Nobel de Física: los agujeros negros, esos monstruos devoradores del universo, inspiraron el premio

Los agujeros negros, esos abismos en el cosmos en cuyo interior las leyes de la física se desvanecen, son uno de los temas más atractivos de la ciencia actual. En un principio relegados a una especulación teórica de la que hasta el propio Einstein descreyó, se suman las pruebas de su existencia. Hace cinco años se registraron por primera vez ondas gravitacionales producidas por la colisión de dos de estas bestias cósmicas, y el año pasado se obtuvo la primera imagen de uno de ellos, tres millones de veces mayor que la Tierra.

El Nobel de Física de este año distingue a tres exploradores de estos objetos fantásticos que dieron argumento a tramas de ciencia ficción y atrajeron a algunas de las mentes más brillantes del último siglo. El matemático británico Roger Penrose, amigo e inspirador de Stephen Hawking, recibirá la mitad del premio; los astrónomos Reinhard Genzel (alemán) y Andrea Ghez (norteamericana), compartirán la otra mitad por partes iguales. Ghez es la cuarta mujer que recibe el galardón en esta disciplina desde que comenzó a concederse, en 1901, después de Marie Curie (1903), Maria Goeppert-Mayer (1963) y Donna Strickland (2018).

El premio se otorga por sus descubrimientos acerca de uno de los fenómenos más exóticos del universo, detalla el comunicado: "Roger Penrose mostró que los agujeros negros son una consecuencia directa de la relatividad general. Reinhard Genzel y Andrea Ghez descubrieron que un objeto invisible y extraordinariamente pesado gobierna las órbitas de las estrellas del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea".

Penrose desarrolló ingeniosos métodos matemáticos para explorar la teoría de Einstein y mostró que, si es cierta, conduce inexorablemente a la formación de estos monstruos de enorme gravedad que capturan todo lo que ingresa en ellos y de los que ni siquiera la luz puede escapar. Genzel y Ghez lideraron en las últimas décadas grupos de astrónomos que se enfocaron en una región del corazón de la galaxia y cartografiaron cada vez con mayor precisión las órbitas vertiginosas de las estrellas más brillantes. Ambos equipos encontraron algo que es al mismo tiempo invisible y masivo, equivalente a cuatro millones de masas solares comprimidas en una región no más grande que nuestro Sistema Solar.

"¿Qué puede hacer que esos cuerpos se muevan a tal velocidad? –se preguntan los evaluadores–. De acuerdo con la actual teoría de la gravedad, hay solo un candidato: un agujero negro supermasivo".

Una mente brillante

A sus 89 años, Penrose es una figura conocida del gran público. Autor de varias obras de divulgación científica (entre ellas, La nueva mente del emperador, en la que plantea una provocativa hipótesis sobre el papel de la gravedad cuántica en la conciencia), el profesor emérito de la Universidad de Oxford es además una personalidad legendaria para los físicos. Su elección sorprendió porque su trabajo es puramente teórico.

"De hecho, es profesor de matemática –observa el físico Gastón Giribet, docente de la Facultad de Ciencias Exactas de la UBA e investigador del Conicet–. Pero, claro, llegó a resultados muy, muy robustos. Y en particular mostró una cosa que ahora nos parece evidente, pero que en los años 60 no lo era. Se sabía que el colapso de algunas estrellas podía dar lugar a agujeros negros, pero ¿qué tan generalizable era ese fenómeno?"

Según explica Giribet, un especialista de estos fenómenos, Penrose demostró de una manera muy sólida dos resultados cruciales. Uno se conoce como el "teorema de la singularidad": afirma que, si las leyes de la relatividad general son ciertas, en el centro de un agujero negro el campo gravitatorio es infinito. "Es decir, que las leyes de la física se ‘rompen’, porque cuando algo es infinito no tiene sentido –afirma–. El otro se conoce como la ‘conjetura de censura cósmica’ y demuestra que esos infinitos siempre van a estar cubiertos por un ‘horizonte de eventos’". Esas áreas en las que la física tal como la conocemos ya no funciona nunca van a estar "sueltas" en el espacio, sino que permanecerán veladas, encerradas detrás de un horizonte más allá del cual nada de lo que ingresa puede volver a salir.

"En su primer trabajo famoso, que fue su tesis doctoral, Hawking extendió este hallazgo de Penrose al resto del universo –destaca Giribet–. Se llama ‘teorema de Hawking-Penrose’. El físico recientemente fallecido fue a ver una charla de Penrose y le ‘voló’ la cabeza. Después empezaron a trabajar juntos. Lo importante es que lo que hicieron no era especulativo, sino que fue un teorema matemático. Las hipótesis de partida fueron dos: una, que la teoría de la relatividad general es correcta y la otra, que la materia satisface las condiciones de energía; es decir, que no hay cosas ‘locas’, como energías negativas y otras rarezas por el estilo. Si eso se cumple, entonces adentro de los agujeros negros hay una singularidad. Y siempre estarán censuradas".

A pesar de que habían sido postulados por Schwarzchild en 1916, los agujeros negros no habían sido definidos con precisión. Por ejemplo, durante mucho tiempo se creyó que el "horizonte de sucesos", esa frontera que los separa del resto del universo, era en sí mismo una singularidad. Solo en los años 50 se entendió que el horizonte era una superficie en la que ocurrían fenómenos extraños, pero que la verdadera singularidad, ese punto en el que se desvanecen las leyes de la física, estaba en su interior. "Los físicos pensaban que era una especie de ‘artefacto', de vicio, que surgía de pensar que los objetos eran exactamente esféricos", detalla Giribet. Penrose y Hawking se dieron cuenta de que aunque eso no se cumpliera, si el objeto tuviera forma de huevo, por ejemplo, de todos modos sucedería. Y lo demostraron con un teorema matemático.

"Penrose mostró que los agujeros negros se producen en condiciones particulares y no solo en casos particulares –subraya el destacado físico argentino Juan Martín Maldacena–. Y aunque son pruebas matemáticas de la teoría de la gravedad de Einstein (al que no le dieron el Nobel por ese trabajo), esas fórmulas son útiles para analizar los datos que observan los astrofísicos y para entender porqué se forman los agujeros negros. Para mí, lo más importante que mostró es que en su interior siempre se produce una 'singularidad', una región donde nuestras nociones de espacio y tiempo dejan de ser válidas. O sea, que la teoría de Einstein es incompleta".

José Edelstein, físico argentino que trabaja en la Universidad de Santiago de Compostela, España, conoce de cerca a Penrose. "Nos vimos muchas veces, pero sobre todo en 2011, cuando vino a recibir un premio del que fui jurado y también organizador de su visita –cuenta– . Compartí cuatro días con él. Es un tipo genial y al mismo tiempo muy osado. Tuvo ideas audaces toda su vida. Demostró una serie de teoremas que muestran que en la teoría de la relatividad general los agujeros negros son inexorables y luego, con Hawking, que el Big Bang también lo es. Si Hawking estuviera vivo, tal vez lo hubieran incluido en el Nobel. La relatividad general finalmente es una teoría matemática y en la cual uno puede demostrar teoremas como en cualquier otro campo de esa disciplina".

En Antimateria, magia y poesía (escrito en colaboración con Andrés Gomberoff), Edelstein le dedica un capítulo. "Penrose viene de una familia increíble: su papá fue un psiquiatra que se formó con Freud y terminó siendo un pionero en cuestiones de autismo –afirma–. El tío era íntimo amigo de Picasso y fue el que se llevó el Guernica de España para que no lo hiciera desaparecer el franquismo. El hermano es uno de los mejores ajedrecistas de la historia de Inglaterra. Y él es un tipo extraordinario. Es un personaje de esos que hay pocos por siglo."

El trabajo de Penrose que motiva el premio fue publicado en enero de 1965 y todavía es considerada la contribución más importante a la teoría de la relatividad general desde que Einstein la desarrolló, entre 1905 y 1915.

La "bestia" en el centro de la galaxia

Genzel y Ghez son dos astrónomos de otro estilo, pero también ampliamente reconocidos en su campo. Genzel, nacido en 1952, director del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre y profesor de la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos, desarrolló la mayor parte de su trabajo experimental en el Observatorio Europeo Austral, en El Paranal, Chile, un centro científico del que fue director durante cinco años el astrónomo Félix Mirabel, investigador superior del Conicet. Ghez, nacida en Nueva York, en 1965, es profesora de la Universidad de California en Los Angeles y realizó sus observaciones el Observatorio Keck de Mauna Kea, Hawai.

"Los trabajos de Genzel y Ghez demuestran por primera vez de forma contundente la existencia de agujeros negros supermasivos –destaca Mirabel–. Cuando llegué a Francia, en los años 90, todavía había teóricos que decían que tal vez los agujeros negros no existían. Se pensaba que podía haber procesos físicos que evitaban su formación. El trabajo de estos astrónomos es muy meritorio".

Ambos investigadores necesitaron entre 20 y 30 años de observaciones muy precisas para reunir estas evidencias. Mirabel lo explica de este modo: así como es posible calcular la masa del sol a partir del movimiento de los planetas y de la teoría de la gravedad clásica, de Newton, Genzel y Ghez utilizaron el mismo procedimiento tomando como referencia el movimiento de unas 30 de las más brillantes estrellas a un mes luz de distancia de una fuente de ondas de radio llamada Sagitarius A, ubicada en el centro de la galaxia. Una de ellas, conocida como S2, completa una órbita cada menos de 16 años; al Sol, por su parte, le toma 200 millones de años dar una vuelta alrededor del centro de la Vía Láctea.

"Ellos mostraron que para que las estrellas orbiten como lo hacen debe haber allí una masa equivalente a cuatro millones de masas solares, pero que no se ve. La luz que sale está asociada con la materia que orbita y cae hacia el agujero negro. Eso exigió muchos años de desarrollo de la instrumentación y mediciones repetidas de la posición de las estrellas. Alcanzan velocidades de varios miles de kilómetros por segundo". Y concluye: "Se sabía que estos astrónomos eran candidatos firmes al Nobel".

Este año, el galardón distribuye alrededor de 1.100.000 dólares.