Seguramente habrás oído la noticia de la primera foto de un agujero negro publicada por un científico. La imagen fue una noticia sorprendente no sólo para el campo de la astronomía, sino también para el mundo entero. Esta imagen fue el primer paso hacia una nueva puerta de información. El universo está cada vez más iluminado con nueva información y por eso somos capaces de entender mejor todos los misterios que hay más allá de nuestro planeta.
Recientemente hemos visto cómo doce laureados han sido galardonados con el Premio Nobel 2020, y cómo uno de ellos ha contribuido notablemente a la humanidad con sus investigaciones y descubrimientos. Todos ellos son investigadores increíbles y nos encantaría hablar de cada uno de ellos aquí, pero hoy para una mejor explicación y comprensión del contexto de la primera imagen de los agujeros negros vamos a hablar del trabajo de los laureados Roger Penrose, Reinhard Genzel y Andrea Ghez, los ganadores del Premio Nobel de Física.
Según la página web oficial del Premio Nobel, los galardonados fueron reconocidos "por el descubrimiento de que la formación de agujeros negros es una predicción sólida de la teoría general de la relatividad" y "por el descubrimiento de un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia". Penrose, a través de impresionantes métodos matemáticos, demostró que los papeles negros están conectados con la teoría de la relatividad de Einstein, mientras que los trabajos de Reinhard Genzel y Andrea Ghez descubrieron pruebas irrefutables de que efectivamente hay un agujero negro en el centro de nuestra galaxia Vía Láctea, hoy conocido con el nombre de Sagitario A*.
Para que entendamos bien el tema, debemos conocer algunos conceptos básicos sobre los agujeros negros, como "¿Qué es un agujero negro?"; "¿De qué están hechos? ¿Dónde podemos encontrar uno?".
Lo primero que tenemos que saber es un concepto muy utilizado en muchos temas del campo de la astronomía, que es la noción de lo que es el espaciotiempo. El espaciotiempo es una variedad de cuatro dimensiones, tres de espacio y una de tiempo, en un sistema de coordenadas tendríamos (x,y,z,t). Un hecho interesante es que un solo punto en este sistema de coordenadas se llama evento. Dicho esto, podemos obtener la definición de un agujero negro.
El agujero negro es una región del espacio-tiempo ¡donde la gravedad es tan pero tan FUERTE que cualquier gas, polvo, partícula o incluso la luz no puede liberarse de él! Todos son fuertemente atraídos por la fuerza de gravedad hacia el agujero negro y desaparecen, yendo a un lugar que sigue siendo desconocido incluso hoy en día para los científicos. La parte interesante aquí es que si incluso la luz no puede liberarse de esta fuerza, es imposible ver un agujero negro o incluso saber dónde hay uno. Es como intentar ver un objeto negro en un fondo negro, no se puede ver, o si se hace, es muy difícil. Entonces, ¿cómo lo hacen los científicos?
En teoría, los agujeros negros se forman normalmente cuando una estrella muy masiva y mucho más pesada que el sol colapsa, al final de su vida. La masa es un factor muy importante para decidir si la estrella muerta se va a convertir en un agujero negro o en una estrella de neutrones. Esta estrella supermasiva se aprieta en un espacio muy pequeño debido a la gravedad y para formar el agujero negro esa masa compacta puede deformar el espacio-tiempo, según la teoría de la relatividad general.
Esta deformación del espacio-tiempo crea una fuerza de aceleración gravitatoria que apunta al centro del cuerpo de masa densa. Y debido a esta fuerza, el gas y las partículas cercanas al agujero negro empiezan a ganar velocidad de rotación siendo atraídos a la fuerza hacia el agujero negro. Este fenómeno se denomina Disco de acreción.
Esta fuerza gravitatoria y de fricción hace que todo el gas y las partículas con cargas eléctricas generen no sólo el aumento de la temperatura, sino también una radiación electromagnética con diferentes frecuencias como los infrarrojos o los rayos X. Debido a esta sorprendente característica se puede "ver" un agujero negro. Esto es bueno, pero no facilita el trabajo del científico al 100 por ciento, tienes una frecuencia que puedes rastrear pero todavía no puedes decir "oh mira, un agujero negro allí en el cielo". No podemos tratar la luz del agujero negro igual que la de una estrella normal; son muy diferentes entre sí. Pero la buena noticia es que el objeto negro del principio está ahora ligeramente iluminado en el fondo negro.
En la primera imagen del agujero negro, podemos ver el disco de acreción. En este caso, el agujero negro es 6,5 millones de veces más pesado que nuestro Sol, y se encuentra en la galaxia Messier 87, a 53 millones de años luz de la Tierra. La imagen fue posible con el trabajo de tiempo de ocho telescopios diferentes alrededor del mundo, el Event Horizon Telescope, y algunas otras misiones de telescopios espaciales, juntos capturan al mismo tiempo datos de la M87, en abril de 2017. Cada uno de ellos capturó un dato diferente del agujero negro y luego todo se juntó formando la imagen. Puede parecer algo fácil y de un solo paso, pero los científicos tuvieron que trabajar duro para entender completamente todos los datos y cómo tratarlos, qué algoritmo utilizar y cómo usarlo.
En un artículo publicado en 1997, Genzel demostró que los datos recogidos en cinco años diferentes, de 1992 a 1996, captan estrellas de movimiento rápido en las inmediaciones de Sgr A*, y que una masa oscura muy grande y pesada reside en medio de estas estrellas. "No hay ninguna configuración estable de estrellas normales, restos estelares o entidades subestelares a esa densidad", dice el artículo (GENZEL et al., 1997). Concluyendo, "debe haber un agujero negro masivo en el núcleo de la Vía Láctea".
En otro artículo publicado en 1998 por Ghez, un estudio de dos años de duración detectó el mismo patrón de arranque en movimiento en el mismo lugar, como se dice en el artículo "los picos tanto de la densidad de la superficie estelar como de la dispersión de la velocidad son consistentes con la posición del candidato a agujero negro (todavía candidato en ese momento) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). Las imágenes utilizadas en el estudio se obtuvieron con longitudes de onda del infrarrojo cercano, el tipo de frecuencia que emite el disco de acreción.
He aquí una breve lista con estos artículos:
GENZEL, R. et al. On the nature of the dark mass in the centre of the Milky Way. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v. 291, n. 1, p. 219-234, 11 out. 1997.
GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast: Evidence for a Supermassive Black Hole at the Center of Our Galaxy. The Astrophysical Journal, v. 509, n. 2, p. 678-686, dez. 1998.
GHEZ, A. M. et al. Measuring Distance and Properties of the Milky Way's Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits. The Astrophysical Journal, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.
¿No es el universo tan hermoso?
Todo esto ya es increíble, pero aún queda mucho por hacer, como dijo David Haviland, presidente del Comité Nobel de Física, "...estos objetos exóticos aún plantean muchas preguntas que piden respuestas y motivan futuras investigaciones. No sólo preguntas sobre su estructura interna, sino también sobre cómo poner a prueba nuestra teoría de la gravedad en las condiciones extremas de las inmediaciones de un agujero negro". Y aquí estaremos, ¡esperando la próxima pausa! Mientras tanto, agradecemos a los galardonados de este año Roger Penrose, Reinhard Genzel y Andrea Ghez¡Ustedes son increíbles!
Si también quiere leer sobre el trabajo de Roger Penrose, aquí tiene unos cuantos artículos que describen su trabajo. Uno de ellos fue publicado junto con el legendario Stephen Hawking. También puede consultar estos artículos aquí:
HAWKING, S.; PENROSE, R. La naturaleza del espacio y del tiempo. Revista Americana de Física, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1 jul. 1997.
EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. La conservación de la energía como base de la mecánica relativista. II. American Journal of Physics, v. 33, n. 12, p. 995-997, 1 dez. 1965.
NEWMAN, E.; PENROSE, R. An Approach to Gravitational Radiation by a Method of Spin Coefficients. Journal of Mathematical Physics, v. 3, n. 3, p. 566-578, 1 maio 1962.
PENROSE, R.; RINDLER, W. Energy Conservation as the Basis of Relativistic Mechanics. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1 ene. 1965.
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