La breve historia de los agujeros negros que llevó al Premio Nobel de Física 2020



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Esta misma semana, Sir Roger Penrose, Andrea Ghez y Reinhard Genzel recibieron el Premio Nobel de Física por su investigación sobre los agujeros negros. Su trabajo requirió abordar los misterios de las singularidades o medir la posición de una estrella cerca del centro de la Vía Láctea con gran precisión. Pero sus resultados no son un éxito individual, sino la culminación de un esfuerzo colectivo que abarca varias décadas o siglos. O, como escribió Sir Isaac Newton: «Si he visto más lejos, es porque descansé sobre los hombros de gigantes».

El concepto de agujero negro tiene al menos 200 años. Sus raíces están en las leyes de gravedad de Sir. Isaac Newton (publicado en 1687), que cien años más tarde trajo al astrónomo John mitchell imagina una estrella tan grande y pesada que es capaz de «volverse hacia ella bajo su propia fuerza de gravedad». En 1796, el matemático francés Pierre-Simon de Laplace llegó a una conclusión similar en medio de la Revolución Francesa.

Sin embargo, estas estrellas oscuras fueron olvidadas hasta que las teorías más avanzadas de la luz, la gravedad y la materia aparecieron junto con Albert Enstein y su teoría de la relatividad.

El primer paso: el radio de Schwarzschild

Unos meses después de que Einstein presentara su Relatividad General y demostrara que la gravedad afecta al movimiento de la luz, en 1916 el teniente de artillería y astrónomo Karl Schwarzschild resolvió las ecuaciones Einstein para un punto en el vacío, allanando el camino para el concepto actual de un agujero negro: «Schwarzschild, por supuesto, encontró la primera solución de las ecuaciones de Einstein que representa el agujero negro más simple», explicó. José Luis Fernández Barbón Catedrático de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid y experto en estos objetos.

Los cálculos del alemán mostraron que algunos de los parámetros de las ecuaciones de Einstein se volvieron infinitos a cierta distancia del corazón del agujero (el radio de Schwarzschild). Así comienza a nacer la singularidad, el punto en el que la relatividad no funciona y algunas cantidades adquieren valores infinitos.

Esta idea no resultó muy atractiva para muchos científicos., comenzando por el propio padre de la relatividad. «Curiosamente, Einstein siempre ha sido muy escéptico con los agujeros negros», explicó Fernández Barbón. “Pensé que las leyes de la física conspirarían para que los agujeros negros nunca pudieran formarse en el mundo real. Esta actitud persistió en él incluso cuando ya había pruebas muy sólidas de que no lo era. Quizás fue porque la singularidad dentro del agujero negro es donde fallan las ecuaciones de Einstein.

Curiosamente, Einstein siempre ha sido muy escéptico con los agujeros negros. Pensé que las leyes de la física conspirarían para que los agujeros negros nunca pudieran formarse en el mundo real «

En 1931, y ante las duras críticas de prestigiosos astrónomos, el indio Subrahmanyan Chandrasekhar estimó un límite de masa más allá del cual la presión de degeneración de electrones no sería suficiente para frenar el colapso impulsado por la gravedad (esto se conoce como el límite de Chandrasekhar).

El tiempo se detuvo

En 1939, Robert Oppenheimer, uno de los padres de la bomba atómica, entre otros, predijo que una estrella de neutrones podría colapsar por las razones presentadas por Chandrasekhar. Después, interpretó la singularidad, del radio de Schwarzschild, como una burbuja donde el tiempo se ha detenido, para observadores externos, pero no para observadores que cayeron por las fauces del agujero.

Durante un tiempo, los agujeros negros cayeron en el olvido y se convirtieron en curiosidades matemáticas. Al mismo tiempo, la relatividad se consideró una teoría muy hermosa pero no muy útil. Sin embargo, a partir de la década de 1960 la situación cambió por completo y comenzó una época dorada de agujeros negros y relatividad.

La edad de oro de los agujeros negros

En 1958, David finkelstein identificó la siniestra superficie delineada por Oppenheimer como el horizonte de los acontecimientos. Jocelyn Bell confirmó la existencia de púlsares mostrando que las estrellas de neutrones no eran una mera curiosidad teórica y que en la naturaleza se podían producir estructuras muy masivas y compactas. En 1963, Roy Kerr “Encontró la solución explícita que describe los agujeros negros rotativos, que son los que seguramente aparecen en los procesos de formación reales”, explicó Fernández Barbón.

Después, «Roger Penrose comenzó el estudio de teoremas cualitativos sobre singularidades y horizontes e Stephen Hawking completó el programa Penrose y descubrió la evaporación cuántica de los agujeros negros «, continuó. Este trabajo de Hawking se completó cuando predijo el efecto conocido como radiación de Hawking en 1974. Finalmente,»Jacob Bekenstein estableció la primera conexión entre los agujeros negros y la teoría de la información ”, según el astrofísico.

Para Frans Pretorious, profesor de física en la Universidad de Princeton especializado en relatividad, entre «las muchas personas que han contribuido a la comprensión contemporánea de los agujeros negros», debemos incluir Werner Israel, un pionero de los teoremas «sin pelo», y Stephen Hawking, por sus contribuciones a la física cuántica de los agujeros negros, que cree que podría haber recibido el Premio Nobel si no hubiera muerto.

Tampoco ha olvidado al físico John Archibald Wheeler, que acuñó el concepto de agujero negro, y muchas otras figuras, como Demetrios Christodoulou, Kip Thorne, James Maxwell Bardeen, Saul A. Teukolsky o William Unruh. «Esta fue realmente una edad dorada de la física de los agujeros negros».

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