Download de los agujeros negros

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EM2
EL MUNDO. SÁBADO 10 DE MAYO DE 2014
El misterio
de los agujeros negros
Estos objetos cósmicos continúan siendo uno de
los grandes enigmas para la Astronomía actual,
a pesar de que fueron propuestos por primera vez
hace casi 100 años. Con el paso del tiempo y gracias a grandes figuras como Roger Penrose o
Stephen Hawking se han convertido en uno de
los fenómenos más atractivos y misteriosos del
Cosmos. Pero, a pesar de las aportaciones de
estos gigantes científicos, aún queda
mucho por saber de estos objetos espaciales ultradensos que engullen
todo cuanto pasa cerca de
ellos, incluida la luz.
Por Miguel G. Corral
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AGU
JEROS
EM2 / CIENCIA
Los
agujeros negros estaban, sin que
apenas nadie lo
percibiera en aquel
entonces, en el centro
la Teoría de la Relatividad General de Einstein.
Nadie, excepto el excelso
matemático y astrofísico que
dirigía a principios del Siglo
XX el Observatorio de Postdam,
Karl Schwarzschild, quien se daría cuenta pronto de su existencia y
su importancia en la gravitación universal.
Pero la Primera Guerra Mundial complicó mucho su trabajo científico. Cuando
Einstein publicó los artículos en los que
enunciaba las ecuaciones del campo gravitatorio de su teoría, Schwarzschild se encontraba destinado en los campos de batalla de Rusia, encargado de calcular la trayectoria de los proyectiles de artillería. Él mismo
se había presentado voluntario al ejército del
Imperio alemán. Pero el trabajo debía quedársele pequeño porque, tras leer el trabajo
de Einstein, se puso inmediatamente a aplicar las nuevas ecuaciones a los objetos del
Cosmos.
Y las conclusiones no tardaron en llegar.
En enero de 1916 –sólo tres meses después de la publicación de la Teoría de la
Relatividad General–, Schwarzschild envió por correo sus resultados a Einstein.
«Estoy seguro de que permitirán a su
teoría brillar con mayor pureza», escribió desde el frente ruso el astrofísico alemán. El propio genio de la
Física se rindió ante los cálculos de
Schwarzschild. «Jamás habría esperado que la solución exacta al
problema pudiera formularse
de una manera tan simple»,
respondió, según cita el
escritor Walter Isaacson
en la biografía titulada
Einstein, su vida y
su universo (Debate).
Pero no
en todo
es-
taba de acuerdo con los cálculos de
Schwarzschild. Éste se había centrado en la curvatura del espacio-tiempo,
tanto fuera como en el interior de una estrella esférica. No obstante, en sus conclusiones
había algo con lo que Einstein jamás comulgaría. Si toda la masa de la estrella se comprimiese en un espacio lo suficientemente pequeño, el espacio-tiempo se curvaría de forma infinita sobre sí mismo. Lo que ocurriría
en ese caso es que dentro de ese pequeño espacio –definido por lo que ha pasado a la historia de la Ciencia como radio de
Schwarzschild– nada podría escapar de la
fuerza gravitatoria de ese cuerpo, ni siquiera
la luz. Pero, además, el tiempo también se vería afectado, dilatándose hasta cero. Dicho de
otro modo, si una persona se situase cerca de
ese objeto ultradenso quedaría, a ojos de un
observador externo, congelado en el tiempo.
La Tierra en una canica
Eso ocurriría, según sus cálculos, si toda la
masa de nuestro Sol se comprimiera en un
radio de algo menos de tres kilómetros o a la
Tierra si pudiésemos concentrar su masa en
una canica de dos centímetros. Para Einstein
esto era, sencillamente, imposible. Pero ni
uno ni otro tendrían tiempo para comprobar
que de lo que estaban hablando era de los
agujeros negros. Schwarzschild murió en el
frente a consecuencia de una enfermedad autoinmune que atacó a las células de su piel
pocas semanas después de escribir a Einstein. Y éste también moriría antes de que
otros gigantes científicos como Stephen Hawking, Roger Penrose, John Wheeler o Freeman Dyson demostrasen en la década de los
60 que la extraña teoría de Schwarzschild
era algo más que real.
Al contrario de lo que ocurre con otras disciplinas científicas, los físicos suelen ser muy
buenos vendedores de sus teorías y sus nombres son en ocasiones auténticos productos
de marketing diseñados para triunfar. Según
cuenta el profesor de Física de la Universidad
de Columbia Brian Greene en su obra La realidad oculta (Crítica), el hecho de que el
abismo gravitatorio creado por los agujeros
negros atrape incluso a la luz implica que estas regiones del Universo estén fundidas en
negro, por lo que, poco después de que se publicasen los resultados de Schwarzschild,
fueron denominadas como «estrellas oscuras». También el efecto que tienen sobre el
tiempo llevó a que se propusiese el nombre
de «estrellas congeladas». Pero eso fue hasta
que, medio siglo después, John Wheeler –físico teórico de la Universidad de Princeton y
uno de los pioneros de la fisión nuclear dentro del Proyecto Manhattan que permitió el
desarrollo de la bomba atómica– comenzó a estudiar estos objetos
cósmicos ultradensos.
«Wheeler,
casi tan adepto al marketing como a la
física», popularizó estas estrellas
con el nombre que las ha hecho célebres:
«agujeros negros», relata Greene.
En la actualidad, se han descubierto decenas de agujeros negros en todo el Universo y
no pasa una sola semana sin que la comunidad científica publique un nuevo avance en
el estudio de estos densos objetos cósmicos.
Como explicó el brillante físico británico –nacionalizado después estadounidense– Freeman Dyson, los agujeros negros «no son raros y no constituyen un adorno accidental de
nuestro universo. Son los únicos lugares del
Universo donde la Teoría de la Relatividad de
Einstein se muestra en toda su potencia y esplendor».
Sin embargo, a pesar de los casi 100 años
que han pasado desde su descubrimiento y
de los esfuerzos de algunas de las mentes
científicas más brillantes del siglo XX aún
hay muchas incógnitas en torno a los agujeros negros.
La última gran esperanza para avanzar en
el conocimiento de estos misteriosos objetos
se acaba de desvanecer recientemente. A pe-
«Los agujeros negros no
son raros y no constituyen un adorno accidental
de nuestro Universo. Son
los únicos lugares del
Universo donde la Teoría
de la Relatividad de Einstein se muestra en toda su
potencia y esplendor»
sar de lo terrorífico que pueda sonar para el
gran público el concepto de un gran sumidero cósmico capaz de engullir cualquier objeto del Universo y del que nada puede escapar, hay agujeros negros en todas las galaxias.
Un sumidero cósmico cercano
Se han detectado agujeros negros en algunas
cercanas, como en la Nube de Magallanes, a
más de 130.000 años luz de distancia de la
Tierra. Pero también en la Vía Láctea. De hecho, un enorme agujero negro de cuatro millones de veces la masa del Sol, llamado Sagittarius A*, domina el centro de nuestra galaxia.
«En la Vía Láctea hay unos 100.000 millones de estrellas y todas ellas giran en torno a
este fantástico agujero negro», dice Jorge
Casares, investigador del Instituto Astrofísico de Canarias y de la
Universidad de la Laguna. «Pa-
ra tener ligadas gravitacionalmente a
tantas estrellas hay
que tener un agujero
negro como Sagittarius
A* o mayor», asegura.
A principios de año, dos
de los grupos más punteros en
el estudio y seguimiento de este
agujero negro –el que dirige Andrea Ghez en la Universidad de California, Los Angeles (UCLA), y el
de Stefan Gillessen en el Instituto
Max Planck para Física Extraterrestre
de Alemania– anunciaban que, por primera vez, los astrónomos tendrían la posibilidad de asistir a uno de los banquetes
cósmicos de Sagittarius A*. Las observaciones indicaban que en los meses de marzo o abril de 2014 una nube de gas pasaría
por el punto más cercano al agujero negro y
sería devorada en apenas unos días.
La comunidad astrofísica esperaba el
acontecimiento con impaciencia, pero finalmente no ha sido así. Las previsiones han fallado. La semana pasada, la propia Andrea
Ghez publicaba una comunicación en un sistema de intercambio de información científica llamado The Astronomer’s Telegram
donde aseguraba que, después de alcanzar
el punto más cercano a Sagittarius A*, la
nube de gas –denominada G2– «está todavía intacta». Incluso en ese punto de máximo acercamiento, la distancia entre la nube de gas y el agujero negro sería todavía de 200 veces la distancia que hay de
la Tierra al Sol.
«Se esperaba que se deshiciera en
el punto más cercano y no ha sucedido», explica Marc Ribó, investigador experto en agujeros negros de la Universidad de Barcelona.
«Se
sigue
observando como si fuera
una fuente puntual, lo
que permite pensar
que G2 podría ser
una nube de gas,
pero que está
alrededor
de una
es-
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NE
GROS
trella»,
opina.
Las previsiones científicas
indicaban que la
enorme fuerza gravitacional del agujero negro del centro de nuestra
galaxia debería atraer a la
nube de gas a velocidades de
varios miles de kilómetros por
segundo. Sólo para dar una idea
de la magnitud, a esa velocidad se
podría volar desde Estados Unidos a
España en menos de un segundo. Sin
embargo, la fuerza gravitacional de esa
posible estrella del interior de la nube
de gas podría haber impedido que G2
fuera engullida por el agujero negro.
«Todavía hay gas que está siendo arrancado de este objeto, de la nube G2», asegura a EL MUNDO Andrea Ghez. «Y este material aún podría chocar eventualmente con
Sagittarius A*, incluso aunque hubiese una
estrella en el centro que evite que el objeto
entero sea atraído en forma de espiral y devorado por el agujero negro. Así que sólo es
cuestión del grado y la magnitud del evento
que podamos observar», dice.
Sea como fuese, se ha desvanecido una
oportunidad única para estudiar la acreción
de una gran cantidad de materia en uno de
los agujeros negros que predecía la Teoría
de la Relatividad de Einstein y que demostró en 1916 Karl Schwarzschild desde los
campos de batalla rusos.
Resulta paradójico pensar que, a pesar
de la urgente actualidad que tiene el estudio del centro de la galaxia para los
astrofísicos, Sagittarius A* se encuentra a 26.000 años luz de distancia de la Tierra, por lo que los
acontecimientos que se estudian
hoy ocurrieron en realidad hace 26.000 años.
Para los astrofísicos, la
ocasión perdida tampoco
es el fin del mundo.
«Puede ser que volvamos a tener alguna
otra
oportunidad a lo
lar-
go de nuestra
vida», afirma Ribó. «Si hubiera pasado hace 15 años, no lo
hubiéramos visto, porque los instrumentos de observación de entonces no lo permitían», dice. Y tiene mucha razón. El avance
de las tecnologías de observación espacial de
los últimos años ha sido determinante. Pero
Cuando engullen la materia de cualquier objeto
cósmico, la gran atracción que generan acelera
esta materia hasta una
velocidad cercana a la de
la luz. Y cuando eso sucede... ¡Fuegos artificiales! Se emiten rayos X
no sólo la construcción de potentes telescopios con espejos de varios metros de diámetro en el desierto de Atacama de Chile o en
Hawai. También están siendo fundamentales
otras tecnologías para profundizar en el estudio de los misteriosos agujeros negros.
Fuegos artificiales
El hecho de que su enorme atracción gravitatoria arrastre hasta a las partículas elementales de la luz –los fotones–, hace que no emitan ninguna señal y que sean imposibles de
detectar por sí mismos. «Los agujeros negros
se pueden detectar en fases de actividad,
cuando engullen cosas», explica Casares. Si
están en estado de quietud, no hay nada que
dé la alarma. «No vemos nada», dice.
Sin embargo, cuando engullen la materia
de cualquier objeto cósmico, la enorme atracción que generan acelera esta materia hasta
una velocidad cercana a la de la luz. Y cuando eso sucede... ¡Fuegos artificiales! Los jirones de materia que el agujero negro arranca
a las estrellas o a las nubes de gas cercanas
emiten rayos X y otros tipos de radiación que
los instrumentos astronómicos actuales son
capaces de detectar aunque estén a decenas
de miles de años luz de distancia.
Los fuegos artificiales que los astrofísicos
pueden ver cuando se produce una acreción
de materia en un agujero negro consisten en
la formación de un disco de material y de
chorros que salen eyectados de forma perpendicular al disco.
«Además de los telescopios de luz infrarroja o de rayos X, estos hallazgos han sido posibles gracias a técnicas de óptica
adaptativa que son capaces de corregir en
las imágenes las turbulencias de la
atmósfera, que deforman las
estrellas», dice Casares. «Es co-
mo si pudiésemos situar el Very Large Telescope (VLT) del desierto
chileno de Atacama por encima de la
atmósfera y observar desde allí el espacio».
Los agujeros negros supermasivos como el
que ocupa el centro de la Vía Láctea parecen
tener mucho más atractivo para el gran público. Pero lo más habitual para los astrofísicos es detectar otros más pequeños –de cinco o 10 masas solares– que normalmente están asociados a una estrella, a la que
arrancan la materia que es engullida y que
permite a los físicos observar el acontecimiento. Según el criterio de los científicos, si
su masa es equivalente a tres veces la del Sol
es un agujero negro, pero si es menor puede
ser otras cosas, como una estrella de neutrones.
Hasta ahora, la comunidad científica ha
detectado unos 20 agujeros negros confirmados. Un equipo científico español en el que
participan Jorge Casares y Marc Ribó es uno
de los más activos en la búsqueda de estos
objetos y es responsable del hallazgo de seis
de los 20 encontrados en total. «Vemos unos
dos eventos de acreción de materia en agujeros negros cada año», dice Casares. «Es más
fácil ver acontecimientos en agujeros negros
más pequeños», explica Ribó.
La explosión de una estrella en una supernova puede dar lugar a uno de estos objetos
cósmicos y, de hecho, esto ya se ha observado tras un colapso estelar. Pero lo que continúa siendo un enigma es cómo se formaron
los agujeros negros de varios millones –incluso de millones de millones– de masas como la del Sol. «Los agujeros negros muy masivos, de cientos de miles de millones de masas solares se postula que se formaron en el
origen del Universo, cuando las estrellas que
se formaban en aquel cosmos primigenio tenían masas enormes y explotaban como supernovas», dice Casares. La formación de cúmulos de agujeros negros en aquel universo
recién nacido podría explicar la presencia de
gigantes como Sagittarius A*.
Materia oscura
Otro de los grandes misterios de los agujeros
negros es por qué existen de pequeño tamaño, unas cinco o 10 masas solares, y de gran
tamaño, millones de veces la masa del Sol y
no hay evidencias de la existencia de agujeros negros intermedios de 100 o 1.000 masas
solares. Demasiadas incógnitas. Pero en este
terreno de la Astrofísica y Física teórica de
vanguardia todo puede complicarse aún más.
Y es que en algún punto el papel cósmico de
los agujeros negros se da la mano con otro
de los grandes misterios actuales del estudio
del Cosmos: la materia oscura.
El año próximo, el proyecto Event
Horizon Telescope –una iniciativa para crear una
red global
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de observatorios para estudiar el entorno inmediato de
Sagittarius A*– alcanzará suficiente resolución como para diferenciar la luz que es arrastrada hacia el interior del
agujero negro de la que va a
parar al enigmático halo de materia oscura que lo rodea.
Hace apenas tres días, un equipo
científico de EEUU daba un paso
adelante en el estudio de esta indescifrable pareja de objetos cósmicos
que domina nuestra galaxia. El descubrimiento de una estrella que viaja a
una velocidad de casi dos millones de kilómetros por hora podría arrojar luz sobre el más oscuro secreto de la Vía Láctea. «No podemos ver el halo de materia
oscura, pero su gravedad actúa sobre la
estrella», dice Zheng Zheng, profesor de
Física y Astronomía de la Universidad de
Utah y autor principal del estudio.
Según los expertos, una desviación de la
forma prevista de este misterioso halo podría indicar que la teoría de la gravedad de
Einstein necesita ser revisada. Pero aún es
pronto para eso. En el año 2018, una estrella llamada So-2 pasará considerablemente más cerca del agujero negro gigante
del centro de nuestra galaxia de lo que
está la nube de gas G2 en este momento. La órbita de esta estrella podría poner a prueba si las ecuaciones de Einstein describen correctamente la gravedad en las inmediaciones de un
agujero negro supermasivo. Para
ese momento, las teorías del genial
físico alemán y los cálculos matemáticos de Karl Schwarzschild
ya habrán cumplido más de
100 años. Y, como en
aquel momento, los agujeros negros aún serán uno de los
grandes misterios del Universo para
los físicos.