La naturaleza de los agujeros negros, su formación y su detección han sido reconocidos por la Academia de Ciencias de Suecia. Roger Penrose, Reinhard Genzel y Andrea Ghez han recibido el Premio Nobel de Física por sus descubrimientos, teóricos y observacionales respectivamente, sobre uno de los fenómenos más exóticos del universo
Los galardonados comparten el Premio Nobel de 2020 por sus investigaciones sobre los agujeros negros. Mientras que Roger Penrose (británico) demostró que la formación de los agujeros negros era una consecuencia directa de la teoría general de la relatividad de Einstein, Reinhard Genzel (alemán) y Andrea Ghez (americana) descubrieron un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia, alrededor del cual orbitan miles de estrellas, y que no podía ser otra cosa que un agujero negro.
El mérito de Roger Penrose radica en el desarrollo de métodos matemáticos ingeniosos para explorar la teoría de la gravitación de Einstein. Penrose demostró que la teoría predice la formación de agujeros negros, enormes monstruos devoradores que engullen todo lo que cae en ellos y ni siquiera la luz puede escapar.
Reinhard Genzel y Andrea Ghez lideran cada uno un grupo de astrónomos que han estudiado la region alrededor del centro galáctico con precision creciente desde 1990, trazando las órbitas de las estrellas más brillantes que están más próximas al centro de la Via Lactea. Ambos grupos descubrieron un inmenso objeto compacto e invisible, con una masa cuatro millones de veces la solar, que hace que las estrellas orbiten a su alrededor a enormes velocidades en una region comparable al tamaño del sistema solar. La única explicación posible es la existencia de un agujero negro supermasivo.
La idea de un cuerpo capaz de impedir que incluso la luz escape se remonta a John Michell y Pierre-Simon Laplace, a finales del siglo XVIII. De forma independiente, demostraron que un objeto de la misma densidad que el sol pero 500 veces su tamaño tendría una atracción gravitacional tan potente que atraparía la luz, por lo que la llamaron “estrella oscura”, que es lo que hoy llamamos agujero negro, y que seria un objeto intermedio entre el descubierto por Genzel y Ghez en el centro galáctico y el observado por el Event Horizon Telescope en M87.
Unos meses después de la formulación final de la relatividad general, el astrofísico Karl Schwarzschild encontró una solución exacta de las ecuaciones de Einstein que describía la curvatura del espacio tiempo alrededor de un agujero negro y por tanto el comportamiento de la materia alrededor del mismo. De lo que ni siquiera Einstein estaba seguro es que tales objetos existieran en realidad en el universo, dado que hay lugares de ese espacio-tiempo, en concreto en el centro del agujero negro, donde las ecuaciones dejan de tener sentido, decimos que aparece una singularidad. Hasta el trabajo de Penrose, los agujeros negros se consideraban meras curiosidades matemáticas o, como mucho, especulaciones teóricas.
Si bien los descubrimientos premiados por el Premio Nobel de 2020 supusieron un enorme avance, tanto en la teoría de los agujeros negros como en su detección en la naturaleza, aún hay enormes incógnitas asociadas a estos fascinantes objetos
Para demostrar que la formación de un agujero negro es un proceso estable que puede darse en la naturaleza, Penrose tuvo que desarrollar nuevos métodos matemáticos. En un artículo memorable publicado en 1965, diez años después de la muerte de Einstein, Penrose demostró que dadas unas condiciones iniciales muy generales, la formación de un agujero negro era inevitable, según las ecuaciones de Einstein. Este resultado abrió las puertas a la exploración de fenómenos como los cuásares, descubiertos en 1963, que emitían enormes cantidades de energía en forma de ondas de radio, más potentes que miles de galaxias juntas, por lo que podían ser vistos desde distancias cosmológicas. Con la demostración de la existencia de agujeros negros se pudieron explicar estas extraordinarias fuentes de energía a través de la conversión de energía gravitacional en cinética de la materia que orbita y forma discos de acreción alrededor de dichos agujeros negros supermasivos, que ahora creemos habitan en el centro de todas las galaxias, incluida la nuestra, como descubrieron Genzel y Ghez.
Aunque no podamos ver directamente un agujero negro, es posible conocer sus propiedades observando el comportamiento de la materia (gas y estrellas) alrededor de su colosal gravedad. Reinhard Genzel y Andrea Ghez, de forma independiente, lideraron cada uno un grupo de investigadores que exploraban el centro de nuestra galaxia. Con forma de disco de unos 100 mil años luz de diámetro, la Via Lactea consiste en gas, polvo y unos cientos de miles de millones de estrellas, una de ellas nuestro Sol. Desde nuestra posición en la galaxia, enormes nubes de polvo y gas interestelar oscurecen el centro galáctico en el rango de la luz visible. Sin embargo, usando telescopios de infrarrojo y de radio fue posible ver por primera vez a través del disco galáctico y obtener las órbitas de las estrellas más brillantes alrededor del centro galáctico. Usando dichas órbitas como guía, Genzel y Ghez produjeron la evidencia más convincente hasta la fecha de que hay un objeto compacto invisible supermasivo escondido allí. Un enorme agujero negro es la única explicación posible.
Hoy en día sabemos que no sólo hay agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias, también los hay de tamaño estelar, como resultado de las explosiones de supernovas y se descubren gracias a la emisión en rayos X y gamma del gas de una compañera estelar en órbita alrededor del agujero negro. Cuando las capas externas de la estrella cercana caen al agujero negro forman discos de acreción, que alimentan el agujero negro y que, canalizados por intensos campos magnéticos, producen chorros de partículas a lo largo del eje de rotación. Recientemente se ha tenido evidencia de agujeros negros de masa intermedia entre los estelares y los supermasivos, habitando en el centro de grandes nubes moleculares, desde donde las iluminan en rayos X y en radio. Y finalmente están los agujeros negros primordiales, predichos en algunas teorías, que se habrían formado en enormes cantidades durante los primeros segundos después del Big Bang y que tendrían entre la masa de una montaña y la del Sol. Estos agujeros negros podrían constituir toda la materia oscura y orbitar alrededor de las galaxias formando sus halos. Se espera que estos agujeros negros puedan ser descubiertos en un futuro por los detectores de ondas gravitacionales.
Si bien los descubrimientos premiados por el Premio Nobel de 2020 supusieron un enorme avance, tanto en la teoría de los agujeros negros como en su detección en la naturaleza, aún hay enormes incógnitas asociadas a estos fascinantes objetos. La demostración de Penrose de que la materia bajo condiciones muy generales colapsa para formar agujeros negros deja sin responder la pregunta fundamental de qué pasa en su interior, cuando nos acercamos al centro del agujero negro, donde la densidad de energía y por tanto la curvatura del espacio-tiempo se hace infinita, lo que se llama una singularidad esencial. En ese punto la teoría de la gravitación de Einstein deja de ser válida y aún no sabemos qué ocurre allí. Debido al horizonte que rodea al agujero negro, no nos llega información de ese punto, luego podrían ocurrir muchas cosas muy extrañas. En particular, las energías son tan altas que podría alcanzarse un regimen en el que las fluctuaciones cuánticas del propio espacio-tiempo fueran accesibles. Sin embargo, no tenemos aún una teoría cuántica de la gravedad que nos de respuesta a estas preguntas. Por otro lado, los descubrimientos de Genzel y Ghez han abierto el camino a nuevas vías de exploración del entorno astrofísico alrededor de los agujeros negros y de esta manera poner a prueba la teoría de la relatividad general de Einstein, con medidas cada vez más precisas. Es posible que estas futuras medidas puedan darnos indicios de nuevos fenómenos que requieran desarrollos teóricos alternativos a la relatividad general. Sin duda alguna vivimos un momento fascinante, gracias a los actuales desarrollos tecnológicos, que han permitido hacer estas preguntas. Los secretos del universo están esperando ser descubiertos.
