Yo, yo mismo y Powehi

Por Colaborador Invitado, el 1 mayo, 2019. Categoría(s): Astronomía • Divulgación
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Desde hacía varios días se nos venía anunciando que el pasado miércoles 10 de abril a las 7:30 de la mañana se transmitiría en directo la rueda de prensa que anunciaría la primera imagen jamás obtenida de un agujero negro, que por cierto, ya tiene nombre propio: Powehi. La ya más que famosa imagen muestra un anillo borroso de color anaranjado con una sombra negra más o menos circular en el centro. Yo trabajo en el Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México, y resulta que México había colaborado en esta observación con su Gran Telescopio Milimétrico, que tiene un plato –o una antena, si lo prefieres– nada más y nada menos que de 50 metros de diámetro; el mayor de los ocho radiotelescopios que se habían usado en todo el mundo para tomar la imagen. Vamos, que esto iba a ser algo grande.

Sin embargo, debo decir que, aunque me había llamado la atención, no había hecho mi tarea: no tenía ni pajolera idea de lo que estaba sucediendo. Esa mañana, mi pareja había tenido que salir temprano y me tocaba a mí llevar a mis hijas a la escuela. Pero, ¡oh, Einstein! Sucedió que me levanté con un dolor de barriga tremendo y con malestar general en todo el cuerpo; hasta con algo de fiebre; y no creo que sea necesario poner en tu cabeza una imagen no tan agradable de mis sucesivas idas y venidas al excusado.

Ni si quiera tuve la fuerza de llevar a mis hijas a tiempo, y cuando ya era demasiado tarde decidí quedármelas en casa. Finalmente, después de tragarme la película de Frozen por quingentésima septuagésima cuarta vez, encendí mi ordenador y vi la dichosa imagen.

Y aquí va mi terrible confesión: aquello no me emocionó en lo más mínimo. Nada. Quizás por mi condición de aquella mañana, o porque admito que no soy ni remotamente experto en estos asuntos, o porque no había escuchado todo el trasfondo que supongo se explicó en la rueda de prensa, o porque estaría yo pensando que la culpa de que Elsa no saliera de su habitación en al menos diez años fue de los malditos trolls. Pero el caso es que no, que aquel anillo borroso no me hizo tilín; las cosas como son.

Avergonzado de mí mismo, esa noche empecé a buscar información. La imagen de Powehi proviene del agujero negro súper masivo que hay en el centro de esta galaxia:

Galaxia elíptica M87, en una combinación de luz visible e infrarroja

La imagen del anillo borroso de Powehi es en realidad una imagen en ondas de radio, o sea que el color anaranjado es de mentirijilla; se usaron ondas de radio y no luz visible porque el resto de la galaxia es mayormente transparente en estas frecuencias. Para tomar la dichosa imagen se usaron ocho radiotelescopios gigantescos distribuidos por el planeta, combinados minuciosamente para hacerlos formar parte de lo que sería un radiotelescopio del tamaño completo de la Tierra, conocido como “Event Horizon Telescope”. La imagen de Powehi se ha comparado con lo que supondría fotografiar desde la Tierra una naranja en la superficie de la Luna.

El reto tecnológico es indiscutible, pero lo que yo quería comprender era qué se veía realmente en aquella imagen. ¿De dónde venía la luz del anillo borroso? ¿De detrás del agujero negro? ¿De los lados? ¿De delante? Entiendo yo que un agujero negro de éstos súper masivos que hay en el centro de las galaxias tiene por lo general un disco de material incandescente orbitando alrededor de él, del que se alimenta. ¿Era eso lo que estaba viendo? Y si estaba viendo el disco alrededor del agujero negro, ¿lo estaba viendo de frente, inclinado, de canto?

Después de un rato llegué a la conclusión de que me estaba haciendo las preguntas equivocadas; que todo aquello en realidad no importaba. Yo estaba tratando de comprender el anillo de luz, cuando la pregunta realmente importante era la oscuridad en el centro: el mismísimo agujero negro.

Pero hagamos una pausa, porque, seamos honestos, para que todo esto le pueda importar a alguien, necesita uno primero saber qué diablos es eso de un agujero negro.

10 científicos, 10 ideas

Isaac Newton – Gravedad (1687)

La ley de la gravitación universal describe la fuerza con la que se atraen dos cuerpos con masa, lo que permite conocer el movimiento de los planetas alrededor del Sol, o el de una manzana cayéndose de un árbol, o a qué velocidad debería lanzar uno la manzana hacia arriba para que escapara de la atracción gravitatoria de la Tierra y se perdiera en el espacio infinito: esto último es lo que se conoce como velocidad de escape, y depende únicamente de la concentración de la masa en la Tierra. Por increíble que pareciera la ley de la gravedad, incluso el mismo Newton aceptaba que no entendía cómo podía funcionar tal cosa.

John Michel – ¡Estrellas oscuras! (1784)

Imagina una estrella con tanta masa y tan compacta que su velocidad de escape sea mayor a la velocidad de la luz: una estrella de la que ni si quiera la luz pueda escapar; una “estrella oscura”.

James Clerk Maxwell – Estrellas oscuras, ideas inmaduras (1865)

La luz es una onda electromagnética, sin masa, que no puede ni debe verse afectada por la gravedad. Vamos, que no, que lo de las estrellas oscuras no tiene ningún sentido.

Albert Einstein – Espacio-tiempo curvo (1915)

¿Cómo funciona la gravedad? Tuvieron que pasar más de dos siglos para que Einstein encontrara al fin lo que Newton nunca llegó a comprender. La gravedad es en esencia una deformación del espacio y del tiempo: alrededor de una gran masa, como la de un planeta o una estrella, el espacio y el tiempo se curvan el uno sobre el otro, y esto hace que, en presencia de un planeta o una estrella, algo que debería moverse en línea recta acabe orbitándola o cayendo hacia ella. La gravedad la causa un cuerpo con masa, sí, pero afecta al espacio mismo y a todo lo que se mueve en él, ¡incluso a la luz!

Karl Schwarzschild – Estrellas oscuras, ¡de nuevo! (1916)

Si se compacta una estrella por debajo de un cierto radio, que hoy llamamos radio de Schwarzschild, la velocidad de escape sería tal que ni si quiera la luz podría escapar de ella. Y lo que es más, dentro del radio de Schwarzschild algunos términos de las ecuaciones de Einstein se hacen infinitos; es lo que se llama una singularidad (aunque creo yo que lo que realmente significa es que la física que tenemos no sirve para entender lo que ocurre ahí adentro).  El radio de Schwarzschild depende de la masa que se va a compactar. Por ejemplo, para que el Sol se convirtiera en una estrella oscura, toda su masa se tendría que comprimir dentro de un radio de unos 3 kilómetros. Es totalmente absurdo, así que prácticamente nadie tomó en serio al pobre Schwarzschild.

Subrahmanyan Chandrasekhar – Desafiando a Pauli, parte 1 (1931)

Existe una masa límite a partir de la cual la gravedad es tan fuerte que la estrella podría compactarse indefinidamente. Te lo explico: una estrella es el equilibrio entre el empuje de la fusión nuclear, hacia afuera, y el empuje de la gravedad, hacia adentro. En principio, cuando se acaba la fusión en el centro, la estrella debería seguir comprimiéndose para siempre, pero la mecánica cuántica pone un límite con el principio de exclusión de Pauli: dos electrones no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Así que llega un punto en que la estrella no puede seguir compactándose porque violaría este principio, y ahí se detiene; a estas estrellas se les llama enanas blancas. Pero Chandrasekhar hizo cálculos y encontró la masa por encima de la cual incluso la gravedad sobrepasa a Pauli. Chandrasekhar demostró que si una estrella era suficientemente grande, nada podría detener el colapso. Esto seguía pareciendo bastante absurdo; debía existir algún otro mecanismo que lo frenara.

Robert Oppenheimer – Desafiando a Pauli, parte 2 (1938)

Efectivamente, incluso si la gravedad lograba sobrepasar el principio de exclusión de Pauli para los electrones, la enana blanca colapsaría a una estrella de neutrones, detenida justamente por el principio de exclusión de Pauli, pero esta vez para neutrones en lugar de electrones. Pero una vez más, Oppenheimer y otros científicos calcularon el límite de masa para el cual la gravedad puede incluso con las estrellas de neutrones, para alcanzar inevitablemente al famoso radio de Schwarzschild. Según las ecuaciones de Einstein, visto desde fuera, el tiempo al aproximarse al radio de Schwarzschild se detenía, así que ahora llamaron a estas cosas “estrellas congeladas”.

David Finkelstein – Horizonte de sucesos (1958)

El radio de Schwarzschild marca realmente un punto de no retorno: cualquier cosa que lo traspase no podrá escapar jamás, y todo cuanto suceda en su interior no puede afectar de ningún modo al mundo exterior. Es lo que se conoce como un horizonte de sucesos. Y es que, aunque visto desde fuera, el tiempo al aproximarse al radio de Schwarzschild se detiene, alguien que lo cruzara no sentiría ningún cambio en su tiempo (es la magia de la relatividad de Einstein), pero nunca podría volver a salir, ni enviar ninguna clase de información al exterior.

Roger Penrose – ¡Censura! (1969)

Cualquier singularidad que pueda ocurrir en el universo viene rodeada de un horizonte de sucesos. Atención a esto: el universo nos oculta las cosas raras que no podemos entender (¿o nos protege?). A esto se le conoce como hipótesis de censura cósmica, y a día de hoy sigue siendo un verdadero quebradero de cabeza. Por cierto, el nombre de “agujero negro” ganaba su popularidad a principios de la década de los sesenta.

Stephen Hawking – Radiación de Hawking (1974)

Como uno podría imaginar, no hay mucho con que podamos estudiar el comportamiento de un agujero negro, pero su gravedad superficial pareciera comportarse igual que la temperatura de cualquier otro objeto del mundo cotidiano: al igual que un objeto puede tomar calor de su entorno para subir su temperatura, un agujero negro puede tomar masa de su entorno para subir su gravedad. O, también, un objeto está en equilibrio cuando no intercambia calor y su temperatura no cambia, y un agujero negro está en equilibrio cuando no traga masa y su gravedad no aumenta. Uno podría pensar entonces que si un objeto emite radiación por el mero hecho de tener temperatura (es por esto que un hierro incandescente brilla en luz visible, o que tú y yo brillamos en luz infrarroja), un agujero negro podría emitir algún tipo de radiación por el mero hecho de tener gravedad. Usando algunos trucos cuánticos, Hawking encontró este brillo intrínseco de los agujeros negros, y lo voy a tratar de explicar.

 

Una consecuencia poco conocida del principio de incertidumbre de Heisenberg es que se pueden crear parejas partícula-antipartícula de la nada –del vacío– si éstas viven suficientemente poco tiempo para que nadie se entere, antes de que se desintegren mutuamente para devolver la energía que habían robado de ese vacío. Aunque la posibilidad de que esto pueda ocurrir ha sido muy util a los físicos de partículas para poder refinar su teoría, en la práctica, esto parece tener más bien ninguna utilidad. Sin embargo, si la creación de este par ocurre justamente en el horizonte de sucesos, una de las partículas podría caer al agujero negro y la otra podría escapar, y no se podría devolver la energía robada. La interpretación de esto es que el agujero negro sí puede emitir algún tipo de radiación en forma de partículas o antipartículas, y que esto le quita un poquito de energía al agujero negro cada vez que ocurre. Curiosamente, la forma de la radiación de Hawking es igual a la forma que tiene la emisión térmica de un cuerpo con una cierta temperatura, y cuanto menor es la masa o el tamaño del agujero negro y menor es su gravedad, mayor es la radiación que emite: agujeros negros grandes emiten poco, pero agujeros negros microscópicos emitirían muy rápido y acabarían desintegrándose en seguida. Se cree que en el comienzo del universo debió haber muchos de estos micro-agujeros negros de varios tamaños desintegrándose algún tiempo después, pero aún no se ha encontrado ninguna evidencia de su existencia. Por otro lado, el que agujeros negros microscópicos se puedan estar formando continuamente en los aceleradores de partículas actuales aún es tema de debate. De ser así, da por supuesto éstos no acabarían aniquilando el mundo sino que se evaporarían instantáneamente, y entonces deberíamos ser capaces de ver la radiación de Hawking asociada a su desintegración. Algún día, quizás…

Powehi

Y ahora sí, ¿qué es lo que se ve en la imagen del 10 de abril? Si lo que queremos ver es un agujero negro, dejemos de pensar en rayos de luz y pensemos en rayos de oscuridad. Antes que nada, Powehi no se trata de un agujero negro estándar, de los que se forman cuando colapsa una estrella, sino de un agujero negro súper masivo con una masa seis mil quinientos millones de veces más grande que nuestro Sol que se encuentra en el centro de una galaxia muy muy lejana. Se cree que existe uno de éstos agujeros negros súper masivos en el centro de todas las galaxias, aunque aún no se sabe bien de dónde salieron estos monstruos. Y esto es algo bueno, en realidad, porque si a las estrellas las vemos como puntitos brillantes, de los agujeros negros estelares no podríamos ver más que un puntito oscuro. A Powehi, sin embargo, sí lo podemos ver como algo más que eso, aunque esté lejísimos.

Entonces, olvidemos lo del tamaño y pensemos en el agujero negro como una esfera cuyo radio es el de Schwarzschild; que no emite luz como lo hace el Sol; que ni si quiera refleja luz como hace la Luna; una esfera negra, que emite oscuridad. Por cierto, un rayo de oscuridad que sale del agujero negro y llega a la Tierra es precisamente un rayo de luz lanzado desde la Tierra hacia el agujero negro pero trazado al revés. En principio, deberíamos ver la oscuridad de la mitad de la esfera de Schwarzschild que está de cara hacia nosotros, al igual que vemos, por ejemplo, solo una cara de la Luna. Pero la cosa va más allá, y es que la masa del agujero negro es tanta que el espacio-tiempo a su alrededor se curva de forma bestial, y esto hace que los rayos de luz se curven de la misma manera a su alrededor, y también, por supuesto, los rayos de oscuridad. Así, un rayo de oscuridad que sale de la “cara oculta” del agujero negro puede dar la vuelta y dirigirse hacia nosotros. Lo que vemos en la imagen de Powehi es, de hecho, como si la superficie entera de la esfera de Schwarzschild se desplegara en un plano vertical, como se hace con los mapas terráqueos. Gracias a la curvatura del espacio-tiempo no solo vemos la mitad de la esfera que nos da la cara, sino que estamos mapeando la superficie completa, y de hecho, también de manera redundante en los bordes. Estamos, literalmente, viendo un mapa oscuro de la superficie completa de la esfera del horizonte de sucesos.

A la izquierda, esfera de Schwarzschild de un agujero negro. Por supuesto que el horizonte de sucesos emite oscuridad en todas las direcciones, pero aquí solo se dibujan los rayos de oscuridad que llegan a nuestros ojos, o a nuestros telescopios. El disco de la derecha es el mapa desplegado de la superficie del horizonte sucesos, que es la mancha negra que vemos en la imagen de un agujero negro. (Fuente: https://arxiv.org/abs/1804.08030)

Finalmente, la luz que se ve alrededor del mapa desplegado del horizonte de sucesos sí que viene del disco de material que orbita el agujero negro, pero por la misma razón de que la luz puede curvarse tanto y en todas las direcciones, no importa mucho la orientación del disco; siempre veremos un anillo alrededor, no importa si el disco está de canto, de cara o inclinado. Lo único que podemos decir es que la parte del anillo más brillante se mueve más o menos hacia nosotros, y la más débil más o menos se aleja de nosotros. Esto ocurre porque a velocidades próximas a las de la luz los cuerpos direccionan la mayor parte de la radiación que emiten hacia la dirección en que se están moviendo, así que nos da pistas sobre el sentido de giro del material.

Al fin, te dejo la imagen del 10 de abril: en el centro puedes ver el despliegue del horizonte de sucesos en torno a un agujero negro real. Es la fotografía de una verja que aísla una pequeña parcela de nuestro universo que nos está prohibida; la primera imagen jamás tomada de un agujero negro.

Powehi. La sombra negra en el centro es el despliegue del horizonte de sucesos. (Fuente: https://eventhorizontelescope.org)

 

Este artículo nos lo envía Jorge Fuentes Fernández (Murcia, 1983) estudió Astrofísica en la Universidad de La Laguna (Tenerife) e hizo su doctorado en Teoría Magnética Solar en la Universidad de St Andrews (Escocia), donde además realizó una estancia postdoctoral. En los años que siguieron dio un vuelco a su carrera para dedicarse a la Instrumentación Astronómica, realizando en una segunda estancia postdoctoral en el Departamento de Instrumentación del Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México, donde, desde 2015, trabaja como diseñador óptico. Ya en México salió a la luz (¡al fin!) su faceta como divulgador. Es miembro de la Sociedad Astronómica de México, donde ha impartido varias charlas y cursos. Y cuando el tiempo y las ganas se lo permiten, disfruta escribiendo divulgación sobre física y astronomía.

Jorge también escribió hace un tiempo un artículo para Naukas titulado: Ondas Gravitacio… ¿qué?



 

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