Acta Herediana vol. 64, N° 1, enero 2021 - junio 2021
1 Profesor principal. Departamento de Ciencias
Exactas, Universidad Peruana Cayetano Heredia,
Lima, Perú.
Pioneros de los agujeros
negros desPejaron dudas de
einstein
Pioneers of black holes clear Einstein’s doubts
juvenal Castromonte-salinas
1
resumen
En el presente artículo se describe, cómo están relacionados
el trabajo de un teórico Roger Penrose, y dos “observadores”,
Reinhard Genzel y Andrea Ghez, para escudriñar en el centro de
la Vía Láctea un “objeto supermasivo”, conocido ahora como un
“agujero negro”.
Palabras claves: Premio Nobel física, agujero negro, Vía Láctea.
abstraCt
This article describes, how the work of Roger Penrose, a theorical
physicist, and two “observers”, Reinhard Genzel and Andrea
Ghez, are related to scrutinized in the center of the Milky Way a
“supermassive object”, now known as a “black hole”.
Keywords: Physical Nobel Prize, Black Hole, Milky Way.
E
l premio Nobel de Física de este año
es bastante sorprendente. Entre los
años 2017- 2020 la astrofísica obtuvo su
tercer premio Nobel; así, en el 2017 fue por la
detección de las ondas gravitacionales; en el
año 2019, por los avances de la cosmología y el
descubrimiento de exoplanetas; y, en el 2020,
por los agujeros negros.
El premio 2020 se dividio de la manera
siguiente: una mitad le correspondió al físico
teórico Roger Penrose y la otra mitad, en partes
iguales, a Reinhard Genzel y Andrea Ghez. En
la declaración del Comité Nobel, Penrose fue
galardonado por el “descubrimiento sobre
exacta predicción de la teoría general de
relatividad acerca de la formación los agujeros
negros”; en tanto, Genzel y Ghez por el
“descubrimiento de un objeto supercompacto
en el centro de nuestra galaxia”. En el presente
artículo se describe, cómo están relacionados
el trabajo de un teórico y dos “observadores”
para “ver” en el centro de la Vía Láctea un
“objeto supermasivo”.
De izq. a der. Roger Penrose, Reinhard Genzel y Andrea Ghez.
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Se debe tener en cuenta que los trabajos por
las que se concede los premios son bastante
antíguos. Roger Penrose obtuvo sus resultados
acerca de los agujeros negros en el año 1965.
Los trabajos de los otros dos laureados
se realizarón en los años 1990’s. En estas
investigaciones se describieron las predicciones
teóricas de los agujeros negros y detalles de la
observación directa de objetos celestes, con
todas sus propiedades y características que,
originalmente, eran solo objetos hipotéticos.
orígenes de la idea de los agujeros negros
En general, la idea sobre la existencia de objetos
muy masivos que tuviesen la suciente fuerza
para atrapar a la luz es bastante antigua. Ya
en el siglo XVIII, esta idea la manifestaron el
inglés John Michell y el francés Pierre-Simon
Laplace. Sin embargo, ambos basaban sus ideas
en las leyes de Newton, que muchas décadas
mas tarde se entendió que ella era una teoría
insuciente para describir el comportamiento
de la luz en regiones cercanas a cuerpos super
masivos. La teoría capaz de poder explicar este
fenómeno recién aparece en 1915. Esta es la
conocida “teoría general de la relatividad” de
Einstein que, actualmente, es el fundamento de
la teoría de gravitación utilizada para describir
los objetos celestes, incluso todo el Universo.
Las soluciones encontradas a las ecuaciones
de Einstein son solo de casos particulares.
En 1916, Karl Schwarzschild encontró una
solución matemática, esta es acerca del agujero
negro, pero para el modelo mas simple.
En los años siguientes, el problema de los
agujeros negros no resultaba lo sucientemente
atractivo para la comunidad de físicos, a
pesar de que se habían obtenido algunos
resultados interesantes. Sin embargo, la
debilidad de todos estos resultados radicaba
en que solo respondían a casos imaginarios y
los más simples, razón por lo que muchos no
consideraban serio la existencia y formación
de los agujeros negros.
A mediados de la década de los 1960’s, Roger
Penrose se sintió atraído por los trabajos de
John Wheeler acerca de los agujeros negros y
las dicultades matemáticas que presentaban
para su descripción.
los agujeros negros, de hiPótesis a realidad
A inicios de los años 1960’s se descubrieron los
cuásares. El brillo de los cuásares, de acuerdo
con los astrónomos, superaba el brillo de miles
de galaxias, incluso a pesar de no ser visibles
a simple vista, por encontrarse muy alejados
de la Tierra, cerca de los límites del universo
visible. Sin embargo, estaba claro que un objeto
tan brillante como el cuásar no podía ser una
estrella común. La razón es que cuanto mas
brillo tiene una estrella, tanto más corto es su
tiempo de vida. Una estrella grande y brillante
rápidamente consume su hidrógeno necesario
para las reacciones termonucleares.
Encontrar “vivo” una estrella con el brillo
de un cuásar era imposible, por lo que, para
explicar su brillo, se propuso la hipótesis
de que los cuásares eran agujeros negros de
masas muy grandes. Estos, al atrapar a los
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objetos de su entorno, deberían irradiar parte
de la energía de estos objetos “presos” como
ujos brillantes.
Gracias a esta hipótesis, los físicos volvieron
al problema de la rigurosidad matemática
para explicar la posibilidad de la formación
de agujeros negros. Fue, precisamente, Roger
Penrose quien solucionó este problema,
aunque en su artículo nunca mencionó ni
hizo uso del término “agujero negro”, que fue
introducido, más tarde, por Wheeler. Para elló
utilizo un formalismo matemático bastante
riguroso y novedoso, para mostrar que las
ecuaciones de la teoría general de relatividad
de Einstein, entre sus soluciones, contenían
la formación de los agujeros negros, incluso a
condiciones muy alejadas de las condiciones
ideales. Esta demostración, además el haber
sido observados los cuásares, convenció a la
comunidad de astrofísicos sobre la existencia
real de los agujeros negros, hasta entonces
hipotéticos, objetos exóticos, realidad que
fue conrmada nuevamente en 1916, con la
detección de las ondas gravitacionales.
la búsqueda de los agujeros negros
Casi inmediatamente al descubrimiento de
los cuásares, se propuso la hipótesis de que
los agujeros negros existen no solo en galaxias
lejanas sino en el centro de casí todas las
galaxias, incluyendo a la Vía Láctea. La masa
de estos agujeros negros no es tan grande como
la de los cuásares, ellos no atrapan a los objetos
de su entorno con velocidades grandes, lo que
no permite verlas directamente porque su
emisión de energía es insuciente.
Hasta no hace mucho, la resolución de los
telescopios existentes era insuciente para
poder observar en zonas cercanas a los agujeros
negros grandes. Recién con la implementación
del sistema de telescopios Event Horizon
Telescope, en el año 2019, se pudo obtener la
imagen de la “sombra de un agujero negro”.
Los grupos de Genzel y Ghez descubrieron
un agujero negro en la Vía Láctea utilizando
métodos indirectos pero conables. Ellos
decidieron medir la velocidad del movimiento
de las estrellas que giran a una distancia no
muy grande del centro de nuestra galaxia. Este
centro, por razones históricas, los astrónomos
la conocen como Zagitario A*. Si en el centro
se tiene un objeto con masa relativamente
no muy grande, entonces la velocidad de
las estrellas que giran a su rededor, debe ser
menor cuanto mas alejados del centro. Esto
es consecuencia de las leyes de Kepler, que
intuitivamente podemos hacer un paralelo con
los planetas que giran alrededor del Sol, donde
las velocidades de los planetas disminuyen a
medida que se mueven del centro hacia la
periferie. Si en el centro de nuestra galaxia
no se tuviese un objeto compacto y toda la
masa de la materia estuviese distribuida en un
volumen grande, entonces la velocidad de las
estrellas, en función de la distancia, variaría de
manera diferente a la que conocemos.
La primera dicultad para este tipo de
observaciones se debe a que en el centro de
la galaxia se encuentran muchas estrellas y,
además, gases y polvos interestelares. Es decir,
este centro es poco visible. Para solucionar este
inconveniente se propuso hacer observaciones
utilizando luz infrarroja en lugar de luz
visible debido a que las ondas infrarrojas
son débilmente absorbidas por la materia
interestelar. Lamentablemente, estas ondas se
absorben por la atmósfera, lo que adiciona otra
dicultad para las observaciones.
Otro problema era que las estrellas en el espacio
celeste se mueven lentamente, para poder
medir sus velocidades se necesita observarlas
mucho tiempo. Es poco práctico realizar estas
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observaciones con ayuda de los telescopios
espaciales, como el Hubble, que, además,
realizan otras observaciones que también
requieren de tiempo. Estas dicultades
obligaron a utilizar teslecopios instalados en la
Tierra.
Pero, con los telescopios en la Tierra se tiene
una dicultad adicional, la atmósfera de la
Tierra. Cuando los astónomos tratan de mirar
detalles pequeños en el cielo se topan con
grandes deformaciones, incluso con pequeñas
oscilaciones del aire. Precisamente, la solución
técnica de este inconveniente llevó a los grupos
de Genzel y Ghez al descubrimiento que les
permitio obtener el premio Nobel.
observando un agujero negro en el Centro de
nuestra galaxia
Primero, para obtener imágenes nítides del
agujero supermasivo en el centro de la Vía
Láctea, Genzel y Ghez utilizaron pequeños
tiempos de exposición, abrían el objetivo de
la cámara un tiempo menor a un segundo. En
este intervalo de tiempo, a la cámara llegaba
una cantidad pequeña de luz, lo que obligo
a construir, de manera ad hoc, un detector
ultrasensible.
Segundo, debido al movimiento del aire, las
imágenes de las estrellas en tomas diferentes se
encuentran desplazadas una toma con respecto
a la otra, lo que motivo a los astrónomos a
utilizar un método especialmente desarrollado
para reestablecer la posición inicial.
Y, nalmente, ambos grupos hicieron sus
mediciones por varios años. Genzel, los realizó
en el observatorio de La Silla, en el desierto de
Atacama en Chile, mientras que Ghez lo hizo
en el observatorio de Mauna Kea en Hawai.
Mas tarde, ellos compararon sus resultados y
encontraron muy buena coincidencia de ellos.
La velocidad de las estrellas, casi de manera
ideal, concuerdan con las leyes de Kepler, lo
que demostraba la presencia, en el centro de la
galaxia, de un objeto compacto de masa muy
grande.
Observaciones posteriores, realizadas con
métodos mas avanzados, solo conrmaron las
primeras conclusiones, mas aún, permitieron
obtener argumentos más sólidos para sustentar
que estos objetos masivos son efectivamente
agujeros negros.
En 1992 se descubrió la estrella S2, que realiza
una vuelta completa alrededor del centro en
solo 16 años. Es decir, mientras se observaba el
centro de nuestra galaxia, la estrella S2 ya había
dado más de una vuelta, cuyo movimiento no
podía ser descrito por las leyes de Newton;
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sin embargo, coincidia muy bien con la teoría
general de la relatividad, que tomaba en cuenta
la presencia de un objeto ultracompacto en el
centro de la galaxia.
En el año 2019, con la ayuda de una red
de telescopios, los astrónomos observaron
zonas cercanas a sagitario A* y mostraron
que sus imágenes coincidían con lo esperado
de las observaciones de agujeros negros con
hipermasas.
Los agujeros negros, son objetos bastante
exóticos en el universo. Son objetos donde se
tienen situaciones en las que las leyes de la
física actual no “funcionan”, para lo cuál se
requiere la creación de una nueva teoría que
unique las leyes del micromundo, la física
cuántica y las leyes de la gravitación que
describe el mundo de las estrellas.
Los resultados obtenidos para agujeros negros
nos han impuesto nuevos retos en la búsqueda
de una nueva física capaz de revelarnos que
otras cosas nos esconde la naturaleza.
CorresPondenCia
Juvenal Castromonte Salinas
Juvenal.Castromonte@upch.pe
Fecha de recepción: 25-01-2021.
Fecha de aceptación: 22-02-2021.
Conicto de interés: ninguno, según el autor.
Financiamineto: por el autor.
