El Premio Nobel en Física 2020, explicado por docentes del Balseiro

Los agujeros negros ya forman parte de la cultura: libros, películas, clases en escuelas y universidades y hasta metáforas en las charlas cotidianas los incluyen. Los tres laureados con el Premio Nobel en Física 2020 igualmente se deben haber sorprendido cuando los llamaron para darles la gran noticia el martes 6 de octubre. En esta nota, docentes del Balseiro explican este acontecimiento.

Fecha de publicación: 07/10/2020

Roger Penrose demostró que los agujeros negros son una consecuencia directa de la teoría de la relatividad general, y Andrea Ghez y Reinhard Genzel descubrieron que en el centro de la galaxia “habita” un objeto invisible y extremadamente masivo. Por estos aportes, recibieron el Premio Nobel en Física 2020. Ahora bien, ¿qué relación hay entre Einstein, los agujeros negros, Penrose, Genzel y Ghez? ¿Y qué se sabe del agujero negro supermasivo del centro de la galaxia? ¿Cómo lograron inferir su ubicación? ¿Cuáles son los desafíos presentes en la investigación de los agujeros negros?

Desde 2014, el Área de Comunicación del Instituto Balseiro publica cada año una nota sobre el anuncio del Premio Nobel en Física. En esta ocasión, tres profesores aceptaron la invitación para explicar cuáles son los aportes científicos de los galardonados con el Premio Nobel en Física 2020. Ellos son Diego Harari, Diego Mazzitelli y Horacio Casini.

Son docentes del Instituto Balseiro (Comisión Nacional de Energía Atómica y Universidad Nacional de Cuyo) e investigadores del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el grupo Física de Partículas y Campos del Centro Atómico Bariloche (CNEA).

Penrose y la singularidad

Albert Einstein no estaba convencido de la existencia de los agujeros negros, si bien en la actualidad su teoría de la Relatividad General es clave para explicar parte de la física de los agujeros negros. Fue el físico británico Roger Penrose quien postuló que la teoría de la relatividad general era en cierto modo una “brújula” para demostrar su existencia: desarrollo un andamiaje matemático para mostrar que estos objetos exóticos podían formarse en la realidad e incluso los describió desde la misma teoría.

“En su corazón, los agujeros negros esconden una singularidad en la que cesan todas las leyes conocidas de la naturaleza”, describe el material de prensa de la Fundación Nobel. Y destaca que el paper de Penrose, publicado en 1965, todavía se considera la contribución más importante a la teoría general de la relatividad desde Einstein.

Ante la consulta de si el anuncio del Premio Nobel en Física 2020 para Penrose, Ghez y Genzel lo sorprendió, Diego Harari responde que la detección por primera vez en 2015 de ondas gravitacionales, que se interpreta fueron emitidas por sistemas binarios de agujeros negros, y la obtención el año pasado de la primera imagen de una ‘sombra’ de agujero negro en el centro de la galaxia M87, han sido logros experimentales muy significativos que justifican reconocer trabajos previos sobre la física de los agujeros negros.

Su colega Diego Mazzitelli agrega: “Roger Penrose fue premiado por demostrar matemáticamente que la Relatividad General predice la formación de agujeros negros bajo condiciones muy generales. Me sorprendió gratamente que le otorguen el premio a Penrose, dado que en general la Academia Sueca prefiere premiar descubrimientos más concretos, sean experimentales o teóricos. En el caso de Penrose, se trata de un teorema importantísimo y muy general que estimuló el desarrollo posterior de la física de agujeros negros y de la teoría de la gravitación”.

“Trabajos tanto teóricos como en el caso de Penrose, como de observaciones en el caso de Genzel y Ghez, quienes con sus mediciones lograron establecer más allá de toda duda razonable que el centro de nuestra galaxia alberga un agujero negro supermasivo, con algo más de 4 millones de veces la masa del Sol”, detalla el profesor del Instituto Balseiro Diego Harari, quien egresó de la Licenciatura en Física y del Doctorado en Física de la Universidad de Buenos Aires (UBA).

Ahora bien, ¿por qué a Penrose le otorgan el Nobel por demostrar que los agujeros negros son “una consecuencia directa” de la teoría de la relatividad general? En este caso, ¿la teoría anticipó la observación, o sea, la teoría sirvió de “par de anteojos” para buscar agujeros negros? ¿Sin la teoría no se habrían buscado o se habría tardado más en buscarlos? Harari responde que el concepto de “estrella oscura” ya había anticipado por John Michel y Pierre-Simon Laplace hacia fines del siglo XVIII, quienes analizaron cuán concentrada debía estar la masa del Sol para que la velocidad necesaria para escapar de su atracción gravitacional fuera la velocidad de la luz.

“Los agujeros negros en la teoría de la relatividad general de Einstein son diferentes: presentan un ‘horizonte de eventos’ tal que todo lo que está en su interior no puede salir e inevitablemente colapsa hacia el origen, alcanzando una densidad infinita en lo que se denomina una ‘singularidad’, donde la física pierde su poder predictivo”, describe el profesor, que investiga en temas de astrofísica de partículas y cosmología. Harari participa en la colaboración Pierre Auger que investiga los rayos cósmicos de la mayor energía mediante un observatorio instalado en las afueras de Malargue, Mendoza.

“Durante mucho tiempo desde 1917 se debatió si estas soluciones de las ecuaciones de Einstein eran sólo de interés matemático o podrían existir en la naturaleza. Los trabajos de Penrose contribuyeron a entender la naturaleza de esa ‘singularidad’ cuando se forma un agujero negro por colapso de una estrella”, explica Harari. Y agrega que lo que hoy se denomina “diagramas de Penrose” ayudan a visualizar el proceso. “Algunos de sus teoremas o conjeturas tienen nombres divertidos, como la ‘conjetura de la censura cósmica’, que propone que no pueden existir ‘singularidades desnudas’, deben estar ‘ocultas’ detrás de un horizonte de eventos como el de los agujeros negros”, acota el físico, que este cuatrimestre dicta la materia “Mecánica” en el Balseiro.

“De todos modos creo que igualmente se hubiesen buscado los agujeros negros, ya que muchas observaciones astrofísicas sugerían su existencia. Trabajos como los de Chandrasekar, y de Landau, Tolman, Oppenheimer y Volkov, realizados en la década de 1930, analizaron las condiciones en las cuales una estrella no es capaz de mantenerse en equilibrio y su colapso es inevitable, y contribuyeron a que se concibiera posible el proceso astrofísico de formación de agujeros negros por colapso gravitacional”, responde Harari.

Penrose merece un libro aparte, o más de un libro. “Penrose hizo muchos aportes en diferentes áreas. Uno muy interesante es lo que se conoce como ‘Embaldosado de Penrose’, una forma de ‘embaldosar’ un plano con polígonos de manera no periódica, vinculado a lo que se conoce como cuasicristales”, completa Harari sobre los aportes del físico galardonado.

Ghez y Genzel, tras los secretos de los agujeros negros

En las noticias de fines de la segunda década del siglo XXI, los agujeros negros ya son “habitués”. Como mencionó Harari, en abril de 2019, se dio a conocer la primera imagen de un agujero negro, obtenida por el proyecto “Event Horizon Telescope” (EHT, por sus siglas en inglés). En febrero de 2016, se había confirmado la primera detección de la existencia de ondas gravitacionales por el Proyecto LIGO, y esas ondas tendrían origen en la fusión de dos agujeros negros. En 2017, los físicos estadounidenses Reiner Weiss, Barry Barish y Kip Thorne recibieron el Nobel en Física debido a ese acontecimiento científico.

“Ahora Reinhard Genzel y Andrea Ghez recibieron el Nobel por la observación de las órbitas de estrellas cercanas al centro de la galaxia, que permitieron establecer la existencia de un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea”, destaca Diego Mazzitelli, que este cuatrimestre está dictando la materia Relatividad General junto a Silvia Mollerach. ¿Es posible que la primera imagen de un agujero negro en abril de 2019 y la medición directa de las ondas gravitacionales haya contribuido a que la Fundación Nobel tomara la decisión de darle ahora este premio a Penrose, Ghez y Genzel?

“La imagen del EHT está mencionada en el anuncio de este año, y probablemente la colaboración EHT tenga su Nobel en el futuro cercano, cuando tengan más imágenes, no sólo del agujero negro supermasivo de la galaxia M87 sino del agujero negro del centro de la Vía Láctea. –comenta Mazzitelli– Es difícil saber si la observación de EHT influyó o no, pero creo que las observaciones de Genzel y Ghez sí contribuyeron a que Penrose fuese premiado”.

Otra gran pregunta es por qué Hawking, que trabajó en colaboración con Penrose para pensar los agujeros negros, no recibió un reconocimiento de la Fundación Nobel antes de morir. “En 1965 Penrose publicó su trabajo sobre la formación de singularidades en el colapso gravitacional. Hawking inmediatamente comenzó a hacer contribuciones importantísimas en el tema, y ambos desarrollaron lo que hoy se conoce como ‘teoremas de Hawking-Penrose’. Si Hawking estuviese vivo probablemente hubiese sido también premiado junto a Penrose. Hubiese sido muy difícil no incluirlo”, responde Mazzitelli.

Lo cierto es que los aportes de los equipos de Ghez y Genzel, que mediante la observación de las órbitas de estrellas, recabaron evidencias sobre la existencia de un objeto supermasivo en el centro de nuestra galaxia, fueron clave para que en 2020 el Premio Nobel sea para este campo, coinciden tanto Mazzitelli como Harari.

¿Cómo es que midiendo órbitas de estrellas se puede inferir la existencia de algún objeto y más precisamente de un agujero negro? “A partir de las órbitas de los planetas de nuestro sistema solar, es posible determinar la masa del Sol. De hecho fue Newton quien hizo la primera estimación de la masa del Sol; o, más precisamente, estimó los cocientes entre la masa del Sol y las masas de algunos planetas a partir de las órbitas de dichos planetas y de sus lunas”, explica Mazzitelli, que es Licenciado en Física por la UBA y Doctor en Física por el Instituto Balseiro.

“De manera similar, determinando las características de las órbitas de distintas estrellas que orbitan cerca del centro de la galaxia es posible estimar la masa que está concentrada allí. En el centro de la galaxia hay una fuente de ondas de radio que se denomina Sagitario A. Está a unos 25 mil años luz de nosotros. No hay luz visible proveniente de Sagitario A, sí hay destellos de rayos X. Seguir las trayectorias de estrellas cercanas a Sagitario A es un desafío observacional formidable”, comenta el profesor del Instituto Balseiro.

Sobre el agujero negro supermasivo en cuestión, Mazzitelli agrega que las observaciones implican que en Sagitario A debe hacer una concentración de masa de alrededor de 4 millones de masas solares. “Más aún, esa masa tiene que estar muy concentrada. Combinando esto con el hecho de que no hay una fuente de luz visible en Sagitario A, y teniendo en cuenta además los destellos de rayos X (que podrían ser atribuidos a la materia que cae hacia Sagitario A con muy alta velocidad, aceleradas por un campo gavitacional muy intenso), la conclusión es que tiene que haber allí un agujero negro supermasivo”, explica el físico.

Mazzitelli detalla que para darse una idea de la cercanía de las estrellas observadas a Sagitario A, se debe tener en cuenta que el tiempo que tarda una estrella en recorrer una órbita alrededor del centro galáctico aumenta con la distancia. “La estrella S2, una de las observadas, tiene un período de alrededor de 16 años. El Sol, en cambio, tarda más de 200 millones de años en completar una órbita alrededor de Sagitario A”, compara.

Un detalle para tener en cuenta es que se trata de la cuarta vez que una mujer recibe el Premio Nobel en Física. Andrea Ghez se sumó así a historia de estas distinciones junto con Marie Sklodowska Curie (1903), Maria Goeppert-Mayer (1963) y Donna Strickland (2018).

Muchas preguntas, mucho por recorrer

En la comunidad de las ciencias físicas el tema del Premio Nobel en Física hoy sorprendió. Coincide con esta afirmación también otro profesor del Balseiro, Horacio Casini, que trabaja de forma indirecta en el campo de los agujeros negros. “Me sorprendió y mucho que le dieran el Premio Nobel a Penrose, porque es uno de esos teóricos que han hecho un trabajo importante pero que es difícilmente verificable experimentalmente”, dice Casini, que es egresado de la Licenciatura en Física y el Doctorado en Física del Instituto Balseiro.

“En este caso, por un teorema sobre relatividad general que muestra que las singularidades de agujeros negros son inevitables en ciertas circunstancias. Si hubiera estado vivo probablemente se lo hubieran dado también a Hawking, que trabajó en temas parecidos”, agrega Casini, que investiga teorías de campos, donde algunas tienen una descripción holográfica en términos gravitatorios donde pueden haber agujeros negros.

¿Cuáles son los grandes desafíos o las principales preguntas hoy en el campo de la investigación sobre agujeros negros? “Prácticamente todo el tema es aun precisamente muy oscuro”, contesta Casini, con una cuota de humor. El docente recibió en 2014 junto a Marina Huerta de forma compartida con sus colegas Shinsei Ryu, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y Tadashi Takayanagi, de la Universidad de Kyoto, uno de los Premios en Física “New Horizons” de la Fundación Breakthrough.

“Desde temas de astrofísica, como cuántos hay, de qué tamaños y cómo se forman,; hasta temas muy teóricos, que están muy lejos todavía de logros observacionales, como qué son los agujeros negros a nivel cuántico, por qué tienen asociada una entropía proporcional al área, cómo es que al tragarse cosas después devuelven la información evaporándose, en forma extremadamente lenta”, son algunas de las grandes preguntas del presente y del futuro de los agujeros negros, describe el docente del Instituto Balseiro, donde dicta la materia “Introducción a las Partículas Elementales”.

“Los agujeros negros son una ventana única a la teoría de la gravedad cuántica, que pretende unificar gravitación y teoría cuántica, y de la que aún no hay una comprensión convincente ni si quiera a nivel cualitativo o conceptual”, agrega Casini.

Mientras tanto, las imágenes y el suspenso de los agujeros negros siguen deleitando. Pero no sólo en la ficción, como en Star Trek, Interestelar y la película, libro o serie que se venga a la mente ahora de quien lea estas líneas. También generan intriga y preguntas y más preguntas en el mundo real. O como diría Einstein, en el mismo espacio-tiempo.

Por Laura García Oviedo.

Links a notas vinculadas:

*El Premio Nobel en Física 2019, explicado por docentes del Balseiro

*El Premio Nobel en Física 2018, explicado por un docente del Balseiro

*El Premio Nobel en Física 2017, explicado por docentes del Balseiro

*El Premio Nobel en Física 2016 explicado por un docente del Balseiro

*El Premio Nobel en Física 2014, explicado por un egresado del Balseiro

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Por Laura García Oviedo

Crédito imagen: Niklas Elmehed / Fundación Nobel