El pasado 6 de Octubre, la Real Academia de Ciencias de Suecia otorgó el premio Nobel de Física 2020 en forma conjunta a tres científicos por sus contribuciones en el campo de la astronomía. El premio se dividió en dos partes, otorgando una mitad a Roger Penrose “por el descubrimiento de que la formación de agujeros negros es una predicción robusta de la Teoría de la Relatividad General”, y la otra mitad en conjunto a Reinhard Genzel y Andrea Ghez “por el descubrimiento de un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia”.
Imagen oficial de Roger Penrose (izquierda), Reinhard Genzel (centro) y Andrea Ghez (derecha) publicada por la Real Academia de Ciencias de Suecia, al momento de comunicar la adjudicación del premio Nobel de Física 2020.
Roger Penrose nació en 1931 en Colchester, Reino Unido. Obtuvo su doctorado en 1957 por la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y actualmente es Profesor en la Universidad de Oxford, Reino Unido.
Reinhard Genzel nació en 1952 en Bad Homburg vor der Höhe, Alemania. Obtuvo su doctorado en 1978 por la Universidad de Bonn, Alemania. Es Director del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, en Garching, Alemania y se desempeña como Profesor en la Universidad de California, Berkeley, USA.
Andrea Ghez nació en 1965 en la Ciudad de New York, USA. Obtuvo su doctorado en 1992 por el California Institute of Technology, Pasadena, USA. Actualmente es Profesora en la Universidad of California, Los Angeles, USA.
El premio consiste en un diploma y medalla de oro para cada uno de los premiados y un monto de dinero de 10 millones de coronas suecas (aproximadamente 1,1 millones de dólares estadounidenses) que se repartirá una mitad para Roger Penrose y la otra mitad en partes iguales para Reinhard Genzel y Andrea Ghez.
Sobre la temática premiada
Los agujeros negros, uno de los objetos más misteriosos de nuestro universo, fueron el eje central de este premio. A continuación, hablaremos un poco de estos descubrimientos y la importancia que los hizo merecedores de tan alto reconocimiento en el campo científico.
Roger Penrose y la formación de agujeros negros
El primer descubrimiento merecedor del Premio Nobel fue uno de carácter puramente teórico, en donde se introdujeron novedosas técnicas matemáticas.
Penrose publicó su reconocido artículo titulado Gravitational collapse and space-time singularities (Colapso Gravitacional y Singularidades del Espacio-Tiempo) en 1965, casi 10 años después de la m
uerte de Einstein. En este artículo demostró que la formación de agujeros negros es un proceso estable que deriva directa
mente de la Teoría de la Relatividad de Einstein. Ni siquiera Einstein creía que dichos agujeros pudiesen existir en la realidad, debido a sus características tan extrañas: una masa tan extremadamente grande que pudiese encapsular un pedazo de espacio, formando un agujero negro, de donde ni siquiera la luz pudiese escapar, y con un punto en su centro, llamado singularidad, en donde las leyes de la física actualmente conocidas ya no funcionan.
Desde que Einstein publicó su teoría, numerosas investigaciones científicas contribuyeron a aumentar el conocimiento acerca de estos objetos.
La primera descripción teórica de lo que ahora es conocido como un agujero negro se planteó apenas unas semanas después de que Einstein completara y publicara su teoría. Fue de parte de Karl Schwarzschild, que en 1916 describió la curvatura del espacio-tiempo en un caso idealizado: una masa esférica no rotante. Dicha solución presentaba dos particularidades muy importantes, y que en su momento no se comprendieron del todo. Partiendo del centro del agujero negro como origen de coordenadas, se encontraban dos puntos donde las ecuaciones se comportaban de forma extraña: exactamente en el centro del agujero negro, que más adelante se demostraría que corresponde a una singularidad verdadera, y en otro punto llamado radio de Schwarzschild, que corresponde al horizonte de eventos de un agujero negro: nada que entre al horizonte de eventos puede volver a salir.
Robert Oppenheimer y uno de sus estudiantes, Hartland Snyder, estudiaron en 1939 el colapso de estrellas masivas, nuevamente planteando la simetría esférica, e identificaron el radio de Schwarzschild con el horizonte de eventos, en donde sólo permanece el campo gravitatorio de una estrella, pero ninguna comunicación puede efectuarse con un observador lejano. Otros científicos revisaron estos cálculos, y una conclusión acertada parecía ser que la simetría esférica no describía a los sistemas físicos reales, con sus imperfecciones, y que el colapso gravitatorio de cualquier otra distribución de masa no daría lugar a la singularidad encontrada por Schwarzschild.
En 1950 un descubrimiento desencadenaría un renovado interés por los agujeros negros: los quasars. Se detectaron en primer lugar ondas de radio distribuidas por todo el cielo, provenientes de objetos desconocidos hasta el momento. Recién en 1960 pudieron detectarse ondas en el espectro visible, que correspondían a la ubicación de estas fuentes de radio. Es por esto que se creyó que los quasars eran estrellas azules dentro de nuestra galaxia, que emitían también radiación en ondas de radio. Sin embargo, el astrónomo Maarten Schmidt identificó en 1963 la localización exacta de uno de estos quasars: se encontraba fuera de la Vía Láctea. Debido a la luminosidad del objeto, esta distancia tan lejana implicaba que dicho objeto debería ser aproximadamente mil veces más brillante que toda la Vía Láctea. A esto se le sumaron varios otros descubrimientos de quasars situados afuera de nuestra galaxia. Los astrónomos se dieron cuenta de que los quasars no eran objetos aislados, si no que se encontraban exactamente en el centro de las galaxias, y como son tan brillantes, el resto de la galaxia resulta difícil de distinguir: se les llama AGN (por las siglas en inglés de Núcleos Activos de Galaxias). Los astrónomos comenzaron a analizar posibilidades acerca de cómo se formaron estos objetos o de dónde provenía tanta cantidad de energía. Hoy sabemos que, para obtener tanta cantidad de energía en un volumen limitado, debe tratarse de materia siendo atraída por un agujero negro.
Motivado por estos descubrimientos, el físico John Wheeler comenzó a reconsiderar la física de los colapsos gravitatorios y le planteó el problema a Penrose. Penrose conocía las soluciones de Schwarzschild y estaba familiarizado con nuevos avances, como la solución propuesta por Kerr en 1963, referida a objetos rotantes, pero en la que aún eran necesarias muchas consideraciones de simetría. Penrose comenzó su análisis del problema sin asumir ningún tipo de simetría esférica. Su artículo emblemático se publicaría en 1965.
Para hacer esto, tuvo que inventar métodos matemáticos novedosos e hizo uso de la topología. El concepto clave introducido por Penrose es el de una superficie atrapada: una superficie cerrada con la propiedad de que todos los rayos de luz ortogonales a la superficie convergen si se traza su trayectoria hacia el futuro. En el caso de simetría esférica, puede verse que cualquier esfera de radio menor al radio de Schwarzschild es una superficie atrapada. Una consecuencia directa del planteo de las superficies atrapadas es el desarrollo de una singularidad.
Las superficies atrapadas funcionan también en el caso rotante y son independientes de cualquier simetría. Penrose siguió trabajando y demostró que una vez que una superficie atrapada se ha formado, es imposible detener el colapso gravitatorio hacia una singularidad. A su trabajo se lo conoce generalmente como Teorema de la Singularidad.
Diagrama basado en el artículo de Penrose de 1965, explicando el colapso de una estrella y el momento de formación de una superficie atrapada.
Su solución demostró que un agujero negro puede formarse en casos físicamente realistas, independientemente de la simetría del sistema. Fue una de las soluciones más contundentes desde el planteo de la teoría por Einstein y revolucionó a la comunidad de la física y la astronomía: puede decirse que aquí comenzó la era del estudio de los agujeros negros.
Andrea Ghez y Reinhard Genzel, y la detección de un agujero negro supermasivo
El segundo descubrimiento merecedor del Premio Nobel fue de índole experimental, en donde se desarrollaron avanzadas técnicas observacionales.
Mucho esfuerzo se invirtió en demostrar la hipótesis de que los objetos que se encontraban en el centro de galaxias eran agujeros negros supermasivos.
Un agujero negro no puede observarse directamente, sin embargo, su fuerte atracción gravitatoria afectará el movimiento de las estrellas cercanas. Observando estas estrellas, es posible determinar muchas propiedades acerca de los agujeros negros.
Este fue el trabajo que hicieron Reinhard Genzel y Andrea Ghez. Independientemente dirigieron dos grupos: Genzel en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE), usando telescopios en Chile operados por el Observatorio Europeo del Sur (ESO); Ghez en la Universidad de California (UCLA), usando el telescopio del Observatorio Keck en Hawai.
Durante casi tres décadas estos equipos observaron las estrellas en el centro de nuestra galaxia, una región llamada Sagitario A*, a unos 25000 años luz de distancia. El objetivo era determinar sus órbitas. Debido a la larga duración de las observaciones, sólo se hizo viable utilizar telescopios en la Tierra. Uno de los más grandes desafíos fue compensar el efecto de la atmósfera que distorsiona los rayos de luz recibidos desde las estrellas. Esto requirió el desarrollo de una técnica observacional llamada óptica adaptativa. Un objeto brillante de referencia, como una “estrella artificial” creada por un láser, es detectado por los espejos del telescopio y se utiliza como parámetro. Un espejo deformable compensa el efecto de la atmósfera y se aplica a la observación de la estrella real. Esta compensación se hace en tiempo real y con una retroalimentación permanente, permitiendo seguir la trayectoria y la velocidad de estrellas individuales con mucha eficiencia.
Diagrama del funcionamiento de la técnica óptica adaptativa.
Utilizando esta técnica trazaron las trayectorias de muchas estrellas cercanas al centro de la galaxia. Una de las más notables es la que denominaron S2 o So2, debido a su corto tiempo orbital de tan solo 16 años. Es decir, pudieron seguir a esta estrella por casi dos órbitas completas.
Animaciones de las trayectorias de estrellas seguidas desde 1995 hasta 2012
Ambos equipos compararon resultados y estos fueron completamente iguales, corroborando así las mediciones hechas por cada uno. El particular movimiento de las estrellas cercanas al centro de la galaxia sólo podría explicarse si se ven afectadas por la gravedad de un objeto compacto que cumple todas las características de un agujero negro supermasivo, con una masa estimada de aproximadamente 4 millones de masas solares, condensadas en una región del tamaño de nuestro sistema solar.
Por el gran desarrollo en técnicas teóricas y observacionales, y por los grandes avances en el conocimiento acerca de los agujeros negros, estos dos descubrimientos son sin lugar a dudas merecedores del Nobel, el mayor reconocimiento a la trayectoria científica que puede otorgarse. Los agujeros negros aun guardan muchos misterios, y no dudamos que poco a poco se irán resolviendo en el futuro.
Fuentes
Extraído y adaptado de:
- Theoretical Foundation for Black Holes and the Supermassive Compact Object At The Galactic Centre. Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2020. Comité del Nobel para Física, Academia Real de las Ciencias de Suecia. 6 de octubre de 2020.
- Black holes and the Milky Way’s darkest secret. Popular Science Background on the Nobel Prize in Physics 2020. Comité del Nobel para Física, Academia Real de las Ciencias de Suecia. 6 de octubre de 2020.
- https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/press-release/
- Las animaciones fueron creadas por la Profesora Andrea Ghez y su equipo en UCLA, en base a los datos obtenidos del Telescopio W.M. Keck. http://www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/animations.html
Para leer más sobre la temática premiada:
Popular Science Background: Black holes and the Milky Way’s darkest secret (pdf)
https://www.nobelprize.org/uploads/2020/10/popular-physicsprize2020-1.pdf
Scientific Background: Theoretical foundation for black holes and the supermassive compact object at the galactic centre (pdf)
https://www.nobelprize.org/uploads/2020/10/advanced-physicsprize2020.pdf
