El misterio de los agujeros negros más de dos siglos después

Los agujeros negros no están hechos de materia, aunque tienen una gran masa. Esto explica por qué aún no ha sido posible observarlos directamente, sino sólo por el efecto de su gravedad sobre el entorno. Estos cuerpos oscuros distorsionan el espacio y el tiempo y tienen una atracción gravitatoria irresistible. La idea detrás de estos objetos exóticos ya tiene más de 230 años.

El lugar de nacimiento de la conjetura de los agujeros negros se encuentra en la tranquila aldea de Thornhill en el condado inglés de Yorkshire. En el siglo XVIII, es donde John Michell hizo su hogar, junto a la iglesia medieval. Él fue el rector de la iglesia durante 26 años y como lo confirma la inscripción en su monumento en la iglesia, también fue muy respetado como un erudito. De hecho, Michell había estudiado no sólo teología, el hebreo y el griego en Cambridge, sino que también había centrado su atención en las ciencias naturales.

Su principal interés era la geología. En un tratado, publicado después del terremoto de Lisboa de 1755, afirmó que existían olas subterráneas que propagaban tal terremoto. Esta teoría causó un gran revuelo en el mundo académico, y llevó a John Michell siendo aceptado como miembro de la Royal Society en Londres, no menos importante a causa de esta teoría.

Él dio una charla ante esta sociedad renombrada en 1783 en la gravitación de estrellas. Utilizó un experimento de pensamiento para explicar que la luz no dejaría la superficie de una estrella muy masiva si la atracción gravitatoria fuera suficientemente grande. Y dedujo: “Si tal objeto realmente existe en la naturaleza, su luz nunca podría llegar a nosotros”.

Thought games: in 1796, the French mathematician, physicist and astronomer Pierre-Simon de Laplace described the idea of ​​heavy stars from which light could not escape.
Imagen: 1796, el matemático, físico y astrónomo francés Pierre-Simon de Laplace describió la idea de estrellas pesadas de las que la luz no podía escapar. Crédito:Dominio público

Más de una década después de Michell, otro científico abordó este mismo tema: en su libro publicado en 1796, Exposition du Système du Monde, el matemático, físico y astrónomo francés Pierre-Simon de Laplace describió la idea de estrellas masivas. Esta luz que podría escapar consistía en corpúsculos, partículas muy pequeñas, según la teoría generalmente aceptada de Isaac Newton. Laplace llamó a ese cuerpo objeto oscuro, es decir, el cuerpo oscuro.

Sin embargo, los juegos de pensamiento físico de John Michell y Pierre-Simon de Laplace no tuvieron mucha respuesta y se olvidaron rápidamente.

A Albert Einstein le allanó el camino en su Teoría  de la Relatividad General para que estos “cuerpos oscuros” entraran en el reino de la ciencia, sin que esto fuera realmente su intención. Aunque la existencia de singularidades puntuales, en las cuales la materia y la radiación de nuestro mundo simplemente desaparecerían, puede derivarse de las ecuaciones que publicó en 1915. 1939 vio a Einstein publicar un artículo en la revista Annals of Mathematics en el que pretendía demostrar que tales agujeros negros eran imposibles.

Pero en 1916, el astrónomo Karl Schwarzschild había tomado la Teoría de la Relatividad General como su base para calcular el tamaño y el comportamiento de un agujero negro estático no giratorio sin carga eléctrica. Su nombre ha sido dado al radio dependiente de la masa de tal objeto en su honor (Radio de Schwarzschild), dentro del cual nada puede escapar al exterior. Este radio sería alrededor de un centímetro para la Tierra.

Schwarzschild tuvo una carrera meteórica durante su corta vida. Nacido en 1873 como el mayor de seis hijos de una familia judía alemana en Frankfurt, su talento surgió a una edad temprana. Tenía sólo 16 años cuando publicó dos artículos en una revista de renombre sobre la determinación de las órbitas de planetas y estrellas binarias. Su posterior carrera en astronomía le llevó a Munich, Viena y Göttingen a Potsdam, donde se convirtió en director del observatorio astrofísico en 1909. Algunos años más tarde, en medio de la Primera Guerra Mundial, Karl Schwarzschild que era teniente de artillería en el frente oriental en Rusia, derivó las soluciones exactas para las ecuaciones de campo de Einstein. Murió el 11 de mayo de 1916 de una enfermedad autoinmune de la piel.

Sin embargo, el tema de los agujeros negros aún no se había encontrado en el ámbito científico. En todo caso, el interés en la construcción teórica de Einstein disminuyó más y más después del bombo inicial. Esta fase duró aproximadamente desde mediados de la década de 1920 hasta mediados de los años cincuenta. Luego siguió lo que el físico Clifford Will llamó el “renacimiento” de la Teoría General de la Relatividad.

Higher mathematics: Karl Schwarzschild calculated the size and behaviour of a non-rotating and non-electrically charged static black hole in 1916, based on the general theory of relativity.
Imagen: Karl Schwarzschild calculó el tamaño y el comportamiento de un agujero negro estático no rotatorio y no cargado eléctricamente en 1916, basado en la teoría general de la relatividad. Crédito: Dominio público.

Ahora es importante describir objetos que inicialmente sólo eran de interés para los teóricos. Enanas blancas, por ejemplo, o estrellas de neutrones donde la materia existe en estados muy extremos. Sus propiedades inesperadas podrían explicarse con la ayuda de nuevos conceptos derivados de esta teoría. Así que los agujeros negros también se mueven en el foco de la atención, y los científicos que trabajan en ellos se han convertido en reconocidas estrellas, como el físico británico Stephen Hawking.

A principios de la década de 1970, el satélite Uhuru (también conocido como Small Astronomical Satellite 1 (SAS-1), lanzado por la NASA, fue el primer satélite lanzado específicamente para el estudio de la astronomía de rayos-X. Uhuru fue el preludio de una nueva era para la astronomía observacional. El satélite examinó el universo en el rango de radiación de rayos X de longitud de onda extremadamente corta. Uhuru descubrió cientos de fuentes, generalmente estrellas de neutrones. Pero entre ellos había un objeto en particular en la constelación Cygnus (cisne). Se le dio la designación Cygnus X-1. Los investigadores descubrieron que era una estrella gigante de alrededor de 30 masas solares que brillaban con un resplandor azul. Un objeto invisible de alrededor de 15 masas solares orbita alrededor, aparentemente un agujero negro.

Imagen conceptual: El agujero negro Cygnus X-1 traga la materia de una estrella gigante azul adyacente, emitiendo rayos X. Crédito: Óptica: DSS; Ilustración: NASA / CXC / M. Weiss

Esto también explica los rayos X registrados: la gravedad del agujero negro atrae la materia de la estrella principal. Esto se acumula en un llamado disco de acreción alrededor del monstruo masivo, gira alrededor de él a una velocidad increíblemente alta, se calienta hasta varios millones de grados por la fricción y emite rayos X antes de que desaparezca en el abismo espacio-tiempo.

Cygnus X-1 no es de ninguna manera el único agujero negro que los astrónomos han detectado indirectamente. Hasta ahora, han encontrado una serie completa de ellos con entre 4 y 16 masas solares. Pero hay uno que es mucho más masivo. Está situado en el corazón de nuestra galaxia Vía Láctea, a unos 26.000 años luz de distancia, y fue descubierto a finales de los años noventa. En 2002, un grupo que incluía a Reinhard Genzel del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre logró hacer un descubrimiento sensacional: en el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral (ESO), los científicos observaron una estrella que se había acercado al centro galáctico hasta dentro Unas 17 horas de luz (poco más de 18 mil millones de kilómetros).

Durante los meses y años que siguieron, pudieron observar el movimiento orbital de esta estrella, que recibió la designación S2. Orbita el centro de la galaxia Sagitario A una vez cada 15,2 años a una velocidad de 5000 kilómetros por segundo. Desde el movimiento de S2 y otras estrellas, los astrónomos concluyeron que alrededor de 4,5 millones de masas solares se concentran en una región del tamaño de nuestro sistema planetario. Sólo hay una explicación plausible de tal densidad: un gigantesco agujero negro supermasivo.

Nuestra Vía Láctea no es una excepción: los científicos creen que estos monstruos de masa acechan en los centros de la mayoría de las galaxias, algunos incluso mucho más grandes que Sagitario A. Un agujero negro de aproximadamente 6,6 mil millones de masas solares se encuentra dentro de una galaxia gigante conocida como M87. Al igual que Sagitario A, este sistema estelar a 53 millones de años luz de distancia también forma parte del programa de observación del Telescopio Event Horizon.

 

Con el descubrimiento de las ondas gravitacionales en septiembre de 2015, la historia de los agujeros negros alcanzó su clímax actual. En ese momento, se registraron las ondas de dos agujeros en fusión con 36 y 29 masas solares. Esto anunció  una nueva era de la astronomía, cuyo objetivo es traer la luz en el universo oscuro. Y también para arrojar luz sobre estos misteriosos agujeros negros.

 

 

 

Fuente: https://www.mpg.de/11225504/the-mystery-of-the-dark-bodies

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.