LAS INVESTIGACIONES FUTURAS REVELARÁN QUE PASA EN EL CENTRO DE LOS AGUJEROS NEGROS: ALCUBIERRE
Ciudad de México, a 16 de abril de 2019
BOLETÍN 036/2019
- El director del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM explica la gravedad cuántica para continuar con el conocimiento de estos cuerpos masivos; descarta que la Tierra sea absorbida por uno de ellos
En un pliegue del Universo, apenas unos momentos hicieron historia en la vida del cosmos. Una imagen que los científicos esperaron durante mucho tiempo y que devino en una primera constatación de los cálculos de Einstein.
Desbrozar el misterio de los agujeros negros empezó a esclarecerse con la fotografía del pasado 13 de abril que guardará la memoria universal como el instante en que, por primera vez, un atisbo dio un vuelco a la ciencia.
Con una prosapia y trayectoria reconocida en el mundo, en entrevista, el doctor Miguel Alcubierre Moya desde hace muchos años ha estudiado los hoyos negros. En la UNAM coordina una investigación sobre relatividad numérica, un intento de usar ordenadores para formular y solucionar una serie de ecuaciones físicas descritas por Einstein.
En su dilatada trayectoria es conocido también por haber desarrollado un modelo matemático que permitiría viajar más rápido que la luz sin violentar el principio físico que sostiene que nada puede superar esa velocidad de la luz.
Pero ¿qué es un agujero negro? Desde la solvencia del conocimiento, el doctor Alcubierre explicó: Es una región del espacio en donde la materia se ha concentrado tanto que la gravedad se vuelve suficientemente intensa para que no escape ni la luz. Y como ésta es lo que va más rápido en el Universo si no escapa la luz no escapa nada. Si algo cae en un agujero no vuelve a salir nunca.
Sabemos que existen y que se forman al final de la vida de estrellas muy masivas, mucho más que el Sol. Después de sufrir una explosión de supernova, en el centro queda suficiente masa, ya no hay suficiente energía para mantenerla en equilibrio y esa masa se colapsa, sufre un colapso gravitacional y se convierte en un agujero negro.
Estos hoyos tienden a tener la masa de entre 10 y 20 o 30 veces que la del Sol. Hay millones. En nuestra galaxia debe haber millones y millones, pero hay otro tipo de agujeros diferentes que hoy no nos queda claro cómo se forman, que son monstruosos, muy masivos y que pesan millones de veces lo que pesa el Sol, miles de millones lo que pesa nuestra máxima estrella y se encuentran casi siempre en el centro de las galaxias.
Por ejemplo, en nuestra galaxia hay uno que pesa tres o cuatro millones de veces la masa del Sol. Le llamamos Sagitario A*, porque está en la constelación Sagitario y porque es una fuente muy intensa de rayos X. No tenemos muy claro cómo se forman. Es una pregunta que todavía nos hacemos los astrofísicos.
Es como la pregunta del huevo y la gallina, monstruoso y alrededor crece una galaxia o al revés, que primero se forma una galaxia y en el centro de la galaxia después se forma un agujero negro. Seguramente entenderemos y aprenderemos esto en las próximas décadas. Por el momento sabemos que existen y los hemos detectado.
Lo que observamos en la imagen presentada es en el centro de la galaxia M87. Materia supercaliente y superbrillante. Lo observado en color naranja es gas, aunque son colores falsos. La imagen no es en luz visible, sino en ondas de radio.
Esa galaxia tiene una masa de seis mil 500 millones de soles y un diámetro de unos 40 mil millones de kilómetros. En contraste, la distancia entre la Tierra y el Sol, es de 150 millones de kilómetros. Es unas seis veces más grande que el tamaño de todo el sistema solar.
La fotografía fue posible por la conexión de ocho radiotelescopios alrededor del mundo que observaron al mismo punto y captaron señales que un grupo de 200 científicos de una veintena de países convirtieron en imágenes inéditas.
Alcubierre se doctoró en la Universidad de Cardiff en 1994. Durante muchos años ha desarrollado nuevas técnicas matemáticas para describir la física de los hoyos negros. A la pregunta de ¿qué sabemos de ellos? respondió:
La Teoría General de la Relatividad los predice con bastante claridad. Nos tomó mucho tiempo entender que eran porque la teoría es suficientemente complicada, las matemáticas son muy complejas, y desenredar las cosas que son artefactos matemáticos, cuesta trabajo.
En 1926, Karl Schwarzschild encontró la primera solución a la teoría de Einstein que representa el campo gravitacional externo a un objeto esférico y que también describe a un agujero negro- Pero nos tomó 50 años entenderlos. Para la década de los 60s, con otros trabajos de Penrose, Hawking y otros, finalmente entendimos que eran. Los entendemos muy bien, desde un punto de vista matemático.
Tenemos una muy buena idea de cómo se forman. Sabemos que es una región del universo de la que nada puede escapar. Entendemos muy bien sus propiedades, que no son muy complicadas, masa y rotación, podrían tener carga eléctrica, pero astrofísicamente no creemos que eso exista.
Básicamente tienen masa y rotación y son una región de la que nada puede escapar, son objetos con una gravedad muy intensa. De hecho, un agujero negro con la masa del Sol sería del tamaño de Ciudad Universitaria, unos tres kilómetros de diámetro. Son objetos tan compactos que no son muy grandes.
Lo que no entendemos claramente es lo que pasa en el centro. De acuerdo a la Teoría de Einstein en ese lugar debería de haber una cosa que llamamos singularidad. Un punto donde la gravedad es infinita, la densidad es infinita y en ese punto del espacio, el tiempo termina, simplemente como que desaparece, se destruye. Esto es algo que no nos gusta. Creemos que cuando aparecen infinitos en una teoría física es más bien que la teoría está fallando. Pensamos que el centro del agujero negro, la singularidad, algo tiene que haber ahí que no tiene gravedad infinita.
No sabemos muy bien qué es y creemos que cuando tengamos una teoría más avanzada, sería la gravedad cuántica. Creemos que en cuanto tengamos una teoría más avanzada, nos permitiría entender mejor lo que ocurre.
Todo lo demás sí lo entendemos, que pasa en la región que llamamos el horizonte, la región de la que ya nada puede escapar. Cuando nos referimos al tamaño, la referencia es el tamaño del horizonte, la región del no retorno. Eso lo entendemos muy bien. La gravedad es muy intensa, pero lo podemos entender.
Entendemos lo que pasa a su alrededor. Podemos describir que pasa cuando dos agujeros chocan, lo hemos resuelto en modelos computacionales y podemos describir a un agujero negro girando.
Por eso esta imagen que salió recientemente, ya la habíamos predicho y más o menos cómo se iba a ver, porque podemos predecir qué pasa con la materia en la región cercana a un agujero.
El proyecto Event Horizon Telescope reveló las imágenes a nivel mundial de un hoyo negro a 53 millones de años luz. El proyecto es integrado por una red de ocho observatorios de radio que abarcan todo el mundo y que incluye el Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, ubicado en México.
Es un logro inmenso de los científicos y una recompensa a todo el equipo binacional de México y Estados Unidos que después de muchos esfuerzos alcanzaron este resultado, dijo David Hughes, director e investigador del Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano.
Tras abandonar Gales en 1996, el doctor Alcubierre trabajó durante algún tiempo en el Max Planck Institute for Gravitational Physics en Potsdam, Alemania. Frente a la pregunta en torno a la imagen y lo que confirma y no de la Teoría de Einstein, contestó:
La imagen es muy impresionante. Hablamos de un agujero negro supermasivo. No el que está en el centro de nuestra galaxia. Pensé que era el primero que nos iban a mostrar, sino es un agujero que está en otra galaxia que se llama M87 que viene del catálogo de Messier, quien describió una serie de nebulosas en el cielo. En ese tiempo no se sabían que eran y hoy sabemos que casi todas eran galaxias, pero la M87 está a 53 millones de años luz de nosotros. Es muy masiva, más que la nuestra, más o menos del mismo tamaño, solo que la nuestra es un disco y aquella es una esfera con muchísimas más estrellas que la nuestra.
En el centro de esa galaxia hay un agujero negro monstruoso que tiene seis mil millones de veces la masa del Sol, concentrados en la masa de un agujero negro. Ya lo sabíamos porque hemos observado en la región central de esa galaxia movimiento de estrellas y de gas, y eso nos permite estimar que en el centro de la galaxia hay un objeto gigantesco y que no podíamos ver. Todo mundo suponía que era un agujero negro supermasivo y no lo habíamos visto. El tema era hacer una imagen del centro de la galaxia y ver si podíamos ver material girando a su alrededor.
Haberlo visto con la unión de radiotelescopios en todo el mundo lo mismo en Europa, en América del sur, en México, en Hawái y en otros lados de Estados Unidos y formar un radiotelescopio del tamaño de la Tierra permitió captar la imagen de algo muy chiquito, porque imagínense a una distancia de 53 millones de años luz de algo que no es mucho más grande que nuestro sistema solar. Es el equivalente a tomar la fotografía de una moneda en la superficie de la Luna. El haberlo visto es impresionante. Lo que se dio es lo que se esperaba. Se dio esta imagen, una sombra como si fuera una dona y en el centro una región obscura que es como cinco o seis veces el tamaño de nuestro sistema solar.
Ese hallazgo nos permite aprender. Si no fuera un agujero negro y fuera un objeto, una estrella muy rara, gigantesca, no veríamos en el centro una región obscura, veríamos una región muy brillante. El centro debería ser más brillante que lo de alrededor y lo que vemos es que el centro no se ve nada. Ello nos revela que en el centro hay un agujero negro. Midiendo la silueta del agujero negro, podemos determinar el tamaño y su masa y nos da de manera más precisa su masa, esto es, seis mil 500 millones de veces la masa del Sol.
Más adelante nos permitirá medir la velocidad a la que rota el gas. No han dado los datos, pero se supone que gira a velocidades cercanas a la de la luz. Nos permite decir que la Teoría de la Relatividad de Einstein funciona perfectamente. No ha fallado. Podría ser que hubiera una corrección sutil, pero hasta el momento no se ha encontrado. Vuelve a pasar una prueba mucho más difícil, de ver qué pasa en un agujero negro supermasivo.
Es un absoluto monstruo, el campo de peso pesado de los agujeros negros del universo, dijo al conocerse la imagen el profesor Heino Falcke, de la Universidad Radboud en Holanda, quien originalmente propuso el experimento.
Es imaginar que pudiera empacar en un espacio muchísimo más de lo que pensarías posible, hasta que se vuelva tan denso que tenga su propia fuerza de gravedad, definió Andrew Pontzen, del Colegio Universitario de Londres. Sólo las estrellas con un peso suficiente, aquellas que son 25 veces mayores que el sol, pueden crear uno de esos abismos, detalló:
Se estima que hay unos 100 millones de agujeros negros en la Vía Láctea, dijo France Córdova, de la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos. Estamos viendo lo invisible, añadió.
En los 70 Sthepen Hawking, señaló que los agujeros negros son capaces de emitir radiación. Aseguraba que en nuestra galaxia deben existir mil millones de agujeros negros.
¿Es posible que la Tierra eventualmente sea absorbida por un agujero negro? El doctor Alcubierre, director del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM, respondió:
Es imposible. La gente a veces tiene una idea equivocada de los hoyos. No son aspiradoras. Son peligrosos si uno se acerca mucho. Si en este momento quitáramos el Sol y pusiéramos en su lugar un agujero negro con la misma masa de nuestra máxima estrella, la Tierra seguiría en su órbita tan campante. Haría frío y no habría luz, pero el planeta seguiría en la misma órbita. Actuaría con la misma gravedad del Sol y quedaríamos en la misma órbita. Los agujeros negros son peligrosos si uno se acerca mucho a unas 10, 15 o 20 veces el radio del agujero, que sería acercarse si tuviera la masa del Sol, a unos cuantos kilómetros. Si estamos a miles de kilómetros no pasa nada.
En el centro de nuestra galaxia hay un agujero negro de cuatro millones de veces la masa del Sol. Está a 30 mil años luz. Está tan lejos que nuestro Sol le da vueltas a la galaxia y lo hará por miles de millones de años y nunca se va a acercar a ese agujero negro. No son peligrosos.
El 11 de febrero de 2016, las colaboraciones del LIGO Interferómetro Virgo y GEO600 anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros a unos 410 millones de pársecs, es decir, a unos mil 337 millones de años luz.
Dentro de sus líneas de investigación, Alcubierre Moya se ha concentrado en la simulación de fuentes de ondas gravitacionales, particularmente la colisión de dos agujeros negros, y ha hecho importantes contribuciones en el estudio de la estabilidad de las ecuaciones de evolución.
Frente a la pregunta de ¿Cuál es el futuro que como científicos ven en torno a los agujeros negros? Dijo:
Tenemos que seguir detectándolos, porque no los vemos directamente debido a que no emiten luz, no los podemos detectar de manera indirecta. Tenemos que seguir viendo fotos con más resolución. No nos han dado datos, pero han estado tomando imágenes del agujero negro del centro de nuestra galaxia y esperaría que en los próximos meses nos muestren una imagen parecida a la que vimos del agujero de nuestra galaxia.
Posiblemente más borrosa y aunque parezca paradójico, aunque nos queda más cerca, para verlo tenemos que hacerlo a través del plano de toda la galaxia y hay mucho polvo y éste, hace que la imagen no sea muy buena. Tenemos que empezar a estudiar agujeros en otras galaxias para entender cómo se forman y ver que pasó primero si se formó primero el agujero o la galaxia. Hacer pruebas de precisión de la Teoría de Einstein.
Porque ahora la precisión no es muy alta. Lo que vimos es que la teoría aparentemente funciona y si aumentáramos mucho la precisión, podríamos hacer pequeñas detecciones y decir entonces que la teoría de Einstein no es perfecta y que habría que modificarla un poquito. Es algo que no sabemos. Por primera vez, estamos estudiando esa teoría en situaciones en que la gravedad es enormemente intensa. Antes, no podíamos estudiarla porque no podíamos ver los agujeros negros.
En 2008, la Oxford University Press publicó un libro de texto de Alcubierre sobre relatividad numérica. Sus trabajos han recibido más de mil citas. Describió así la imagen del agujero negro:
Se juntaron radiotelescopios de todo el mundo para hacer uno del tamaño del planeta Tierra y con ello alcanzaron una resolución altísima. Cada radiotelescopio capta una señal de ondas de radio y no nos da realmente una foto. Lo que tenemos es que combinar las señales de ondas de radio con una precisión altísima en el tiempo, porque si no se combinaran, esto falla. Requiere de un trabajo computacional enorme y que toma mucho tiempo.
Más información:
Lic. Renato Dávalos López
Tel: 55121012 ext. 504
Lic. Jazmín Hernández Álvarez
Tel: 55121012 ext. 501
Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación de la Ciudad de México.