al de un telescopio espacial.

La hipótesis de que en el centro de una galaxia haya un agujero negro empieza a dejar de ser solo una hipótesis, ¿hasta qué punto se puede extender a todas las galaxias?

Hoy tenemos la clara evidencia de que la mayoría de las galaxias masivas del universo alberga en su centro un agujero negro de gran masa (lo llamamos un “super-massive black hole”). La evidencia más espectacular fue la imagen captada por el Event Horizon Telescope, que el año pasado dio la vuelta al mundo y que muestra un agujero negro gigantesco, de 2.400 millones de masas solares, en el centro de la galaxia M87. Naturalmente, como decíamos antes, no vemos directamente el agujero negro sino sus alrededores más cercanos.

De las futuras misiones científicas espaciales, ¿cuáles podrán contribuir más al conocimiento de la estructura y dinámica de las galaxias?

El esperado JWST, sucesor del glorioso Hubble Space Telescope, promete pasos decisivos en este ámbito. Esperemos que su lanzamiento, previsto para dentro de un año, se confirme…

El Nobel vuelve a premiar resultados científicos que explican cómo está hecha la realidad. En este caso se trata de fenómenos muy alejados de nuestra experiencia diaria y que en todo caso no tienen ninguna consecuencia práctica aplicativa. ¿Por qué es tan importante premiar e incentivar este tipo de investigaciones?

Estas investigaciones son el medio más poderoso que tenemos para poner a prueba algunas de las ideas más profundas que tenemos sobre el mundo físico. Claro que son fenómenos lejanos, no solo en el espacio sino también por la naturaleza que representan, pero precisamente por eso tienen un gran valor. Nos ofrecen situaciones que nunca podremos reproducir en un futuro laboratorio terrestre. El mero hecho de poder conocer y familiarizarnos con realidades tan extremas nos entusiasma y hace que nos preguntemos, en el fondo, qué tenemos en común con esas criaturas tan diferentes y aparentemente extrañas. Además, del hecho de que estos estudios no estén motivados por aplicaciones prácticas no significa que no las pueda tener. Ahora la teoría de la relatividad general resulta fundamental para que funcionen nuestros Gps. Mañana, ya veremos.