Este año se entregó el Premio Nobel de Física a tres investigadores por sus descubrimientos sobre fenómenos supermasivos. Por un lado, está Roger Penrose por demostrar su existencia según la teoría de la relatividad general y por otro están Reinhard Genzel y Andrea Ghez, por demostrar que los agujeros negros son capaces de interferir en las órbitas de las estrellas cercanas. En esta oportunidad el profesor del Instituto de Física de la Facultad de Ciencias de la PUCV, Dumitru Astefanesei, nos explicará este trabajo con mayor profundidad y nos guiará dentro de las posibles implicancias que este descubrimiento tiene para la humanidad.

¿En qué consiste cada uno de los premios Nobel?

El premio Nobel de este año es una interesante elección conjunta de trabajo teórico y experimental. La mitad del premio fue recibido por Sir Roger Penrose, cuyo trabajo teórico ha aclarado, cómo un agujero negro puede formarse dinámicamente por el colapso gravitacional. Técnicamente, una estrella que inicialmente tiene más de 10 masas solares (llamados agujeros negros estelares) se vuelve inestable al final de su vida: el núcleo colapsa, mientras que las capas externas son expulsadas después de rebotar desde el núcleo y ser empujadas por neutrinos.

La otra mitad fue compartida por los Profs. Andrea Ghez y Reinhard Genzel por su trabajo experimental en la observación de un agujero negro masivo (de aproximadamente 4 millones de masas solares) en el centro de nuestra galaxia. En última instancia, lo que se ve no es el agujero negro en sí, sino observaciones que son consistentes solo si hay un agujero negro presente. El grupo de Ghez utilizó el Observatorio Keck en Hawai y el de Genzel trabajó con el Very Large Telescope en Chile.

¿Qué relación hay entre el agujero negro y la teoría de la relatividad general?
El agujero negro es una solución especial de las ecuaciones de Einstein en relatividad general. La interpretación física más simple e intuitiva es la de un objeto por el cual la fuerte gravedad dobla el espacio tanto que nada (ni siquiera la luz) puede escapar. El fotón, que es una partícula de masa cero que se mueve a la máxima velocidad en la naturaleza (300.000 km / s), es el cuanto de luz y no puede escapar del campo gravitacional y por eso el objeto se denomina "agujero negro". El límite de escape está dado por una superficie llamada "horizonte de eventos", una vez que un objeto se acerca al agujero negro y pasa por esa superficie, no es posible regresar. En broma, si una agencia de viajes intenta vender un billete ida-vuelta para visitar un agujero negro, no lo compres!

Según la relatividad general clásica, toda la materia dentro de un agujero negro es aplastada hasta una singularidad, un punto de densidad infinita en el centro del agujero negro. Este hecho interesante sugiere que la teoría clásica no está completa, la singularidad se puede resolver considerando los efectos cuánticos, y esta es una de las razones por las que existe un gran esfuerzo de la comunidad científica para unificar la gravedad con la mecánica cuántica

¿Qué implicancias tiene que en el centro de nuestra galaxia exista un agujero negro?

Las galaxias son objetos majestuosos en el cielo nocturno que contienen cientos de miles de millones de estrellas. La gran espiral de nuestra propia Vía Láctea es solo uno de los miles de millones de tales sistemas en el Universo observable, y las galaxias se encuentran en una fascinante variedad de formas y tamaños. A pesar de esta variedad, se ha reconocido desde hace mucho tiempo que las galaxias se pueden clasificar en dos tipos principales: sistemas dominados por discos y dominados por protuberancias.

Los últimos años han sido testigos de un cambio de perspectiva en la forma en que los astrofísicos piensan sobre los agujeros negros masivos, los que ahora se considera que tienen un papel importante en la evolución de las galaxias, a pesar de que la naturaleza precisa de esta relación aún se comprende poco. Esta apreciación vino después de la comprensión de que los agujeros negros de millones de masas solares y superiores residen en el centro de la mayoría de las galaxias, incluida nuestra galaxia. La Vía Láctea es una galaxia de disco con una formación estelar significativa.

Por lo tanto, está cada vez más establecido que para comprender completamente la evolución de las galaxias, debemos tener en cuenta la energía liberada por sus agujeros negros centrales para explicar la creación o el cese de la formación de estrellas.

¿Es peligroso que exista un agujero negro en la mitad de la galaxia?

Primero, hagamos una afirmación general para cualquier agujero negro: no representan un peligro para sus galaxias anfitrionas. Ellos funcionan simplemente bajo las leyes de la gravedad como otros cuerpos en el espacio. Orbitar un agujero negro de 10 masas solares no es más peligroso que orbitar una estrella de 10 masas solares. Es la misma masa, solo configurada con una densidad diferente. Los agujeros negros masivos pueden interactuar con estrellas o cúmulos de estrellas que pasan muy cerca de ellos, pero la gran mayoría de las estrellas en cualquier galaxia nunca pasan cerca del centro.

¿Puede afectar en el tiempo a nuestro planeta?

Los astrónomos estiman que hay cientos de millones de agujeros negros en nuestra galaxia. El agujero negro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, está a más de 25.000 años luz de distancia, por lo que, en lo que respecta a la humanidad, no está lo suficientemente cerca como para representar ningún tipo de amenaza. Una razón para entender aquello está relacionada con su enorme masa. Es decir, solo habrá pequeños aumentos en su masa si se traga algunas estrellas similares al Sol. Dado que nuestro planeta está muy lejos, no hay peligro de ser arrastrado.

Nos gustaría mencionar que, de hecho, nuestra galaxia actualmente acelera hacia nuestra vecina, la galaxia de Andrómeda, a unos 400.000 km/h y el choque se producirá en unos 4 mil millones de años. Además, el tiempo de vida del Sol será de alrededor de 5 mil millones de años más, cuando se quede sin hidrógeno. Debido a esta gran escala de tiempo, estos eventos todavía no nos preocupan.

¿Por qué este descubrimiento es merecedor de un Nobel, por sobre el descubrimiento de otro agujero negro en otra parte de la galaxia?

Los agujeros negros estelares se encuentran dispersos en grandes cantidades a lo largo de las galaxias, mientras que los agujeros negros masivos tienden a estar ubicados en el centro de sus galaxias anfitrionas y, por lo general, solo se observa un agujero por galaxia. Los telescopios carecían de la resolución espacial necesaria para rastrear las órbitas de las estrellas alrededor del enorme agujero negro. Ambos equipos (el de Ghez y el de Genzel) también fueron pioneros en técnicas experimentales, p. Ej. algunos enfoques para eliminar la falta de definición de la atmósfera terrestre.

¿Qué implicancia tiene para la física estos descubrimientos?

Es un hecho interesante que, experimentalmente, tenemos límites: a nivel microscópico, el principio de Heisenberg pone un límite a la medición de la posición y el momento (o velocidad) con cualquier precisión y, a nivel macroscópico, hay un horizonte cosmológico, tal que podemos observar sólo una parte de todo el universo. Sin embargo, no hay límite para la mente humana. Los agujeros negros primero fueron predichos teóricamente por la relatividad general y solo luego se encontraron experimentalmente. El universo entero se puede modelar mediante otra solución de las ecuaciones de Einstein.

Un objetivo importante de la física teórica es construir una teoría cuántica de la gravedad, una dirección de investigación que también apunta a una unificación de todas las interacciones fundamentales en la naturaleza. El problema con estas teorías propuestas es que hacen predicciones que no se pueden verificar experimentalmente a las energías actuales, por lo que la nueva física experimental relacionada con los agujeros negros y las ondas gravitacionales podría ser de gran ayuda para comprender cómo extender las teorías físicas conocidas. Como comentario final, debería enfatizar que el proceso de descubrimiento en física fundamental afectó y también afectará directamente nuestras vidas a través del desarrollo de la nueva tecnología e ideas prácticas para verificar las predicciones experimentales que luego pueden ser utilizadas en la sociedad —-Por ejemplo, Tim Berners-Lee, un científico británico del CERN (el laboratorio donde se encontro la partícula de Higgs), inventó la World Wide Web (WWW) en 1989.

Fuente Facultad de Ciencias