Sondeando un Universo oscuro      

 

Por David Oviedo.

Asociación Larense de Astronomía (ALDA).

18 de abril de 2019.

 

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El Horizonte de Eventos del agujero negro en M87. Crédito del montaje: Jesús Guerrero.

 

Sin duda alguna, el 10 de abril de 2019 ya es una importante fecha para la historia de la Astrofísica, consolidando un enorme esfuerzo de décadas de trabajo observacional, técnico y teórico, configurando así un resumen del desarrollo de las Ciencias Astronómicas.

Ningún telescopio había logrado captar una imagen directa de esos puntos en el espacio, en donde la materia se encuentra tan comprimida que crea un campo de gravedad del cual ni la luz puede escapar. Durante años se recolectó una variada colección de evidencias indirectas de la presencia de agujeros negros, a través del movimiento de ciertas estrellas en sus inmediaciones, cuando canibalizaron estrellas compañeras e incluso a partir del año 2015 se han detectado ondas gravitacionales provenientes de la fusión de estos.

Comúnmente, se tiende a pensar que la idea de los agujeros negros se trata de un concepto surgido del siglo XX, sin embargo el primer antecedente de una idea tan compleja, data del siglo XVIII, cuando el clérigo y filósofo John Michell (1724-1793) reconocido por sus contribuciones en Geología, sugirió la existencia de “estrellas oscuras” a través de un trabajo vinculado al estudio de la fuerza gravitatoria.

En ese sentido, fue en un artículo que Michell escribió en 1783 y remitió al excéntrico físico inglés Henry Cavendish (publicado posteriormente en el diario de la Royal Society), el cual se convertiría en una publicación que se podría considerar profética; su intención no era "inventar" objetos extraños, sino exponer un método útil para determinar la masa de una estrella.

Cabe destacar, que Michell era un ferviente seguidor de la teoría corpuscular de la luz, así razonó que cuando las partículas eran emitidas por una estrella, la fuerza gravitacional de esa estrella reduciría notablemente su velocidad, produciendo un cambio observable en la luz de la estrella, sin embargo en medio de su publicación concluyó: “Si el semi-diámetro de una esfera de la misma densidad que el Sol en la proporción de quinientos a uno, y suponiendo que la luz sea atraída por la misma fuerza en proporción a su masa, toda la luz emitida desde tal cuerpo se haría regresar hacia él, por su propia gravedad”. De esta forma, nacería el concepto de las “estrellas oscuras”, el cual sería abordado años más tarde y de manera muy superficial por el físico y matemático francés Pierre-Simon Laplace.

Michell pensó que podría ser posible detectar indirectamente tales "estrellas oscuras" si tuvieran un "gemelo luminoso” que las rodeara, de esta manera concretaría otra predicción, ya que tales sistemas estelares binarios, son de hecho uno de varios métodos diferentes que los astrónomos usan para inferir la existencia de agujeros negros.

Sin embargo, los agujeros negros no emergen de la concepción gravitatoria newtoniana, ya que la conceptualización moderna asociada a estos, comenzó a finales de 1915, a partir de las publicaciones vinculadas a la Teoría General de la Relatividad, en ese sentido, el astrónomo y físico alemán Karl Schwarzschild fue pionero en esta área al lograr encontrar una solución particular de las ecuaciones de campo de Einstein.

La idea fue concebida por Schwarzschild, a la vez que se encontraba calculando trayectorias balísticas desde las trincheras en el frente ruso, en plena Primera Guerra Mundial, reconociendo ante Einstein vía correspondencia: “Como ve, la guerra me ha tratado con la amabilidad suficiente, a pesar de los intensos disparos, como para permitirme tomar este paseo en la tierra de sus ideas”; meses después de esa carta, Schwarzschild fallecería como consecuencia de enfermedades contraídas durante su servicio en la guerra, sin embargo su trabajo abrió un camino desconocido para la Astrofísica, al deducir que el espacio-tiempo cede ante el colapso de masas muy masivas.

 

 

La propiedad característica del agujero negro propuesto por Schwarzschild, y en general de todos los agujeros negros teorizados más tarde, es la presencia de un "horizonte de eventos", la superficie de una región desde la cual nada puede escapar. Una vez que se cruza un horizonte de eventos, se condena a cualquier cuerpo (incluso la luz) a permanecer bajo la enorme gravedad del agujero negro.

La solución planteada por Schwarzschild conduce a la configuración matemática de los agujeros negros. El elemento fundamental de su trabajo es el concepto asociado al Radio de Schwarzschild, el cual es el radio del horizonte de sucesos en el que la masa de un objeto puede llegar a ser comprimida para formar un agujero negro.

 

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(De izq. a der.) Karl Schwarzschild (1873-1916). Definición del radio de Schwarzschild.

Crédito: AIP, Archivo Visual Emilio Segré | Hyperphysics.

 

La investigación sobre los descubrimientos de Schwarzschild, continuó a partir de 1918, de la mano del ingeniero y matemático alemán Hans Jacob Reissner y del físico finlandés Gunnar Nordström, quienes hallaron una solución a las ecuaciones de campo de Einstein, en el que se desarrolla una singularidad carente de momento angular y definida por los parámetros de masa y carga eléctrica; aunque su trabajo se basó en un dimensionamiento estrictamente matemático.

En 1926, el astrónomo británico Arthur Eddington, célebre por haber llevado a cabo las mediciones que verificaron lo predicho por la Relatividad General, durante el eclipse solar total de 1919, publicó un libro llamado “The Internal Constitution of Stars” en donde propuso de forma acertada, que la fuente de energía para la radiación de las estrellas era la fusión del hidrógeno en helio; siendo un texto de gran importancia para la época, al convertirse en una de las principales fuentes para el estudio de la Astrofísica.

Por otra parte, Eddington afirmó en su obra, que la presión producto de la radiación emanada por las estrellas haría improbable un escenario de colapso gravitatorio. El estatus y prestigio de Eddington en el campo, significó que las propuestas de Schwarzschild se reducían simplemente a un argumento matemático que no representaba realidad alguna, por tanto estos trabajos no serían investigados a profundidad durante más de una década.

Tras varios años de la publicación de Schwarzschild, al igual que EddingtonEinstein avanzaría al contraataque, descartando la existencia de los objetos denominados para aquel entonces “singularidades de Schwarzschild” (más adelante conocidos como agujeros negros) y dejaría constancia de ello, con una publicación denominada “On a stationary system with spherical symmetry consisting of many gravitating masses” (Sobre un sistema estacionario con simetría esférica consistente de masas gravitantes); señalando que las “singularidades de Schwarzschild” no representaban una realidad física concreta. De esa forma Einstein dejaría clara su posición frente a estos objetos extremos, predichos a partir de su teoría.

Extracto del trabajo de Einstein “On a stationary system with spherical symmetry consisting of many gravitating masses”, refiriéndose a los agujeros negros, conocidas para ese entonces como singularidades de Schwarzschild. Dicho trabajo fue publicado en 1939.

 

Con la reacción de Einstein, se construiría un notable consenso entre los físicos sobre la percepción alrededor de los trabajos de Schwarzschild, llegando a la conclusión de que ese hallazgo se trataba de una simple curiosidad de carácter teórico y una posibilidad puramente matemática que no ocurriría en la naturaleza.

Sin embargo a finales de la década de los 30’, Robert Oppenheimer y Hartland Snyder, predicen la contracción continua de una estrella bajo la influencia de su propio campo gravitatorio, la cual crearía un cuerpo con una fuerza de atracción tan intensa que ni siquiera la luz podría escapar de él. Esta fue la primera versión del concepto de un agujero negro, un cuerpo astronómico tan masivo que solo puede ser detectado por su atracción gravitatoria.

Posteriormente, el físico de origen indio Subrahmanyan Chandrasekhar demostró que cuando una gran estrella se queda sin el combustible necesario para realizar los procesos de fusión, su presión es insuficiente para contrarrestar el impulso gravitatorio, en ese sentido introdujo ciertos límites de masa que definirían el colapso gravitatorio predicho por Oppenheimer y Snyder. Cuando la masa supera el intervalo entre 1,5 y 3 masas solares, nada puede evitar que la estrella se colapse en un agujero negro. Con Chandrasekhar, los agujeros negros se convirtieron en una posibilidad científica viable. Aún así, los físicos ignoraron en gran medida los agujeros negros, creyendo que su existencia requeriría de un exótico encaje cuidadosamente sintonizado y que las circunstancias en el Universo no conducirían a un colapso gravitacional de estas proporciones.

Las ideas propuestas por Chandrasekhar y Oppenheimer, serían demasiado extrañas y complejas como para ser consideradas objetivo de investigación, tomaría dos décadas hasta que el concepto se desarrollara lo suficiente como para que los físicos comenzaran a aceptar las consecuencias previstas por el colapso gravitatorio, que desembocan en los postulados de Schwarzschild.

La década de los 60’, reavivó en gran medida el interés entorno a la investigación astronómica. Hubo un renacimiento en el estudio de la Teoría de la Relatividad General, que fue muy subestimada en el pasado, siendo este resurgimiento notable para la adquisición de su estatus de alta estima teórica. La posguerra cambió significativamente la forma en la que se construía la Física, esto llevó a que los campos de la Cosmología y Astrofísica obtuviesen el reconocimiento y el rol que merecían, siendo esto un paso fundamental para la aceptación y comprensión de los agujeros negros como modelos teóricos de validez física.

Para el año 1963, el matemático neozelandés Roy Kerr, introduce una nueva solución exacta  para las ecuaciones de campo de la Relatividad General, aplicada a un agujero negro en rotación. Schwarzschild encontró una solución que describe un agujero negro no giratorio; sin embargo, se sabe y se conoce observacionalmente que todas las estrellas giran y que la solución de Schwarzschild es en el mejor de los casos, sería una gran aproximación. El logro de Kerr fue encontrar una solución exacta para el caso en rotación, algo que muchos dudaban que se pudiera hacer, por consiguiente su solución representó un avance significativo en Relatividad General.

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Roy Kerr (1934-) Cortesía: Universidad de Texas.

           

Sobre la solución de Kerr, Chandrasekhar compartiría en una de sus obras, una opinión muy firme al respecto: “Durante toda mi vida como científico, a lo largo de 45 años, mi más intensa experiencia fue comprobar que la solución exacta a las ecuaciones de la relatividad general de Einstein, descubierta por el matemático neozelandés Roy Kerr, proporciona una representación absolutamente exacta de la cantidad innumerable de agujeros negros que pueblan el Universo”.

Por otra parte, el término agujero negro, tal y como se conoce hoy, es un concepto relativamente moderno que data de inicios de los años 60’; aunque la teóricamente la idea asociada nació en 1916 de la mano de Karl Schwarzschild, esta se encontró fluctuando entre las denominaciones “singularidades de Schwarzschild” y posteriormente con el uso extendido de “objetos gravitacionalmente colapsados”.

En 1964, aparecería un artículo en la revista Science News Letter, en donde la reportera Ann Ewing publica una reseña sobre un evento de la Asociación Americana para el avance de la Ciencia (AAAS, por sus siglas en inglés), celebrado en Cleveland durante el mes de diciembre de 1963, esta publicación se convertiría en la primera fuente escrita en donde se usó como terminología astronómica el nombre “agujero negro”.

Para 1967, el desarrollo de las teorías asociadas a las singularidades propuestas por Schwarzschild, descartadas por Einstein y Eddington, estudiadas por Oppenheimer y Chandrasekhar, desarrolladas por Kerr y Reissner, sufrirían un notable cambio; durante una conferencia el físico norteamericano Jonh A. Wheeler, notable por sus contribuciones en el área de física nuclear, retomaría y popularizaría el término “agujero negro” durante una conferencia en Nueva York, sustituyendo a las denominaciones previas y generando un nombre que cristalizaría las cinco décadas previas de investigación y definirían el rumbo de cara al futuro.

La década de los 70’ fue bautizada como el inicio de la Edad de Oro de la Física de los agujeros negros, ya que estuvo servida para grandes avances en la construcción de una teoría sólida alrededor de este concepto; así el tándem que dominaría la escena de investigación, sería el protagonizado por Roger Penrose y Stephen Hawking, quienes dotaron de cierta fuerza a los modelos teóricos, tras el desarrollo y formulación de varios trabajos: Proceso de Penrose (1968-1971), Teorema de Singularidad, Termodinámica de los agujeros negros (1973), Radiación de Hawking (1974).

            Por otra parte, la década de los 70’ no solo beneficiaría exclusivamente a los desarrollos teóricos sino que aportaría las primeras evidencias sobre la existencia los agujeros negros, así en el año 1974, desde el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO, por sus siglas en inglés) Bruce Balick y Robert Brown mediante el uso de técnicas interferométricas descubren una fuente de radio compacta y muy intensa en el centro de la Vía Láctea, el cual denominaron Sgr A*; este descubrimiento fue realizado solo tres años después de la audaz hipótesis sobre la existencia de un agujero negro supermasivo, propuesta por los astrónomos Donald Lynden-Bell y Martin Rees.

 

No obstante, los astrónomos no sabían que la fuente que acababan de descubrir (Sgr A*) era en realidad un agujero negro, años de investigación aportarían evidencia convincente para catalogar a Sgr A* como un agujero negro, en ese sentido, el estudio del movimiento y la órbitas de las estrellas que se acercan al objeto constituirían una herramienta para dimensionar la masa que estaban orbitando, así se determinaría que Sgr A* cumple con las características de un agujero negro de 4 millones de veces la masa solar.

Por tanto, con décadas de acumulación de evidencia observacional y de rigurosa construcción teórica, ya casi nadie dudaba de la existencia de los agujeros negros. Pero mientras Michell, Oppenheimer, Wheeler, Hawking y muchos otros se imaginaban cómo debía ser un agujero negro, ninguno de ellos había visto nunca uno. Sin embargo, la histórica cita del 10 de abril mostró a todos una imagen sin precedentes para la Astronomía.

La gesta y el hito: Una primera fotografía.

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La sombra del horizonte de sucesos, primera imagen directa de un agujero negro. Crédito: Event Horizon Telescope Collaboration (EHT).

 

El Telescopio Horizonte de Eventos (EHT, por sus siglas en inglés), se trata de un telescopio de escala planetaria, constituido por ocho radiotelescopios que operan de forma sincronizada para la detección de fuentes de radio asociadas a agujeros negros y desde el año 2006 ha estado trabajando con el objetivo de obtener la primera imagen directa de un agujero negro.

El proyecto trabaja con los instrumentos integrados en una red de interferometría de base ancha (VLBI, por sus siglas en inglés). La técnica empleada se basa en enlazar las antenas de varios radiotelescopios en todo el mundo para crear un interferómetro de dimensión planetaria, dando lugar a un instrumento que combina datos de forma simultánea para obtener un poder de resolución y sensibilidad capaz de sondear el horizonte de eventos de un agujero negro.

Aunque ninguno de los radiotelescopios se encuentren conectados de forma física, es posible sincronizar las ondas de radio recibidas por cada radiotelescopio, para ello se deben registrar y reunir la amplia cantidad de datos a través de un proceso de correlación, que se sostiene en el uso de relojes atómicos que etiquetan con marcas temporales a cada uno de los datos obtenidos. Las observaciones que hicieron posible la configuración de una primera imagen directa se realizaron a una longitud de onda de 1,3 milímetros (la longitud de onda más corta usada hasta la fecha) durante la campaña observacional del EHT.

El Event Horizon Telescope (EHT), publicó la imagen del agujero negro supermasivo (denominado M87*) ubicado en la galaxia M87; teniendo una masa aproximada de 6.500 millones de veces la masa solar, asumiendo que M87 se encuentra a una distancia estimada de 16.8 ± 0.8 Mpc. Uno de los elementos más llamativos es sin duda, el jet (unilateral) de material que expulsa al espacio (desde su centro) y el cual cuenta con unas dimensiones aproximadas de unos 5.000 años luz. Se debe señalar que solo se ve un lado del jet debido a los efectos relativistas; el cual se está moviendo hacia afuera a casi la velocidad de la luz y apuntando hacia la Tierra, lo que resulta en un aumento en el brillo de los rayos relativistas, mientras que el jet en la dirección opuesta se está alejando de la Tierra a una velocidad cercana a la de la luz, por lo que su brillo “disminuye”.

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Galaxia M87. Crédito: Telescopio Espacial Hubble.

 

La imagen representa la reducción masiva de 5 petabytes (5000 terabytes o 5 millones de gigabytes) de datos astronómicos, que representaron un gran esfuerzo logístico, ya que los radiotelescopios de la red del EHT no envían electrónicamente la información a una central de cómputo, sino que la almacenan en discos que son transportados físicamente hasta el lugar donde se analizan los datos, significando para el proyecto, una notable limitación a superar en el corto y mediano plazo.

            Cabe destacar que el análisis de datos se hizo de forma independiente y bajo distintos métodos de vinculación, con un intenso trabajo de los equipos pertenecientes al Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian; la labor de comparación era necesaria, ya que solo se disponía de un conjunto de datos proveniente de un único instrumento contribuyente (EHT) para así evitar sesgos en cada uno de los procesos de análisis; siendo fundamental la observación del cuásar 3C 279 como objetivo de calibración.

 

Infografía sobre el proceso de análisis de datos del EHT. Crédito: Zina Deretsky (NSF).

 

 

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Radiotelescopios involucrados en la adquisición de datos del EHT.  Crédito: EHT Collaboration.

 

Análisis posterior y desafíos a futuro

En un principio, la imagen mostrada por el equipo del EHT, es consistente con un agujero negro de Kerr (en rotación); no obstante la imagen no cuenta con la resolución suficiente como para confirmar en un solo trámite que el agujero negro rota, por ello no se cuentan con los datos de velocidad de rotación del agujero y del anillo, aunque las simulaciones y modelos teóricos apuntarían a que ambos rotan en sentidos opuestos, queda mucha tela que cortar con respecto a este asunto y serán necesarios análisis de mayor profundidad.

El notable avance que representa esta primera imagen, no detendrá el trabajo del equipo perteneciente al EHT, el próximo objetivo es el agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la Vía Láctea (Sgr A*), el cual constituye un importante desafío técnico para el proyecto y en general para la investigación en Astrofísica, ya que es mucho más pequeño en masa y se encuentra realmente cerca a comparación de M87*, lo cual implica una variabilidad temporal significativa al momento de obtener datos.

La primera imagen interferométrica de un agujero negro ha permitido comprobar que lo observado encaja muy bien con lo que predice la Teoría de la Relatividad General, dejando a otras posibles explicaciones y alternativas teóricas en un estado de significativo exotismo. De este modo, la Relatividad General puede sumar otro acierto, ya que elementos deducidos a partir de ella, como que el aspecto de la sombra de un agujero negro sería circular y la rotación fueron detectados en la imagen.

La Relatividad General es el más radical y desafiante de los trabajos de Einstein, desprendiéndose de esta teoría fenómenos como los agujeros negros, las ondas gravitacionales, la expansión del Universo y dando pistas sobre el Big Bang, siendo un cuerpo de conocimiento indispensable en la Física y la Astronomía moderna, es así que resulta significativo, que tras un siglo de la primera confirmación experimental de la Teoría de la Relatividad General a partir del eclipse solar total de 1919, se cuente ahora con una forma novedosa para estudiar los cuerpos más "extremos" del Universo, predichos por la teoría de Einstein.

Sin duda esta generación ha presenciado una imagen con raíz centenaria, ya que representa un esfuerzo de investigación de más de 100 años, un éxito más en el camino de la Relatividad General y un triunfo más en la construcción de conocimientos, que nos invita a seguir descubriendo el Universo.

 

Fuentes consultadas:

Biografía de Karl Schwarzschild http://zelmanov.ptep-online.com/papers/zj-2008-b3.pdf

Biografía de Roy Patrick Kerr https://web2.ph.utexas.edu/utphysicshistory/RoyPKerr.html

Breve cronología histórica de los Agujeros Negros http://www2.phys.canterbury.ac.nz/kerrfest/timeline.html

Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole. The Astrophysical Journal Letters. Vol. 875 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0ec7

Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. II. Array and Instrumentation. The Astrophysical Journal Letters. Vol. 875. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0c96

Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. III. Data Processing and Calibration. The Astrophysical Journal Letters. Vol. 875. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0c57

Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole. The Astrophysical Journal Letters. Vol. 875. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0e85

Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. V. Physical Origin of the Asymmetric Ring.  The Astrophysical Journal Letters. Vol. 875. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0f43

Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. VI. The Shadow and Mass of the Central Black Hole. The Astrophysical Journal Letters. Vol. 875.  https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab1141

Ewing, A. (1964) “Black holes” in Space. Science News Letter Vol 85. https://www.sciencenews.org/archive/black-holes-space

Herdeiro, C. Lemos J. (2018) The black hole fifty years after: Genesis of the name. https://arxiv.org/pdf/1811.06587.pdf

Oppenheimer R. & H. Snyder. (1939) On Continued Gravitational Contraction. Physical Review. Vol 56. https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.56.455

Radio de Schwarzschild http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Astro/blkhol.html

Schwarzschild, K. (22 diciembre de 1915) [Carta para Albert Einstein]. The Berlin Years: Correspondence 1914-1918 (English translation supplement) Vol. 8 (pag. 163-164) https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol8-trans/192

Montgomery, C. Orchiston & W. Whittingham, I. (2009) Michell, Laplace and the origin of the black hole concept. Journal of Astronomical History and Heritage, 12 (2), 90-96. https://www.researchgate.net/publication/228571550_Michell_Laplace_and_the_origin_of_the_black_hole_concept

Villatoro F. (2019) ¿Qué esperamos de la primera imagen del Event Horizon Telescope de un agujero negro supermasivo? https://francis.naukas.com/2019/04/10/que-esperamos-de-la-primera-imagen-del-event-horizon-telescope-de-un-agujero-negro-supermasivo/