La existencia de los agujeros negros: cómo y dónde encontrar agujeros negros en el universo
Por Luciano Combi
¿De qué formas vemos el cielo?
A simple vista, el cielo parece un lugar apacible o, en la jerga Aristotélica, inmutable. En los albores del renacimiento, la supernova descubierta por el danés Tycho Brahe reveló en cambio que el cielo, nuestra ventana al Universo, es un lugar violento y en continuo cambio. En la misma época, el pisano Galileo Galilei, en su tratado fundamental de 1610 “El mensajero sideral” (Sidereus nuncius), introduce por primera vez el telescopio óptico para la observación sistemática del cielo. Con este poderoso instrumento, construido y diseñado por él mismo, muestra en detalle lo que no podemos ver con nuestros ojos desnudos: satélites en Júpiter, montañas en la Luna, y la confirmación del modelo heliocéntrico de Copérnico. Por otra parte, en sus escritos no publicados “Sobre el movimiento”, Galileo analiza la cinemática de diferentes objetos, experimentando con ellos y proponiendo explicaciones para estos fenómenos. Estos trabajos, capitales en la historia de la humanidad, dan comienzo a la revolución científica y la astronomía moderna.
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Los telescopios de Galileo
En la obra de Galileo ya vemos dos aspectos característicos de la ciencia: la observación y la experimentación. A diferencia de un químico que, por ejemplo, mezcla diferentes compuestos para estudiar su reacción, el astrónomo debe generalmente observar pasivamente el cielo para entender el universo. Nuestros ojos solo nos permiten distinguir los cuerpos celestes más brillantes y más cerca de nosotros (si tenemos la suerte de estar en un lugar sin contaminación lumínica). Galileo fue el primero en entender que instrumentos como el telescopio son fundamentales para estudiar lo que ocurre en el Universo.
Desde el siglo XVII hasta el siglo XX, los telescopios fueron creciendo en tamaño y en resolución, permitiendo ver incluso afuera de nuestra Vía Láctea. En el siglo XIX, con los trabajos de Maxwell y posteriormente Hertz, se entendió que la luz es una onda electromagnética. Estas ondas, generadas por ejemplo en cuerpos calientes como las estrellas, se propagan por el vacío hasta llegar a la tierra. Nuestros ojos y telescopios convencionales solo pueden registrar una porción pequeña de toda esta luz.
Para captar otras partes del espectro electromagnético, necesitamos instrumentos sensibles a estas ondas. A partir del siglo XX se empezó a descubrir que en el espacio, diversos procesos emiten diferentes tipo de luz; aún más, se empezó a conocer otro tipo de fenómenos cuyos productos también nos llegan a la tierra, por ejemplo, rayos cósmicos y neutrinos.
Recientemente, en 2015, la colaboración LIGO detectó por primera vez onda gravitacionales; ondas producidas no por fenómenos electromagnéticos, si no por eventos en los que se mueven grandes densidades de forma asimétrica. Estas ondas atraviesan cualquier sistema físico sin disiparse, por lo cual nos pueden dar información adicional sobre el universo que no podemos obtener con ondas electromagnéticas. Hemos entrado así en la era de la multi-mensajería en la que podemos aprender acerca del universo de manera completa y complementaria. Todos estos elementos nos permiten entender acerca de los objetos quizás más extraños del universo, los agujeros negros. Veamos qué son.
¿Qué son los agujeros negros?
La teoría universal de la gravedad, propuesta por Newton en sus Principia Mathematica, muestra que todos los cuerpos se atraen entre sí de manera proporcional a su masa y de manera inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. La teoría es universal porque vale en cualquier parte del universo para cualquier cuerpo: desde las frutas que caen de los árboles, hasta los planetas orbitando alrededor del Sol. La teoría es extremadamente exitosa para describir la mayoría de los fenómenos que los astrónomos ven con sus telescopios. Pero no todos.
En 1905, en lo que se conocería como el año milagroso (annus mirabilis), Albert Einstein presentaba una serie de trabajos revolucionarios en la física moderna: la existencia de los átomos, el efecto fotoeléctrico, y la teoría especial de la relatividad. Esta última rompía con la teoría Galileana de movimiento, abandonando la noción de tiempo absoluto y proponiendo que la luz se propaga igual en cualquier sistema de referencia. Como consecuencia de este postulado, lo que es simultáneo para un observador no lo es para otro observador que se mueve a una velocidad con respecto a este otro. De esta manera, el espacio y el tiempo se aúnan en una sola entidad, el espacio-tiempo.
La Relatividad Especial permitió dar un marco teórico a las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell y dar cuenta de los experimentos de Michelson y Morley, en los cuales descartaron la existencia del éter; sin embargo, la teoría no es compatible con la teoría de la gravitación de Newton. La teoría Newtoniana predice una interacción gravitatoria instantánea entre cuerpos mientras que la relatividad Especial pone como cota superior a la velocidad de la luz para cualquier interacción. Bastarían solo 10 años para que Albert Einstein propusiera su teoría general de la relatividad que aúna los principios relativistas con la gravitación.
La Relatividad General propone un cambio aún más radical que la Relatividad Especial: el espacio-tiempo es dinámico, se curva, ante la presencia de objetos físicos con energía. Los objetos, según la Relatividad General, siempre se mueven por el camino más corto (una geodésica) si no son perturbados. Si el espacio-tiempo está curvado por la presencia de un cuerpo, digamos una estrella, entonces los objetos orbitan esta estrella siguiendo el espacio curvado. Esta curvatura afecta a todo tipo de objeto físico, inclusive a la luz, que también se curva si pasa cerca de un cuerpo masivo. Con esta nueva teoría, Einstein pudo predecir el corrimiento del perihelio de Mercurio que no podía ser explicado satisfactoriamente por la teoría Newtoniana. Cuatro años más tarde, en 1919, las observaciones de un eclipse solar realizadas por sir Arthur Eddington mostraron cómo la luz es curvada ante la presencia del sol. El experimento confirmó las predicciones de la Relatividad General y condujo a Einstein a la fama mundial.
La Relatividad General es una teoría muy compleja. La primer resolución exacta de sus ecuaciones fue realizada por el astrónomo Karl Schwarzschild en el frente de batalla ruso de la Primer Guerra Mundial en 1916. Esta solución describe el espacio-tiempo afuera de un cuerpo esférico y estático. La solución tiene una particularidad: la presencia de una superficie llamada horizonte de eventos, en donde todo lo que entra no puede escapar, inclusive la luz. Aunque este comportamiento primero se trató como un anomalía de la solución, se entendió más tarde que regiones de mucha densidad que colapsan, como las estrellas más masivas que terminan su vida, generarían una curvatura tan grande en el espacio-tiempo que nada puede escapar de esa región, formando un agujero negro. Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo que están desconectadas causalmente del exterior.
¿Cómo sabemos que existen?
Aunque los agujeros negros son ya parte de muchos modelos astronómicos modernos, la primer evidencia clara de su presencia tardaría casi medio siglo en llegar desde el nacimiento de la Relatividad. En todo este tiempo, la teoría se trató como una pieza de museo: bella, verdadera, pero solo para ser admirada de lejos. A partir de los años sesenta, nuevas evidencias astronómicas empujadas por tecnología reactivaron el interés por la teoría, dando comienzo la era dorada de la Relatividad. En las siguientes secciones, describimos alguno de los descubrimientos claves relacionados a la existencia de agujeros negros en el universo.
Agujeros negros como baterías cósmicas: el cuásar 3C 273
Las pruebas realizadas por el ingeniero Karl Janksy para la compañía de telecomunicaciones Bell mostraron que existen radio señales que tienen origen extraterrestre. El vertiginoso avance de la radioastronomía después de la Segunda Guerra condujo a una área totalmente nueva para la astronomía. A finales de los años cincuenta con el radiotelescopio Parkes ubicado en Australia, el astrónomo John Bolton descubrió un extraño objeto que luego sería estudiado por Marteen Schmidt con el telescopio óptico del Palomar. Schmidt descubrió que el objeto tenía una luminosidad parecida a objetos estelares cercanos pero con características extrañas que se denominó cuásar (de ahí su nombre en inglés quasi-stellar, quasar). En particular, las líneas características que denotan la composición del sistema parecían corridas en frecuencia, lo cual significa que el objeto se mueve a altísimas velocidades o está a distancias cosmológicas, arrastrado por la expansión del universo. Hoy sabemos que esta última es la explicación correcta.
Los cuásares son en realidad centros activos de galaxias que emiten radiación con muchísima luminosidad. ¿Qué clase de motor puede generar tanta radiación de manera que atraviese distancias cosmológicas y sea detectado en nuestros telescopios? Los físicos Yaveh Zeldovich y Eduard Salpeter propusieron que un agujero negro de muchas masas solares en el centro de estas galaxias podría generar esta energía. En este escenario, el agujero negro acreta material circundante y al orbitar, las fuerzas de fricción en el gas calientan el material, liberando muchísima energía. Ningún otro objeto podría ser lo suficientemente grande y compacto para llevar a cabo este proceso. Esta es la explicación estándar hoy en día y los agujeros negros como baterías cósmicas se confirman también en sistemas binarios, donde se espera que el disco emita brillantemente en rayos X, como en el sistema Cygnus-X1.
Por último, también hay evidencia clara de que nuestra propia galaxia también tiene un agujero negro supermasivo en su centro. Observaciones recientes de la llamada estrella S2, una estrella B2 de 14 masas solares que orbita muy cerca del centro galáctico, mostraron recientemente que al pasar por su periastro, la estrella desprendió gas, alcanzando al agujero negro y generando tres llamaradas registradas por los astrónomos en 2018. Lo observado es exactamente lo esperado por la Relatividad General para un agujero negro de millones de masas solares
Colisión de agujeros negros: ondas gravitacionales y LIGO
Como mencionamos en la primer sección, hoy en día tenemos varias maneras de observar el universo: con luz (ondas electromagnéticas), con neutrinos y rayos cósmicos, y también con ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales fueron predichas por el mismo Einstein en 1916, con muchos idas y vueltas acerca de si realmente eran reales. Aunque finalmente Einstein aceptó su existencia, estimaba que serían tan débiles que nunca serían detectadas. Las fuentes más potentes de ondas gravitacionales son las fusiones de objetos compactos como estrellas de neutrones o agujeros negros. Cuando dos agujeros negros empiezan a orbitar muy cerca entre sí, el sistema empieza a emitir ondas gravitacionales, con lo cual se pierde energía y la órbita se hace cada vez más corta hasta que los agujeros negros colapsan. En el colapso, se emite muchísima energía en forma de ondas gravitacionales. Aún así, el efecto que producen en la tierra es muy débil. Ante el paso de ondas gravitacionales, un sistema físico, digamos una regla, cambia sus distancias: el sistema se estrecha y se estira ante el efecto de estas ondas que cambian el espaciotiempo a su paso. El cambio de distancias que provoca una onda gravitacional típica es asombrosamente pequeño, variaciones mil veces más pequeñas que el tamaño de un protón.
El físico americano Joe Webber creyó detectarlas en los años sesentas aunque todo el experimento se mostró rápidamente inviable por otros científicos, arruinando la reputación de Webber. En los años siguientes, Rai Weiss, joven profesor de MIT propuso un diseño que usaba luz para detectar estas ínfimas variaciones. Además, mostró todas las distintas posibles fuentes de error, por ejemplo, aquellas provocadas por movimientos sísmicos de la tierra cerca del aparato. Su diseño para detectar estas ondas se conoce como interferómetro. La colaboración que llevaría a cabo el experimento se llamaría LIGO por las siglas en inglés Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Los dos detectores gemelos que se necesitaban tardarían treinta años en construirse y funcionar. Otros diez años más tarde, en la fase “avanzada”, LIGO detecta por primera vez la señal de ondas gravitacionales provenientes de la fusión de dos agujeros negros de 30 masas solares en septiembre de 2015. Estos agujeros negros de masas intermedias no se creían que podían existir hasta el momento. Hoy en día, en su tercer etapa de funcionamiento, las detecciones son comunes y se espera que nuestro conocimiento de estos objetos se revolucione en los próximos años.
La imagen de un agujero negro: la colaboración EHT
El título parece engañoso, ¿cómo es posible ver un objeto que por definición es oscuro? Aunque no podemos ver a un agujero negro ya que la luz no puede escapar de allí, sí podemos ver lo que pasa a su alrededor. Esta es la idea básica detrás del Event Horizon Telescope, el telescopio del horizonte de eventos. El 10 de Abril de este año 2019, la colaboración fundada en 2009 presentó por primera vez la imagen de un agujero negro en el centro de la galaxia M87. La imagen muestra la radiación emitida por el material que acrece el agujero y la sombra que este proyecta sobre el material. El complejo experimento consistió en la utilización de diferentes radio telescopios alrededor del mundo que actuaron al unísono para resolver con mucha precisión el centro galáctico de M87. Una descripción más detallada y accesible de esta noticia puede consultarse en nuestro anterior boletín.
Epílogo
La innovación tecnológica y la construcción de telescopios cada vez más poderosos permitió impulsar la astronomía de altas energías y probar la existencia de agujeros negros de maneras diversas e independientes. Con la nueva generación de instrumentos como Athena en rayos X y LISA en ondas gravitacionales de baja frecuencia, esperamos que los próximos años nos revelen más información acerca de estos fascinantes objetos.
Sobre el autor: Luciano Combi es becario del CONICET con lugar de trabajo en el IAR. Sus temas de investigación son gravitación, astrofísica y radioastronomía de púlsares.
Fuente de las imágenes:
(1) y (2): http://galileo.rice.edu/sci/instruments/telescope.html
(3) : Wikipedia
(4): http://www.thephysicsmill.com/2013/03/17/for-there-we-are-captured-the-geometry-of-spacetime/
(5): https://tinyurl.com/vr64g3v
(6): http://https://naukas.com/2013/04/24/el-descubrimiento-de-los-cuasares/
Referencias y sitios de interés:
Para saber más sobre Galileo: http://galileo.rice.edu/
Para saber más sobre la teoría de la Relatividad: https://tinyurl.com/v83ayr6
Para saber más sobre astronomía multi-mensajera: https://www.iar.unlp.edu.ar/boletin/la-astronomia-mas-alla-de-la-luz/
Para saber como se escucha una onda gravitacional: https://youtu.be/TWqhUANNFXw
Para saber más sobre la imagen del agujero negro: https://www.iar.unlp.edu.ar/boletin/la-primera-imagen-de-un-agujero-negro/