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Hic sunt dracones, «aquí hay dragones», es una cita de origen medieval que solía aparecer en los mapas junto a reptiles coriáceos y otras criaturas mitológicas para señalar los límites de lo conocido y, por ende, de lo peligroso. Los satélites y la cartografía ya casi han acabado con los rincones ignotos del globo terráqueo, pero el misterio acecha en el firmamento, más allá de los mapas, en el corazón de unos monstruos más reales que mitológicos: los agujeros negros.
«Como los unicornios y las gárgolas, los agujeros negros parecen estar más en los territorios de la ciencia ficción y la mitología antigua que en el universo real», como ha escrito Kip Thorne, experto en agujeros negros del Caltech y Nobel de Física en 2017 por la primera detección de ondas gravitacionales. Según J. Craig Wheeler, astrofísico de la Universidad de Texas: «Casi cualquiera comprende el simbolismo de los agujeros negros como fauces abiertas que todo lo tragan y nada dejan salir».
El comecocos cósmico
Se puede decir que los agujeros negros son un auténtico «comecocos» de la materia, de la energía y hasta del espacio. En su superficie hay un punto de no retorno, el conocido como horizonte de sucesos, a partir del cual nada puede escapar a la gravedad, nada, ni siquiera la luz, por lo que no es posible verlos directamente. Además, cualquiera que se acercase demasiado a ellos podría acabar «espaguetizado», o lo que es lo mismo, desgarrado por su inmensa gravedad hasta las partículas fundamentales. Por si esto fuera poco inquietante, un observador externo vería a la víctima congelada en el tiempo, en la superficie del agujero, mientres éste ya habría desaparecido: «En el espacio nadie puede oírte gritar; en un agujero negro, nadie puede verte desaparecer», dijo el astrofísico Stephen Hawking.
En el interior del agujero negro, la curvatura del espacio-tiempo se hace infinita en un punto, la singularidad, de densidad también infinita. «Una singularidad es un lugar, o un momento, donde las ecuaciones de Einstein que gobiernan el espacio-tiempo se rompen, y la relatividad pierde su poder predictivo», ha explicado Frans Pretorius, catedrático de Física de la universidad de Princeton especializado en la relatividad. «Por eso, para entender las singularidades haría falta una nueva teoría, quizás una teoría cuántica de la gravedad como la teoría de cuerdas». De momento no la hay y los científicos están completamente a ciegas en cuanto a lo que puede estar ocurriendo en el «estómago» de estos monstruos.
A pesar de todo, los investigadores no se han amilanado ante estas «criaturas» voraces y misteriosas. Tras siglos de vicisitudes, teorías y demostraciones, los experimentos han permitido acercarse, más que nunca, a la guarida de los dragones, en busca de un hermoso tesoro de conocimiento. Precisamente, esta misma semana, Roger Penrose, Andrea Ghez y Reinhard Genzel recibían el premio Nobel de Física por sus investigaciones sobre agujeros negros. Sus trabajos han requerido enfrentarse a los misterios de las singularidades o medir la posición de una estrella con una gran precisión: comparable a la de distinguir una piedra de un centímetro en un estadio de fútbol construido en la Luna.
La singularidad que Penrose hizo más natural
Se puede decir que el Nobel de Física ha reconocido aspectos muy diferentes en el premio compartido por Penrose y la pareja Ghez y Genzel. En primer lugar, la Academia Sueca de Ciencias ha galardonado a Roger Penrose por «el descubrimiento de que la formación de agujeros negros es una predicción robusta de la teoría general de la relatividad». Es decir, ha reconocido una investigación basada en demostraciones matemáticas, que fue revolucionaria en unos años en los que los agujeros negros pasaron de verse como un concepto curioso a una realidad posible: era la edad dorada de los agujeros negros. ( Aquí puedes leer una breve historia).
«Durante décadas, los físicos, incluyendo a Albert Einstein, trataron de demostrar por todos los medios que los agujeros negros no podían existir», ha explicado Marcia Bartusiak, profesora de Escritura científica en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y autora de «Agujeros negros» (Ariel). «Pero en 1965, Roger Penrose escribió la prueba definitiva de que un agujero negro es inevitable cuando una estrella lo suficientemente masiva, muere, y colapsa por acción de la presión gravitacional hasta un punto singular».
José Luis Fernández Barbón, investigador del Instituto de Fisica Teorica UAM/CSIC y experto en estos objetos, precisa qué aportó el científico británico: «Antes de Penrose, los agujeros negros se describían usando soluciones muy particulares de las ecuaciones de Einstein. Pero demostró que los agujeros negros eran muy naturales, en el sentido de que se forman en situaciones de colapso gravitacional bastante general».
Además de eso, Frans Pretorius ha añadido: «Penrose hizo muchas importantes contribuciones a la relatividad, y algunas de ellas estarían entre los más importantes artículos desde Einstein». En relación con los agujeros negros, estas contribuciones «incluyen los llamados teoremas de la singularidad, que muestran que cualquier agujero contiene una singularidad de algún tipo», ha proseguido.
Además de esas demostraciones, rigurosamente demostradas con cálculos matemáticos, la otra aportación de Penrose es «la conjetura de la censura cósmica, que afirma que las singularidades que se pueden formar en el universo están siempre escondidas, «vestidas», por el horizonte de sucesos de un agujero negro», es decir, más allá del alcance de un observador externo. Quizás lo más interesante de esta conjetura es que apuntala muchos de los cálculos que se hacen hoy, como los que vinculan ondas gravitacionales y agujeros negros.
El misterio de los agujeros negros supermasivos
Junto a este esplendor de teorías de agujeros negros de los años sesenta y setenta hubo un esplendor de observaciones que cambiaron la forma de entender el universo. «En cuestión de unos pocos años, los astrónomos empezaron a encontrar evidencias observacionales de que los agujeros negros poblaban el universo», ha explicado Marcia Bartusiak. «Y no solo los pequeños. Las inmensas energías partiendo de los cuásares, los brillantes núcleos de galaxias lejanas, solo podían ser explicados por agujeros negros supermasivos de millones o miles de millones de masas solares». En seguida, se descubrió que en las galaxias había gigantescas plantas de energía, cuyo giro y campo magnético expulsan enormes cantidades de energía en chorros espectaculares.
Junto a estas brillantes emisiones, en forma de rayos X, se detectaba también ondas de radio provenientes del centro de la Vía Láctea, que hacían pensar en la presencia de otro gigantesco agujero negro. Pero: «Todas las evidencias de que estos sistemas albergan agujeros negros era circunstancial», ha explicado Frans Pretorius. «Sin embargo, el lento y constante trabajo de Andrea Ghez y Reinhard Genzel, durante décadas, apuntado a Sagitario A*, dio límites mucho más claros de lo que debe ser un agujero negro».
No obstante, ni así hay una certidumbre absoluta de que en el corazón de la Vía Láctea hay un agujero negro: «Para estas observaciones astronómicas, nunca se puede afirmar algo al 100%, y por eso el Nobel habla de «objeto compacto», pero si lo que hay no es un agujero negro como el predicho por la relatividad, debe de ser algo tan compacto como uno, lo cual es un descubrimiento remarcable en sí mismo». Efectivamente, la Academia Sueca de Ciencias le ha concedido a Ghez y a Genzel el Nobel de Física por por «el descubrimiento de un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia».
¿Qué se esconde en el centro de la Vía Láctea?
«El premio Nobel fundamentalmente ha reconocido una medida MUY robusta de la masa —de dicho objeto compacto en el centro de la Vía Láctea—, que es de 4.3 millones de masas solares», ha explicado Stefan Gillessen, astrofísico del Instituto Max Planck para Física Extraterrestre, la institución dirigida por el Nobel Reinhard Genzel, también implicado en las observaciones galardonadas.
No existen las básculas cósmicas, pero sí que se puede inferir la masa de un gran objeto por la velocidad y la órbita de los cuerpos que orbitan a su alrededor (como si se quisiera medir la masa del Sol analizando los movimientos y tamaño de la Tierra).
Para medir la masa en el centro de la Vía Láctea, los astrofísicos se fijaron en una estrella muy brillante y extremadamente rápida llamada S2 que está en la zona central. Mientras que el Sol tarda unos 225 millones de años en dar una vuelta alrededor de la galaxia, ésta completa una vuelta en 16 años: su velocidad máxima es de cerca de 8.000 km/s, mientras que la Tierra se mueve como mucho a 30 km/s alrededor del Sol.
Gracias a medidas muy precisas de la velocidad y órbita de S2, junto a las leyes de Newton, pudieron definir la masa del centro de la Vía Láctea. «A partir de ahí, pasamos a la siguiente fase», ha recordado Gillessen. «Nos preguntamos: ¿Con cuánta precisión podemos medir la órbita? ¿Podemos ver las desviaciones de la órbita impuestas por la relatividad?».
Gracias a los últimos avances en interferometría, que permiten combinar muchas antenas para mejorar la resolución de las observaciones, y usando longitudes de onda que atraviesan el polvo y el gas que se arremolina en el corazón de la Vía Láctea, pudieron situar con gran precisión la posición de S2. Tras 30 años de trabajo, en el que participaron decenas de científicos, confirmaron que experimenta dos fenómenos predichos por la relatividad: el desplazamiento al rojo de la luz, a causa del tirón gravitacional de grandes masas, y la precesión de Schwarzschild, un fenómeno que también se había observado en Mercurio y por el cual las órbitas de los objetos en torno a grandes masas no están siempre en el mismo punto, sino que se adelantan ligeramente, formando una especie de roseta como la que hay bajo estas líneas.
Por tanto, estas observaciones apuntalaron la idea de que existe un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea y en las otras galaxias; confirmaron las predicciones de la relatividad y mostraron, una vez más, lo importante que es para la ciencia ese juego entre las mejoras tecnológicas de los instrumentos, la teoría y las observaciones.
