Nobel de Física 2020: De los agujeros negros a la astrofísica como fuerza motora de investigación

0
337
Se detectaron más de 100 estrellas muy masivas y brillantes moviéndose entorno al Centro Galáctico. (UCLA Galactic Center Group)
4 min. de lectura

 

El Premio Nobel en Física 2020 ha sido otorgado a 3 científicos que han construido sus carreras investigando a los agujeros negros. Ellos son Sir Roger Penrose (Profesor Emérito, Universidad de Oxford), Reinhard Genzel (Director, Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching), y Andrea Ghez (Universidad de California en Los Ángeles).

Penrose realizó contribuciones teóricas que fueron fundamentales para mostrar que los agujeros negros se producen inevitablemente por colapso de la materia cuando se cumplen ciertas condiciones. Genzel y Ghez han dirigido dos grupos de investigación que han usado los telescopios más poderosos de la Tierra para determinar las órbitas de estrellas alrededor del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Esas determinaciones les permitieron establecer que las estrellas se mueven bajo el efecto gravitacional de un objeto compacto supermasivo (con una tamaño menor que la distancia que separa a la Tierra del Sol).

Todas sus determinaciones son compatibles con la presencia de un agujero negro gigante como los predichos por Penrose en los años 1960. El galardón, que se reparte en medio premio para Penrose y la otra mitad para los dos observadores, es un reconocimiento a la importancia que los agujeros negros han adquirido en nuestra concepción del universo.

Los galardonados con el Nobel de Física 2020 son Roger Penrose, Reinhard Genzel y Andrea Chez. (Nobel Prize Foundation)

A principios de la década de 1960, los astrónomos estaban perplejos por el descubrimiento de los cuásares: objetos extremadamente compactos y variables que emiten más radiación que miles de galaxias normales.

En 1964 los físicos Edwin Salpeter y Yákov Zeldóvich sugirieron, en forma independiente, que la fuente última de energía en los cuásares era la caída de materia en objetos compactos supermasivos.

Al año siguiente, Roger Penrose, un matemático de Oxford, aplicó un método de análisis global de la estructura causal del espacio-tiempo para probar que, independientemente de los detalles geométricos, un sistema material librado a su propio peso termina colapsando en un agujero negro[1]. Este resultado mostró que si se dan ciertas condiciones, la formación de un agujero negro es inevitable.

Fue el comienzo del uso de método conforme (una técnica matemática que permite analizar el comportamiento de rayos de luz en un cierto espacio-tiempo) para investigar las propiedades de los agujeros negros.

 

fig2-phy-en-cross-section

 

Muy pronto, Penrose pudo mostrar cómo ciertos procesos físicos permiten extraer energía de agujeros negros. En muy poco tiempo, un grupo de físicos relativistas que incluía a Zeldóvich, Igor Novikov, Werner Israel, Brandon Carter, Stephen Hawking, Kip Thorne, Samuel Bekenstein y Roger Blandord, entre muchos otros, desarrollaron la teoría de los agujeros negros y de sus implicaciones astrofísicas.

Tan temprano como en 1964, Zeldóvich y Novikov mostraron que un agujero negro que forme un sistema binario con una estrella se transformaría en una fuente de rayos X si devora la materia de la estrella. Esas fuentes de rayos X fueron descubiertas por las primeras misiones de astronomía satelital (por lo cual Riccardo Giacconi recibió el Premio Nobel de Física en 2002).

El primer candidato fuerte para un agujero negro, Cygnus X-1, fue descubierto usando rayos X por Charles Thomas Bolton, Louise Webster y Paul Murdin en 1972. Sin embargo, no ha sido posible establecer más allá de toda duda que el objeto compacto en esta y otras fuentes son agujeros negros.

Fue a principios de la década de 1970 cuando también se descubrió una radio fuente brillante y muy compacta en el centro de la galaxia. El objeto, denominado Sagitario A* (Sgr A*), fue descubierto en febrero de 1974 por los astrónomos Bruce Balick y Robert Brown utilizando el interferómetro del Observatorio Nacional de Radioastronomía (Estados Unidos).

Fue esta fuente la que estudiaron a partir de los años 1990 tanto Genzel como Ghez. Para investigarla, recurrieron a telescopios infrarrojos que les permitieron seguir el movimiento de estrellas a su alrededor. Se han detectado más de 100 estrellas muy masivas y brillantes moviéndose entorno al Centro Galáctico.

fig3-phy-en-milky-way

 

La determinación de las órbitas de estas estrellas han permitido establecer que el objeto alrededor del que se mueven es un objeto compacto supermasivo (de unas 4 millones de masas solares). En julio de 2018, Reinhard Genzel y sus colaboradores informaron que la estrella S2 en órbita alrededor de Sgr A* se movía a 7,650 km/s o sea al 2,55% de la velocidad de la luz.

En base a esto pudieron estimar el corrimiento al rojo predicho por la relatividad general a velocidades relativistas, lo que fue una confirmación adicional de la teoría de Einstein.

Según Genzel y colaboradores[2], los datos descartaron la posibilidad de que Sgr A* contenga un grupo de objetos estelares oscuros o una masa de fermiones degenerados, lo que refuerza la evidencia de un agujero negro de gran masa.

Ghez, por su parte, desarrolló estudios similares usando el telescopio Keck, de 10 metros, en Hawái. Los resultados de Ghez y su equipo han corroborado los obtenidos por Genzel. En 2018 Ghez propuso que la nube G2, que tuvo un encuentro con el Centro Galáctico y sobrevivió, está formada en realidad por dos estrellas que se han fusionado.

La primera imagen visual directa de un agujero negro en Messier 87, una galaxia elíptica supergigante en la constelación de Virgo. El Event Horizon Telescope (EHT) fue diseñado para capturar imágenes de un agujero negro. (EHT/Wikicommons)

Resumiendo todos estos descubrimientos, Genzel ha dicho[3]: “[constituyen] la mejor evidencia empírica de que los agujeros negros supermasivos realmente existen. Las órbitas estelares en el Centro Galáctico muestran que la concentración de masa central de cuatro millones de masas solares debe ser un agujero negro, más allá de cualquier duda razonable”.

Podemos decir que este nuevo Nobel de Física muestra, una vez más, que la astrofísica y la cosmología se han transformado en fuerzas motoras fundamentales de la investigación física. Algo similar ocurrió con la física de partículas hasta los años 1970.

Las energías implicadas en los fenómenos que involucran a los agujeros negros, sin embargo, son mucho mayores que las que se pueden producir en los aceleradores más potentes de la Tierra.

Son estos objetos, pues, los que nos permiten sondear las manifestaciones más extremas del universo, y a través de ellas intentar correr el velo que nos separa de las preguntas más fundamentales que podemos hacer: ¿Qué son el espacio, el tiempo y la materia? ¿Cómo se relacionan?  ¿Qué es el universo? ¿De dónde surgió? ¿Por qué existe? ¿Cómo terminará?

Y finalmente: ¿Cuál es nuestro lugar en todo esto?

Popular-physicsprize2020

Referencias

[1] Penrose, Roger (January 1965). «Gravitational Collapse and Space-Time Singularities». Physical Review Letters. 14 (3): 57–59.

[2] Schödel, R.; et al. (17 October 2002). «A star in a 15.2-year orbit around the supermassive black hole at the centre of the Milky Way». Nature. 419 (6908): 694–696.

[3] O’Neill, Ian (10 December 2008). «Beyond Any Reasonable Doubt: A Supermassive Black Hole Lives in Centre of Our Galaxy». Universe Today.

 

¿Qué te pareció este artículo?

1 estrella2 estrellas3 estrellas4 estrellas5 estrellas (5 votos, promedio: 4,60 de 5)
Compartir artículo:

Dejar respuesta

Please enter your comment!
Please enter your name here