Dr. Richard Genzel. (Ilustración de Lili Mendoza - Ciencia del Sur)
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En las últimas décadas, la astronomía y la astrofísica han experimentado un enorme progreso, en parte gracias a los observatorios e investigadores en América del Sur, según Reinhard Genzel, ganador del Premio Nobel de Física 2020. Queda mucho trabajo por hacer para una nueva generación de cosmólogos y científicos espaciales, a quienes anima a considerar a Chile y sus laboratorios para la investigación.

Genzel, codirector del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, es profesor en la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich, Alemania y profesor emérito en la Universidad de California, Berkeley. En 2020, recibió el Premio Nobel de Física, que compartió con Andrea Ghez y Roger Penrose, «por el descubrimiento de un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia».

Las Reuniones de Premios Nobel en Lindau, Alemania, son una serie de encuentros anuales de científicos ganadores de un Nobel, con jóvenes investigadores, que “persiguen el intercambio de diferentes generaciones, culturas y disciplinas”. Se llevan a cabo en la ciudad alemana de Lindau, cada año, desde 1951.

Durante la edición 2021, en el que los encuentros llegaron a su edición 70, Ciencia del Sur tuvo la oportunidad de entrevistar al profesor Genzel de forma online. Esta es la conversación, editada para mayor claridad.

-¿Estamos viviendo una época dorada para el estudio de la astronomía y la astrofísica?

Sí, creo que probablemente sea correcto, pero no es del todo nuevo. Ya hemos tenido, durante las últimas tres o cuatro décadas, gigantes descubrimientos. A medida que los instrumentos y telescopios mejoran continuamente, podemos detectar nuevas longitudes de onda en el espectro electromagnético, ondas gravitacionales y neutrinos.

Y hemos logrado un enorme progreso en nuestra capacidad de mirar hacia afuera y explorar el Universo.

-¿Cómo describe el progreso de nuestro conocimiento sobre el centro de nuestra galaxia?

Para mí, ha sido una historia de progreso constante y, a veces, emocionante. Han sido necesarios 40 años, un largo período. Ahora, en el centro galáctico, tenemos una situación muy inusual si realmente podemos ver que las cosas se mueven. Podemos ver los planetas y sus lunas moverse en el Sistema Solar. En sistemas más distantes, como las galaxias, normalmente no podemos.

En el centro galáctico, vemos que las estrellas se mueven. Lo que hemos hecho es aprovechar estos movimientos para buscar y luego probar la hipótesis que ya existía cuando comenzamos: que podría haber un agujero negro masivo.

Esta hipótesis se remonta a la creación de la Teoría de la Relatividad General hace cien años. Pero tomó mucho tiempo antes de que el trabajo experimental estuviera realmente listo para abordar estos pequeños efectos, que cabría esperar de la relatividad general.

-¿Qué opina de los modelos que postulan un objeto exótico que no sea un agujero negro en el centro galáctico?

Genzel ganó el Premio Nobel de Física «por el descubrimiento de un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia». (Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings)

Lo que puedo decir es tanto el trabajo en el centro galáctico como la detección de la inspiración de dos estrellas compactas hacia una sola estrella o un solo agujero negro con ondas gravitacionales, ambos tipos de investigación son, en primer lugar, perfectamente consistentes con relatividad general en los agujeros negros.

En segundo lugar, la posibilidad de cualquier cosa que no sea un agujero negro está en el ámbito de la especulación. Es posible en algún nivel, pero no muy probable. Sin embargo, estoy de acuerdo contigo. Todos sentimos que debemos continuar y empujar la frontera.

Un agujero negro, por definición, es un objeto con un horizonte de eventos y, desafortunadamente, no puedes entrar en el horizonte de eventos a menos que quieras lanzar un cohete hacia él. Pero claro, nunca podrás informar sobre lo que encontraste.

Así que ese es realmente el truco: qué tan cerca del horizonte de eventos podemos llegar, y las ondas gravitacionales, así como nuestro trabajo, ahora están comenzando a llegar a los últimos radios fuera del horizonte de eventos, que probablemente serán explorables.

Y esos radios, los objetos, realmente todavía parecen un agujero negro de Schwarzschild / Kerr. Ahora, hay algunas cosas que aún no hemos hecho en el centro galáctico. No hemos medido lo que se llama el giro de la rotación del agujero negro.

Y una vez que tienes eso, tienes la masa y dos o tres estrellas. Entonces puedes probar el llamado Teorema sin pelo o de la calvicie. Es algo fantástico. Los agujeros negros masivos en las grandes galaxias tienen mil millones de veces la masa del Sol. Aún así, la relatividad general predice que solo necesitas dos números: ¿Cuál es la masa? ¿Y qué tan rápida es la rotación?

Entonces, los objetos son en principio magníficamente simples, como partículas elementales pero de una masa muy grande. Y si ese es el caso, si realmente solo necesita estos dos números, entonces otras propiedades que podría medir, como el llamado momento cuadrupolo del agujero negro, deben salir directamente de una combinación de la masa y la rotación. Y eso se puede calcular.

No es un número aparte. Otra forma de decir esto es que no hay colinas, bordes o pelos que sobresalgan de un agujero negro, al menos cuando está solo.

-¿Cuándo cree que podamos tener una imagen de la sombra del agujero negro en Sgr A * similar a la obtenida para M87?

Esa es una pregunta muy importante porque, tal como está ahora, los resultados de la imagen milimétrica de M87 con el Event Horizon Telescope (EHT) son muy emocionantes y también son completamente consistentes con las predicciones de la Teoría de la Relatividad General.

La imagen muestra una región oscura, una sombra rodeada por un anillo brillante de emisión de radio. En la Relatividad General, el diámetro de la sombra viene dado por el tamaño de la «órbita de los fotones», dentro de la cual también los fotones caerían en el agujero negro.

Los resultados de M87 son consistentes con esta interpretación si el agujero negro tiene una masa de aproximadamente 6 mil millones de masas solares. El siguiente gran paso sería medir el diámetro de la sombra y la masa del agujero negro con la mayor precisión posible para que esta importante prueba sea muy significativa.

También sería maravilloso que el EHT hiciera una imagen de la fuente de radio del Centro Galáctico SgrA *. ¿Por qué no lo han hecho? Desafortunadamente, el agujero negro de nuestro centro galáctico tiene 50.000 veces menos masa que el de M87. Eso significa que el tiempo que tarda un fotón en dar la vuelta a la órbita interior del fotón es 50.000 veces más largo en M87 que en el centro galáctico. En M87 puede medir esto en semanas. En el centro galáctico puedes medirlo en unos diez minutos.

Eso significa que cualquier cambio que pueda tener en la región alrededor del agujero negro debido a gases o campos cambia la apariencia del objeto, y la técnica que los radioastrónomos están usando para hacer una imagen requiere tiempo. En ese momento, la imagen ha cambiado.

Es muy desafiante técnicamente. Espero que encuentren la manera de hacerlo en los próximos años. Una vez que tengan sus resultados, podemos combinarlos con los nuestros.

-¿Cuál es su visión sobre la naturaleza de la materia oscura?

La hipótesis ha sido que la materia oscura es, digamos, una partícula elemental que no tiene masa sin carga eléctrica. Debido a la masa, luego interactúa con otras masas. Ve la gravitación, el espacio-tiempo, pero como no tiene carga, no interactúa a través de interacciones electrodinámicas.

Eso es muy diferente de la materia normal, al menos a altas temperaturas. Si nos lleva y nos calienta al tipo de temperaturas que existen en el espacio interestelar, entonces estaríamos ionizados y eso, por supuesto, reacciona para cargar.

La forma en que sentimos la materia oscura en astronomía es a través de la gravedad y cómo reaccionan otras partículas a la presencia de esta materia que de otro modo sería invisible.

Si toma medidas de todas las escalas, como las partes externas de las galaxias, incluso desde los primeros tiempos del Universo, en particular de la radiación de fondo cósmico de microondas, todo esto nos da una lectura bastante buena de la constitución de la materia oscura a gran escala, y cumple con las propiedades que describí.

¿Es eso una prueba de que la partícula es así? No, porque nos gustaría identificarlo por sí solo y más preferiblemente en un laboratorio, pero es una medición muy desafiante. Tienes que ir a las profundidades del subsuelo para eliminar el fondo y otros efectos.

La comunidad de físicos ha estado haciendo esto durante años con mediciones cada vez mejores, pero hasta ahora no ha sido posible la detección de esta elusiva partícula de materia oscura. Las propuestas alternativas a las partículas elementales muy pesadas como constituyentes de la materia oscura se denominan «axiones». Algunas personas han planteado los agujeros negros como fuentes de materia oscura.

Todo esto es especulación. En este punto, solo podemos decir, a gran escala, si la relatividad general es correcta en la descripción de las fuerzas entre partículas, entonces tiene que existir esta materia oscura.

Es esencial; de lo contrario, si dice que tal vez no esté allí, lo que estamos viendo a gran escala no se puede explicar, a menos que las leyes físicas de la gravedad sean diferentes de las de Einstein / Newton.

Los resultados de la imagen milimétrica de M87 con el Event Horizon Telescope (EHT) son completamente consistentes con las predicciones de la Relatividad General. (WikiCommons)

-¿Cuáles son los mayores desafíos para la astrofísica en los próximos años?

La materia oscura es una y la otra es la evolución general del Universo. Hay partes en las que se ha avanzado mucho. Uno de los avances fantásticos es esta formación de estructura desde 300.000 años después del Big Bang hasta la actualidad. Eso se ha entendido bastante bien bajo el supuesto de materia oscura.

Estamos viendo la expansión del Universo, y está muy bien establecido que hay una expansión desde un estado superdenso original que llamamos Big Bang. En la Relatividad General, una de las soluciones más simples de tal explosión de materia es que hay una cantidad finita de energía y, después de un tiempo, la expansión se ralentiza debido a la gravedad del Universo en general, y todo vuelve a unirse.

Se supone que ese es el caso, pero eso no es lo que estamos viendo. De hecho, la expansión se acelera, especialmente durante los últimos mil millones de años. Eso es bastante sorprendente.

Se llama «energía oscura» en los medios; como si el vacío tuviera energía o presión para alimentar la expansión del universo. Es algo desconcertante. Estamos comenzando a rastrear el comienzo de esta expansión. ¿Cuándo empezó?

Luego, el siguiente acertijo es el Big Bang en sí y cómo sucedió. ¿Cómo deberíamos imaginarlo? Cualquier persona normal pregunta: ¿Qué pasó antes del Big Bang? Esa es una pregunta un poco no-no: tenemos que decir humildemente que no podemos decir. Simplemente no lo sabemos.

Hay especulaciones teóricas al respecto para hacerlo más comprensible, pero no vale la pena hablar de ello hasta que tenga una buena manera de probarlo mediante la observación. Ese es el principio científico. Puedo inventar cualquier idea y teoría, pero si no puedo probarla, no sirve de nada. Esas especulaciones son como la religión, un sistema de creencias.

Otro acertijo es la formación y evolución de las galaxias que estamos empezando a comprender. Los agujeros negros y las galaxias se encuentran en una situación simbiótica. A medida que las galaxias se mueven, también lo hacen los agujeros negros, y cuando los alimentas, generan mucha energía.

La materia cae dentro de ellos y se calientan mucho, comienzan a irradiar mucha energía, lo que puede detener el crecimiento de las galaxias. Estamos aprendiendo más sobre eso.

Dentro de las galaxias, la mayor investigación en el futuro será la exploración de planetas extrasolares. Ahora sabemos, y esto es simplemente alucinante, que estamos aquí en este Sistema Solar, pero nada más. Especulamos sobre otros mundos, pero no teníamos evidencia hasta hace unos 30 años.

Ahora tenemos evidencia de la existencia de 5.000 a 7.000 exoplanetas y estamos comenzando a explorarlos. Buscamos activamente posibles evidencias de vida.

Solo hay un inconveniente, como con los agujeros negros. En el caso de los planetas extrasolares, no se puede llamar por teléfono. No es práctico. Si hubieras encontrado otro sistema con seres inteligentes en ellos, no podrías comunicarte debido a escalas de tiempo prolongadas.

-¿Cómo ha afectado la pandemia de la COVID-19 a su investigación?

Principalmente porque estamos usando los laboratorios más grandes del mundo en Chile, como los observatorios ALMA y Paranal. Y los observatorios tuvieron que cerrarse. Ambos observatorios recientemente han comenzado a «despertar» nuevamente.

El número de personas en las montañas es limitado, mucho menor de lo necesario para operar estos instrumentos tan complicados. Me preocupa mucho que nos lleve otro invierno antes de que volvamos a las operaciones normales y podamos viajar nosotros mismos al trabajo en el Observatorio Paranal.

-Sin lugar a dudas, los Encuentros del Nobel de Lindau son una oportunidad para interactuar con científicos destacados. En América Latina, todavía estamos rezagados en investigación y desarrollo. ¿Qué recomienda a los estudiantes que quieran hacer ciencia?

Si están realmente entusiasmados con la astronomía, por ejemplo, definitivamente deberían postularse para hacer sus estudios en universidades de América del Sur, donde hay una gran investigación. Chile claramente se está moviendo hacia arriba.

Por supuesto, Brasil ha tenido buena astronomía durante bastante tiempo, pero la de Chile obviamente está creciendo debido a que tiene muchos telescopios en su territorio. Tiene acceso privilegiado porque es el país anfitrión. Pero como resultado, las universidades chilenas se han aprovechado de esto y han creado grupos de investigación. Europa y Estados Unidos, por otro lado, están colaborando con estos grupos.

Otra forma de hacerlo es solicitar las muchas becas disponibles en universidades europeas y estadounidenses e investigar allí. Lo que se necesita, por supuesto, es que los sistemas escolares sean capaces de preparar a los estudiantes con los fundamentos básicos en ciencias para realizar investigaciones.

Yo diría que hay dos caminos, y el crecimiento chileno lo tomo como una muy buena señal. Inicialmente, fue un crecimiento pequeño, pero ahora es un desarrollo bastante formidable.

Reinhard Genzel es codirector del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre y profesor emérito en la Universidad de California, Berkeley. (Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings)

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