Un físico matemático y dos astrónomos han ganado el Premio Nobel de Física 2020 por descubrimientos relacionados con los objetos más masivos y misteriosos del Universo: los agujeros negros.
El físico matemático británico Roger Penrose, de 89 años, recibe la mitad del premio por el trabajo teórico que mostró cómo la teoría de la relatividad general de Albert Einstein debería resultar en agujeros negros, que tienen una atracción gravitacional tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar.
La astrónoma estadounidense Andrea Ghez, de 55 años, y el astrónomo alemán Reinhard Genzel, de 68, comparten la otra mitad del premio de 10 millones de coronas (1,1 millones de dólares) por su descubrimiento del agujero negro más famoso del Universo: el objeto supermasivo en el centro de la Vía Láctea.
Desde la década de 1990, Ghez y Genzel han liderado grupos que han cartografiado las órbitas de estrellas cercanas al Centro Galáctico. Estos estudios los llevaron a concluir que un objeto invisible extremadamente masivo debe estar dictando los movimientos frenéticos de las estrellas. El objeto conocido como Sagitario A * (Sgr A *) es la evidencia más convincente hasta ahora de un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, dijo la Real Academia Sueca de Ciencias, que otorga el premio.
“Gigante de la física”
La astrofísica Monica Colpi de la Universidad de Milán Bicocca en Italia dice que los premios fueron muy merecidos. “Los datos de observación de Genzel y Ghez son espléndidos y verdaderamente únicos en su capacidad para monitorear los movimientos de las estrellas alrededor de este objeto”. Sus datos demostraron que Sgr A * tiene una densidad consistente con ser un agujero negro supermasivo.
El astrofísico Heino Falcke está de acuerdo. “Hicieron contribuciones fundamentales para establecer que estos corazones oscuros de las galaxias existen”, dice Falcke, quien se encuentra en la Universidad Radboud en Nijmegen, Holanda.
Mientras tanto, Penrose es “un gigante de la física teórica”, que ha influido en generaciones de científicos, dice Carole Mundell, astrofísica de la Universidad de Bath, Reino Unido. Es “un pensador genuinamente creativo con una inmensa imaginación, sentido de la diversión y una pasión por la curiosidad en todo lo que hace”, agrega.
Ghez, de la Universidad de California en Los Ángeles, es solo la cuarta mujer en ganar el premio de física, el premio Nobel con el menor número de mujeres ganadoras. En 2018, la física láser Donna Strickland puso fin a una sequía de 55 años cuando se convirtió en la tercera mujer en ganar el premio de física.
“Me tomo muy en serio la responsabilidad asociada con ser la cuarta mujer en ganar el premio Nobel [de física]”, dijo Ghez en la conferencia de prensa. “Espero poder inspirar a otras mujeres jóvenes al campo. Es un campo que tiene tantos placeres”.
Relatividad general a la geometría
En un artículo fundamental de 1965, Penrose demostró cómo, de acuerdo con la relatividad general, los agujeros negros podrían formarse dadas las condiciones adecuadas: la formación de una superficie que atrapa la luz. Dentro de esta superficie, la masa entra en un colapso gravitacional irreversible, produciendo una región de energía infinitamente densa llamada singularidad. Investigadores anteriores habían demostrado esta inevitabilidad solo en condiciones que se consideraban poco realistas físicamente.
Las contribuciones de Penrose abarcan muchas áreas de las matemáticas y la física. Se comunicó con el artista gráfico M. C. Escher e inspiró algunos de sus dibujos de objetos geométricos imposibles. En la década de 1970, desarrolló una teoría geométrica: un patrón 2D no repetitivo que ahora se llama mosaicos de Penrose. Estos patrones ocurren en la naturaleza en “cuasicristales”, que fueron objeto del Premio Nobel de Química 2011.
Penrose introdujo técnicas matemáticas sofisticadas en varias ramas de la física, dice Matilde Marcolli, física matemática del Instituto de Tecnología de California en Pasadena que actualmente colabora con Penrose. “Era una forma de pensar completamente nueva”, dice.
En particular, a finales de la década de 1960, Penrose desarrolló la teoría de los “espacios de twistor”, un intento de reconciliar la relatividad general con la mecánica cuántica, dice el físico matemático Asghar Qadir de la Universidad Government College de Pakistán en Lahore. Los espacios Twistor cambiarían la naturaleza misma del espacio-tiempo. “Desarrolló la idea de que se puede hablar de espacio y tiempo no como algo fundamental en sí mismo, sino como algo emergente”, dice Qadir, quien hizo su doctorado con Penrose sobre teoría de twistor.
El físico matemático también realizó un trabajo fundamental adicional sobre las singularidades junto con el fallecido Stephen Hawking. “Supongo que dar el premio a Penrose es indirectamente también dárselo a Stephen Hawking y honrar el inmenso esfuerzo que estas dos personas y sus equipos pusieron en la interpretación física teórica del fenómeno del agujero negro”, dice Andreas Eckart, astrofísico de la Universidad de Colonia en Alemania.
Corazón oscuro
Mientras Penrose sentó las bases teóricas de la existencia de agujeros negros, los equipos de Ghez y Genzel produjeron pruebas experimentales de gran alcance de que tal vacío se encuentra en el corazón de nuestra galaxia.
Desde la década de 1960, los astrónomos sospecharon que un agujero negro supermasivo, con una masa de más de un millón de veces la del Sol, podría estar en el centro de la mayoría de las galaxias. La Vía Láctea fue un candidato principal. Las observaciones de radio habían revelado emisiones energéticas de su centro, un objeto conocido como Sgr A *. Otras observaciones mostraron un centro lleno de estrellas y gas a gran velocidad.
Pero observar de cerca estas estrellas fue un desafío, porque el gas y el polvo oscurecían las emisiones de estas estrellas. A partir de la década de 1990, equipos rivales liderados por Ghez y Genzel, utilizaron algunos de los telescopios más grandes del mundo – el Observatorio Keck en Mauna Kea, Hawaii, y el Very Large Telescope en Paranal, Chile, respectivamente – y técnicas de observación de vanguardia, para superar este desafío.
Para su trabajo fue crucial encontrar formas de aumentar su resolución y sensibilidad a la luz tenue, dice Eckart, un ex miembro del equipo de Genzel en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemania. Primero, utilizando una técnica conocida como imágenes de moteado, los grupos tomaron datos en instantáneas para evitar el desenfoque causado por la turbulencia en la atmósfera de la Tierra. Más tarde, ambos equipos utilizaron óptica adaptativa, que utiliza un espejo para corregir la distorsión. Esto permitió exposiciones más largas, para capturar más luz y aumentar la sensibilidad, lo que también les permitió rastrear el movimiento de las estrellas en tres dimensiones.
Durante décadas, estas técnicas permitieron a los equipos medir miles de estrellas cerca del Centro Galáctico y trazar las órbitas de unas 30. Los equipos finalmente determinaron la masa del objeto (alrededor de 4 millones de masas solares) y acordaron un límite superior para su tamaño. .
La conclusión de que hay un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea fue la culminación de los esfuerzos del equipo y “muchos artículos y muchos proyectos”, dice Eckart. Genzel es conocido por ser un gran trabajador, dice Eckart, quien aún colabora con el laureado. “Es muy conciso y un científico muy bueno”, dice. Mientras tanto, Ghez es conocida por tener una intensidad alegre y una devoción feroz por su trabajo, según un perfil de Nature de 2013 de la astrónoma. “Es una persona muy centrada que aborda los problemas de una manera muy directa”, añade Eckart.
Este artículo es una traducción de otro publicado en Nature. Puedes leer el texto original haciendo clic aquí.
