Seguramente habrá oído hablar de la primera fotografía de un agujero negro publicada por un científico. La imagen fue una noticia asombrosa 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 gracias a ello somos capaces de comprender 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 del agujero negro 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 demostró mediante impresionantes métodos matemáticos 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, la Vía Láctea, hoy conocida con el nombre de Sagitario A*.
Para entender bien el tema, necesitamos 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 un múltiple de cuatro dimensiones, tres dimensiones de espacio y una dimensión de tiempo, en un sistema de coordenadas tendríamos (x,y,z,t). Un hecho interesante es que un único punto en este sistema de coordenadas se denomina suceso. Dicho esto, podemos obtener la definición de agujero negro.
El agujero negro es una región espaciotemporal donde la gravedad es tan pero tan ¡FUERTE que cualquier gas, polvo, partícula o incluso la luz no puede liberarse de él! Todos ellos son fuertemente atraídos a través de la fuerza de gravedad hacia el agujero negro y desaparecen, yendo a un lugar que aún hoy sigue siendo desconocido para los científicos. La parte interesante aquí es que si ni siquiera la luz puede liberarse de esta fuerza, es imposible ver un agujero negro o incluso saber dónde hay uno. Es como tratar de ver un objeto negro en un fondo negro, no se puede ver, o si lo 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 convertirá en un agujero negro o en una estrella de neutrones. Esta estrella supermasiva es comprimida en un espacio muy pequeño debido a la gravedad y para formar el agujero negro esa masa compacta puede deformar el espaciotiempo, según la teoría de la relatividad general.
Esta deformación del espaciotiempo 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 o próximas al agujero negro comienzan a ganar velocidad de rotación siendo atraídas 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 temperatura sino también una radiación electromagnética con diferentes frecuencias como infrarrojos o rayos X. Debido a esta asombrosa característica se puede "ver" un agujero negro. Esto está bien, pero no facilita el trabajo del científico al cien por cien, 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 temporal de ocho telescopios diferentes de todo el 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 datos diferentes del agujero negro y, a continuación, se juntaron formando la imagen. Puede parecer una tarea fácil y de un solo paso, pero los científicos tuvieron que trabajar duro para comprender plenamente 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 que se mueven rápidamente en las inmediaciones de Sgr A*, y que en medio de estas estrellas reside una masa oscura muy grande y pesada. "No existe 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 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 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. Avisos mensuales de la Real Sociedad Astronómica, 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. El 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. El Astrophysical Journal, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.
¿No es hermoso el universo?
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 que se dan en las inmediaciones de un agujero negro". Y aquí estaremos, ¡a la espera de la próxima pausa! Mientras tanto, damos las gracias a los galardonados de este año Roger Penrose, Reinhard Genzel y Andrea Ghez¡eres increíble!
Si también quiere leer sobre la obra de Roger Penrose, aquí tiene algunos artículos que describen su trabajo. Uno de ellos se publicó 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 de 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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