Premio Nobel de Física 2020: Penrose por la teoría, y Genzel y Ghez por la observación indirecta de agujeros negros

Por Francisco R. Villatoro, el 6 octubre, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Relatividad • Science ✎ 15

El fallecimiento de Stephen Hawking el 14 de marzo de 2018 impidió que la Academia Sueca pudiera presumir de otorgarle un Premio Nobel de Física. Desde entonces muchos soñaban con que no cometiera el mismo error con Sir Roger Penrose (89 años, University of Oxford, Reino Unido); se le otorga la mitad del premio por el descubrimiento de que la formación de agujeros negros es una predicción robusta (yo añadiría que inevitable) de la teoría general de la relatividad. La otra mitad del premio se reparte entre Reinhard Genzel (68 años, University of California, Berkeley, EE.UU. y Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Alemania) y Andrea M. Ghez (55 años, University of California, Los Angeles, EE.UU.) for el descubrimiento de un objeto supermasivo compacto (yo diría que un agujero negro supermasivo) en el centro de nuestra galaxia. Ghez era una las cinco firmes candidatas al galardón desde hace una década; son pocas, pero todas(*) deseamos que en los próximos años reciban el Nobel que merecen.

El artículo de Penrose premiado es el ya clásico Roger Penrose, «Gravitational Collapse and Space-Time Singularities,» Physical Review Letters 14: 57-59 (1965), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.14.57; también menciono sus trabajos previos Roger Penrose, «Asymptotic Properties of Fields and Space-Times,» Physical Review Letters 10: 66-68 (1963), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.10.66, y Roger Penrose, «The Light Cone at Infinity,» in «Relativistic Theories of Gravitation,» edited by L. Infeld, Pergamon Press (1964), pp. 369-373 [PDF CERN CDS]; para entender el antes y el después del hito de Penrose recomiendo leer a José M. M. Senovilla, David Garfinkle, «The 1965 Penrose singularity theorem,» Classical and Quantum Gravity 32: 124008 (2015), doi: https://doi.org/10.1088/0264-9381/32/12/124008, arXiv:1410.5226 [gr-qc] (20 Oct 2014).

La documentación del Nobel destaca los siguientes trabajos de Genzel: A. Eckart, R. Genzel, «Observations of stellar proper motions near the Galactic Centre,» Nature 383: 415-417 (1996), doi: https://doi.org/10.1038/383415a0; A. Eckart, R. Genzel, «Stellar proper motions in the central 0.1 pc of the Galaxy,» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 284: 576-598 (1997), doi: https://doi.org/10.1093/mnras/284.3.576; R. Genzel et al., «A star in a 15.2-year orbit around the supermassive black hole at the centre of the Milky Way,» Nature 419: 694-696 (2002), doi: https://doi.org/10.1038/nature01121; R. Genzel et al., «Near-infrared flares from accreting gas around the supermassive black hole at the Galactic centre,» Nature 425: 934-937 (2003), doi: https://doi.org/10.1038/nature02065; R. Genzel et al., «Monitoring stellar orbits around the massive black hole in the Galactic center,” The Astrophysical Journal 692: 1075-1109 (2009), doi: https://doi.org/10.1088/0004-637X/692/2/1075; R. Genzel et al., «The Galactic center massive black hole and nuclear star cluster,» Reviews of Modern Physics 82: 3121-3195 (2010), doi: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.3121.

Y los siguientes trabajos de Ghez: A. Ghez et al., «High proper-motion stars in the vicinity of Sagittarius A*: Evidence for a supermassive black hole at the center of our galaxy,» The Astrophysical Journal 509: 678-686 (1998), doi: https://doi.org/10.1086/306528; A. Ghez et al., «The First Measurement of Spectral Lines in a Short-Period Star Bound to the Galaxy’s Central Black Hole: A Paradox of Youth,» The Astrophysical Journal 586: L127-L131 (2003), doi: https://doi.org/10.1086/374804; A. Ghez et al., «Measuring distance and properties of the Milky Way’s central supermassive black hole with stellar orbits,» The Astrophysical Journal 689: 1044-1062 (2008), doi: https://doi.org/10.1086/592738.

Recomiendo consultar el anuncio oficial, la nota de prensa [PDF] y la información avanzada [PDF]. Y leer a Elizabeth Gibney, Davide Castelvecchi, «Physicists who unravelled mysteries of black holes win Nobel prize,» Nature (06 Oct 2020), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-02764-w.

En este blog, sobre Ghez y Genzel recomiendo leer «El desplazamiento al rojo gravitacional en la estrella S2 alrededor de Sagitario A*», LCMF, 02 ago 2018; «Nueva medida del desplazamiento al rojo gravitacional en la estrella S2 de Sagitario A*», LCMF, 26 jul 2019; «La estrella S62 bate dos récords: la más rápida y la más cercana a Sagitario A*», LCMF, 10 feb 2020; sobre los teoremas de singularidad en este blog nunca he hablado en detalle, aún así recomiendo «Contraejemplo a la conjetura fuerte del censor cósmico de Penrose», LCMF, 21 may 2018.

(*) Todas por «todas las personas que amamos la ciencia».

Albert Einstein falleció en 1955 atesorando la firme convicción de que los agujeros negros no existían en la Naturaleza; interpretaba la aparición de singularidades como indicios de los límites de validez de su teoría general de la relatividad; así, toda solución matemática de sus ecuaciones que presentara singularidades debía ser considerada puro artificio matemático, sin realidad física. Todo cambió a partir de 1957 cuando una joven generación de físicos y matemáticos atacó el problema de las singularidades con nuevas herramientas y descubrió que eran inevitables; siendo soluciones robustas (desde un punto de vista topológico) de las ecuaciones de Einstein había que estudiar sus propiedades y desvelar que señales observacionales predecían.

La solución de Schwarzschild de 1915 que describe un agujero negro («La primera aparición por escrito del término «agujero negro» en un artículo de John A. Wheeler», LCMF, 19 feb 2012) presenta dos singularidades, una en el horizonte de sucesos y otra en el centro. Costó más de 40 años demostrar que la singularidad en el horizonte era ficticia, un artefacto del sistema de coordenadas usado; lo lograron David Finkelstein (1958), Martin D. Kruskal (1960) y George Szekeres (1960). Y costó más de 50 años demostrar que la singularidad central no se podía eliminar usando un cambio de coordenadas; la respuesta vino del uso de ideas topológicas gracias a los teoremas de singularidad de Roger Penrose (1965).

Para un físico la cuestión clave es cómo se pueden formar los agujeros negros. En 1939, Robert Oppenheimer y su estudiante Hartland Snyder estudiaron el colapso de una nube de materia esférica, demostrando que en tiempo finito (del orden de un día para una masa solar) se forma un agujero negro (en su momento, solo se afirmaba que la métrica tendía hacia la de Schwarzschild para un espaciotiempo vacío). El cálculo fue posible por la simetría esférica; las estrellas no son esferas perfectas y físicos como Einstein tenían serias dudas sobre el destino del colapso. Los dudas llegaran hasta 1963, cuando Evgeny Lifshitz y Isaak Khalatnikov concluyeron que era imposible que una estrella colapsara en un agujero negro con una singularidad en su interior; las inhomogeneidades y anisotropías de una estrella en rotación lo impedirían. Muchos físicos tenían dudas similares, aunque no todos confiaban este último cálculo.

En 1963 entra en escena Roger Penrose con una nueva herramienta, las coordenadas conformes; el espaciotiempo de Minkowski se podía describir usando una transformación conforme del sistema de coordenadas que preserva los conos de luz (es decir, la estructura causal del espaciotiempo), el llamado diagrama de Penrose (ver la figura central); a veces se llama diagrama de Penrose–Carter o incluso Carter–Penrose porque Brandon Carter los popularizó. En este diagrama el espaciotiempo infinito tanto en el espacio como en el tiempo se describe usando una región finita en forma de rombo. Además, los diagramas de Penrose pueden usarse para describir tanto un agujero negro como el proceso de colapso de una estrella. Roy P. Kerr publicó en 1963 la solución para un agujero negro en rotación (solo con masa y momento angular); la intuición física decía que el colapso de una estrella tenía que dar lugar a un agujero negro de Kerr, pero los cálculos matemáticos parecían casi imposibles; Carter usó los diagramas de Penrose para estudiar la solución de Kerr y el colapso.

La gran contribución de Penrose fueron sus teoremas de singularidad de 1965, cuya demostración usaba ideas topológicas y la estructura causal del espaciotiempo descrita mediante diagramas de Penrose. Bajo hipótesis físicas plausibles, como que la materia que colapsa tiene una densidad de energía positiva, el colapso siempre acaba en la formación de una superficie atrapada, una región de la que ni siquiera la luz puede escapar; para una estrella en rotación será un agujero negro de Kerr. Incluso si la materia que colapsa no tiene simetría esférica, porque su superficie presenta perturbaciones, dicho destino final es inevitable. Las herramientas topológicas de Penrose fueron revolucionarias y merecedoras de un Premio Nobel de Física. Desde 1967, cuando Wheeler popularizó el término «agujero negro», estos objetos se convirtieron en parte de la realidad en el imaginario colectivo. Pero observar estos objetos tan compactos (pequeños) en la Naturaleza no es nada fácil.

Los primeros indicios observacionales de que existían objetos astrofísicos tan compactos que parecían «imposibles» se iniciaron a finales de los 1950 y principios de los 1960. Los cuásares eran fuentes compactas de radio que en 1963 se identificaron como extragalácticas; su luminosidad era tan grande que rayaba lo inimaginable. Se propuso que eran núcleos galácticos activos, resultado de la emisión de materia acretada por «estrellas» con millones de masas solares; pero dichas estrellas no podían existir, tenían que colapsar dando lugar a agujeros negros supermasivos (Salpeter 1964; Zeldovich–Novikov 1965).

En paralelo se identificaron fuentes de rayos X en nuestra galaxia (Riccardo Giacconi recibió el Nobel de Fïsica de 2002 por descubrir las primeras). La hipótesis más aceptada es que su origen eran sistemas binarios en los que un objeto compacto acretaba materia de una estrella próxima. Pero la medida de la masa del objeto compacto no era fácil. La binaria de rayos X más famosa es Cygnus X-1, descubierta en 1964; hasta 1974 no quedó claro que su masa era mayor de 3.6 masas solares y hasta 1986 no se aseguró que era mayor de 7 masas solares; hoy sabemos que son 14.8 ± 1.0 M⊙ (https://arxiv.org/abs/1106.3689). El único objeto astrofísico compacto conocido que puede tener dicha masa tiene que ser un agujero negro.

En 1969 se propuso que en el centro de muchas galaxias había un agujero negro supermasivo, con una masa entre millones y miles de millones de masas solares. A pesar de su gran masa son objetos con un tamaño tan pequeño que observarlos parecía imposible. Las ideas teóricas apuntaban a que estos objetos estarían rodeados de nubes de estrellas y agujeros negros de menor tamaño; la observación del movimiento de estas estrellas podría desvelar la masa del gigante oculto. Pero hasta principios de la década de los 1990 era imposible usar telescopios para resolver estrellas individuales en el centro de nuestra galaxia.

En 1994 se usó el telescopio espacial Hubble (HST) para estudiar el centro de la galaxia M87; se observó un disco de materia en rotación; su cinemática permitió determinar que tenía unos mil millones de masas solares y un tamaño menor de 18 pársecs. No se podía asegurar que fuera un agujero negro, pues podría ser una distribución muy densa de millones de estrellas de masa solar alrededor del núcleo de dicha galaxia. El uso de radiotelescopios con interferometría de muy larga base (VLBA) permitió observar el movimiento de máseres alrededor de M87* y descartar que su masa fuera debida a estrellas. A finales de los 1990 parecía claro que se trataba de un agujero negro supermasivo.

Dos equipos de astrónomos, uno liderado por Andrea Ghez (UCLA, EE.UU.) y otro por Reinhard Genzel (MPI-EP, Alemania) decidieron usar telescopios con óptica adaptativa (para evitar la turbulencia de la atmósfera) y así poder observar las estrellas cercanas al centro galáctico, el punto llamado Sgr A* (léase Sagitario A-estrella); su objetivo era determinar su masa y su tamaño máximo para verificar que ocultaba un agujero negro supermasivo (que en su caso tendría unos cuatro millones de masas solares). El polvo interestelar impide ver el centro galáctico en el óptico, luego había que usar el infrarrojo cercano (banda K centrada a 2.2 μm); en esta longitud de onda el polvo solo reduce la atenuación a solo un factor de diez. A pesar de ello se requerían observaciones durante varios años para poder estimar las órbitas de las estrellas. Así como técnicas avanzadas de procesado de las imágenes.

Los resultados de los grupos de Ghez y de Genzel se han ido publicando en paralelo durante los últimos 26 años; los datos se empezaron a obtener en 1992 y los resultados se empezaron a publicar en 1994; cada par de años se publicaban nuevas estimaciones de las órbitas de las estrellas; a veces, se adelantaba el grupo de ella, a veces el de él, pero en ambos casos lograban análisis similares con conclusiones similares que se reafirmaban entre sí. El equipo de Ghez usa el telescopio de 10 metros del Observatorio Keck y el equipo de Genzel usa el telescopio de 8 metros VLT (Very Large Telescope) operado por ESO (los instrumentos de óptica adaptativa NACO y SINFONI).

La estrella que más ha desvelado sobre Sgr A* es la que tiene un periodo más corto, unos 16 años; fue bautizada como S2 por el grupo de Genzel y como So2 por el de Ghez. Como comparación, el Sol tarda unos 200 millones de años en completar una órbita alrededor del centro galáctico. Esta estrella tiene una órbita muy elíptica, su excentricidad es de 0.88; se acerca a Sgr A* a tan solo 17 horas luz, unas 1400 veces el radio de Schwarzchild para un agujero negro de 4 millones de masas solares; su plano orbital está inclinado unos 46° con respecto al plano del cielo.

Los trabajos de Ghez y Genzel han demostrado que el centro galáctico contiene un objeto compacto supermasivo; un objeto «invisible» con un tamaño ínfimo, menor de una unidad astronómica (el tamaño de la órbita terrestre alrededor del Sol). El único objeto físico que conocemos que puede tener dichas características es un agujero negro supermasivo (cuyo radio de Schwarzchild sería de 0.08 unidades astronómicas). Ya lo único que falta para confirmar la naturaleza de Sgr A* es lograr la película de su sombra que nos ofrecerá EHT (Event Horizon Telescope). Sin lugar a dudas, la década de los 2020 será la década de los agujeros negros supermasivos.



15 Comentarios

  1. He pensado lo mismo respecto a Hawking y Penrose. Este año que no había premios «cantados» debían subsanar ese gran error. Estarán a tiempo con Aharonov y Berry también?

    1. Buen comentario, Joan. Añadiría en esta misma categoría a Chibisov y Mukhanov por el cálculo del espectro de inhomogeneidades primordiales del CMB.

      Un saludo.

  2. Conocí personalmente a Roger Penrose en el Palacio de Congresos de Zaragoza en noviembre de 1999 con ocasión de la conmemoración del centenario de la publicación de la obra magna de Santiago Ramón y Cajal «Textura del sistema nervioso del hombre y de los vertebrados», publicada en 1899 y del que tengo una edición en facsímil. Cuando digo que le conocí me refiero a que me hice una foto con él, aunque no hablamos casi nada por culpa de mi paupérrimo nivel de inglés. Os preguntaréis que qué pintaba Penrose allí. Bueno, he de decir que también ví a Gerald M. Edelman, a Lynn Margulis, a Murray Gell-Mann, a Rodolfo Llinás, a David Chalmers y a otras luminarias de la física y las neurociencias. Penrose dió una conferencia sobre los microtúbulos neuronales y la física cuántica en relación con el fenómeno de la consciencia, según una teoría que había elaborado con Stuart Hameroff -que también andaba por allí- y que apenas entendí. Ello no fue óbice para que me fuera comprando los sucesivos libros de Penrose, tanto sobre neurociencia como sobre física, hasta llegar a una de sus obras más ambiciosas, titulada «El camino a la realidad». Ni que decir tiene que, sumergido en un mar de fórmulas matemáticas y especulaciones de todo orden, no he podido leer entera ni una sola de sus obras. Ahora me entero de su medio premio Nobel en Física. Me alegro por él pero me imagino que Penrose estará echando de menos algun galardón similar por sus elucubraciones neurocientíficas por las que parece sentir tanta pasión como por los agujeros negros.

    1. Penrose es un gigante de la Física y las Matemáticas pero algunas de sus últimas contribuciones (teoría de la consciencia por microtúbulos, círculos en el CMB y sus últimos libros de divulgación) son puras especulaciones (más bien divagaciones) que no aportan nada. Es una pena pero la edad no perdona ni siquiera a los grandes…

      1. …Con todo mi respeto *planck, pero cuando dices «…algunas de sus últimas contribuciones….Es una pena pero la edad no perdona ni siquiera a los grandes…» debieran ser aclaradas…ya que empezó con sus «divagaciones» a la ‘senil’ edad de 68 años…

        Gran blog, grandes comentaristas…Saludos a todos.

    2. Que curioso. Años ha (cuando era joven, allá por los 80) me tocó comentar (en una asignatura de doctorado) una separata en la que se aplicaba el principio de incertidumbre a las vesículas que contienen los neurotransmisores y se relacionaba con el ancho de la membrana celular/neuronal y la capacidad de usar la mecánica cuántica para fusionar la vesícula (sin necesidad de señal adicional previa) para provocar una señal sobre la siguiente neurona de modo «espontáneo/cuántico» y así obtener un efecto (relacionado con la mente entendido en su sentido más profundo). La conclusión final era que ésta podría ser la puerta entre el mundo real y una «conciencia» inmaterial o cómo queramos llamarla (así la mec. cuántica se convertía en el puente mundo real-mente/Dios).

      He de deciros que me comí el marrón como puede, sólo puede comentar que si bien los cálculos eran correctos (hasta donde yo llegaba) me parecía demasiado especulativo y no veía (ni sigo viendo 40 años después) modo de comprobarlo.

      1. Y no se puede comprobar porque en el tan cacareado problema mente-cuerpo se quieren poner al mismo nivel dos cosas que pertenecen a planos de la realidad completamente separados. Lo físico, que es el nivel en que se supone que se mueve la mecánica cuántica, es real y material. Lo mental es también real, aunque subjetivo, pero es inmaterial. Quizá la sensación de «solidez» de la materia no sea más que resultado del choque entre dos realidades virtuales, una habitando el mundo cuántico y otra instalada en la esfera de lo psíquico. Pero esto ya lo dijo el obispo Berkeley hace un par de siglos: ser es ser percibido. Se adelantó al concepto del colapso de la función de onda y a todas las inextricables paradojas cuánticas. Pido disculpas por esta digresión pseudofilosófica en un blog como éste.

  3. Enhorabuena a Mr.Penrose y al resto de premiados, al menos los nobel sirven para que durante un rato los medios de comunicación dejen de hablar sobre lo mismo de siempre. La existencia de los agujeros negros pone de manifiesto que nuestros criterios cotidianos de «plausibilidad» no sirven para explicar la realidad más allá de nuestro entorno conocido y que objetos y fenómenos aparentemente «disparatados» pueden existir (y de hecho existen).¿No es «disparatada» la existencia de un objeto formado por espacio-tiempo curvado, causalmente desconectado de nuestro Universo y en cuyo interior el espacio y el tiempo se intercambian? La física moderna nos indica la existencia de nuevos y fascinantes fenómenos algunos de los cuales son predicciones de teorias bien establecidas (el Multiverso por ejemplo como predicción de la inflación).
    Roger Penrose demostró que, bajo hipótesis razonables, no había manera de escapar de la formación de una «superficie atrapada» y por tanto de una singularidad. Hay que darse cuenta del enorme poder que tiene este proceso: podemos combinar una teoría física comprobada (en este caso la relatividad general), con otros aspectos físicos superdemostrados (cargas conservadas, simetrías, etc) y con teoremas Matemáticos demostrados (en este caso aspectos topológicos) para dar una predicción altamente fiable sobre nuevos fenómenos físicos. De hecho, si los aspectos teóricos en los que se basa una predicción son tan robustos que si no fueran ciertos la física conocida sería diferente entonces la predicción sería, en principio, irrefutable. La pregunta es: ¿Es posible obtener en la práctica una solidez teórica tan robusta? Casi nadie duda, por ejemplo, de la existencia de la radiación de Hawking a pesar del hecho de que seguramente nadie va a poder detectarla jamás directamente. ¿Es este un ejemplo de predicción teórica «superrobusta» de la que hablaba antes?
    El modelo estándar, una de las teorías más exitosas, fiables y precisas que existen, predice la existencia de monopolos magnéticos e instantones, sin embargo, nadie ha detectado ninguno de los dos. ¿Que estatus tienen estas entidades? Si nunca se llegasen a detectar ¿debemos concluir que no existen? Pero entonces, ¿nuestra teoría es incorrecta? Esta claro que otros procesos como la inflación cósmica y la enorme repulsión entre monopolos pueden influir en la probabilidad de detección asi que ¿Podemos solamente decir que probablemente existen pero que son muy difíciles de detectar? Es evidente que la física se basa en el experimento pero no debemos subestimar el poder de la teoría cuando está basada en principios sólidos. Después de todo, la física moderna nos enseña que eso que llamamos realidad es una mezcla de entidades físicas y objetos matemáticos. ¿Podremos descifrar la realidad más fundamental más allá de la observación directa?

    1. Me resulta dificil opinar en este blog.. es como caminar en tierra de gigantes, hoy hago una excepción, en principio, creo que debemos hacer una distinción entre «teoría herramienta» y «teoría descripción del mundo físico» (y por lo tanto herramienta), cuando te refieres a teorías comprobadas, si estas pensando en «teoría descripción», estas equivocado, en mi opinion, las matemáticas no permiten comprobar una teoría, si refutarla, se suele decir, «otra demostración de la relatividad general», esto es erróneo, si hay algo comprobado de la relatividad general, es que es errónea (erróneo puede ir desde «le falta una coma» hasta «es un disparate»), hace poco mas de cien años, todos aceptamos que la gravedad de Newton era errónea, por 43 segundos de arco, la RG, en muchas circunstancias nos devuelve infinitos, nos crea paradojas como la de la pérdida de la información, etc., demostrar una teoria, implica demostrar los fundamentos en los que esta se basa, en el caso de la RG, equivale a demostrar la existencia del espaciotiempo, y que el mismo se puede curvar, Francis siempre nos recuerda, es la mejor teoría que tenemos, pero mañana llega otra mejor y esta pasa al olvido (llamese modelo cosmológico de consenso, modelo de partículas, etc).

  4. ¡Qué grade Roger Penrose!, ¡qué bien!, tengo los pelos de gallina.

    Estoy con el comentario de Plank respecto a que es una lástima su pésima contribución a la teoría de la mente, que empaña toda su brutal contribución anterior (aunque ojo cuidado ahí, este tipo de genios pueden acabar teniendo razón donde menos te lo esperas); y me duele ver el la wikipedia en inglés o español todo un apartado para este tema…

    En fin, una alegría muy grande.

  5. A mi entender y desde un punto de vista muy «filosófico» he pensado que nada es real si no se expresa matemáticamente. Es sólo un pensamiento tal vez pueril pues no soy físico ni matemático solo alguien que le gustan estos temas. Saludos.

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