Cuatro siglos de ecuaciones para ver el agujero negro

Es fácil pensar en los agujeros negros como lugares terroríficos, zonas insaciables del universo que succionan todo a su alrededor. Yo prefiero pensar en ellos como el corazón de una madre, un lugar que no tiene fondo. Esta semana vimos por primera vez ese lugar. Un lugar que no podemos entender con la percepción con la que navegamos por las escalas de tiempo y espacio que llamamos vida cotidiana. Un lugar que parece escapar a nuestra comprensión de mamíferos bípedos terrestres. Pero ese lugar existió primero como idea en nuestras mentes. Una idea cuya semilla puede encontrarse en un libro.

Isaac Newton publicó su obra maestra en el año de su 45° cumpleaños, en 1687. El libro vio la luz del día gracias a Edmund Halley, el científico a quien se honra con el nombre del célebre cometa, quien asumió los costos de publicación luego de que la Real Sociedad de Londres para el Avance de la Ciencia Natural (la Royal Society) agotara su presupuesto en una obra más práctica: una carísima edición de La historia de los peces. En los tres volúmenes de Principia Mathematica, Newton sentó las leyes que rigen el movimiento de los objetos, desde las balas de cañón y las piezas de maquinaria hasta los planetas y las estrellas. Newton dedujo, a partir de observaciones, que todos los objetos experimentan una fuerza de atracción que es proporcional a su masa y decrece con el cuadrado de la distancia que los separa. A esto se conoce como la ley de gravitación universal.

Hace un par de años una primera edición de Principia fue subastada por US$3,6 millones. Pero es poco probable que Halley haya recuperado el dinero invertido. Al poco tiempo de la publicación de Principia, la Royal Society tuvo que comenzar a pagarle su salario con las copias no vendidas de La historia de los peces. Sin embargo, Principia marcó una revolución en la ciencia. Fue el inicio de una era en que las matemáticas se convirtieron en el lenguaje para describir los fenómenos físicos. Y usando las matemáticas se pueden explorar lugares que escapan a la percepción de los sentidos, como los agujeros negros.

Una estrella oscura

Aunque la ley de gravitación de Newton permite predecir eclipses, explicar las mareas y los movimientos de los planetas y sus lunas, el experimento para comprobar la atracción gravitacional entre dos masas solamente fue posible en 1797, 111 años después de la publicación de Principia. En una casa junto al que ahora es el parque municipal de Clapham Commons, en el sur de Londres, Henry Cavendish, el mismo que descubrió el hidrógeno, realizó el experimento con el que se midió por primera vez la constante de proporcionalidad en la ley de gravitación de Newton y además la masa del planeta Tierra. Las esferas de plomo que hacen parte de este experimento son de las que se burla Fernando Vallejo en el título de su insoportable libro Las bolas de Cavendish. Pero ese montaje no había sido idea de Cavendish sino del geólogo John Mitchell.

John Mitchell es uno de los científicos más injustamente olvidados en la historia. A partir de sus observaciones del trágico terremoto de Lisboa, en 1755, describió por primera vez los sismos como ondas generadas en las fallas geológicas. Escribió tratados sobre la producción de imanes artificiales para la orientación de los navegantes y fue la primera persona en estudiar la atracción gravitacional en grupos de estrellas. En una carta dirigida a Cavendish en 1783, describió cómo la atracción gravitacional de una estrella con suficiente masa podría atrapar la luz que esta emite, produciendo lo que él llamó una estrella oscura. Esa es la primera mención de lo que hoy conocemos como un agujero negro. Como la luz está atrapada gravitacionalmente “... no podemos obtener información distinta a la de los objetos que giran alrededor de ese cuerpo”, escribió Mitchell. Esa fue precisamente la idea detrás del Event Horizon Telescope: observar la materia que gira alrededor del agujero negro.

En 1796, tres años después de la muerte de Mitchell, en una Francia que se recuperaba de la sangrienta guerra civil que siguió a la Revolución, Pierre-Simon Laplace propuso en su libro Exposition du Système du Monde, la existencia de un objeto tan masivo que la velocidad de escape tendría que ser más grande que la velocidad de la luz (conocida desde 1676 gracias a los experimentos del danés Ole Rømer). Para escapar de la atracción gravitacional de la Tierra hace falta moverse a 11 kilómetros por segundo, cien veces más rápido que un avión comercial. Para escapar del Sol hace falta moverse a 617,5 kilómetros por segundo. Y para escapar del objeto que imaginaron Mitchell y Laplace hace falta moverse más rápido que la luz.

El martillo de Einstein

La idea de las estrellas oscuras permaneció en los márgenes de la física hasta comienzos del siglo XX, cuando Albert Einstein presentó una nueva idea sobre la gravedad en su teoría general de la relatividad. Y es que la gravitación universal de Newton no es perfecta. Tiene problemas prediciendo el comportamiento de la órbita de Mercurio (la precesión del perihelio) y, aunque predice que la luz de las estrellas se curva alrededor de un objeto masivo como el Sol, la pequeña variación calculada por el físico alemán Johann von Soldner en 1801 (0,84 segundo de arco, el tamaño de una mosca a veinte cuadras de distancia) no había sido observada.

En la relatividad general, Einstein describe la gravedad como una propiedad geométrica del espacio y el tiempo. Esa geometría depende de la materia y la radiación, una relación resumida en las ecuaciones del campo. Si esta idea le parece compleja, imagínese las penurias que tuvo que pasar sir Arthur Eddington cuando pidió el dinero para financiar una expedición a la isla Príncipe, en la costa occidental de África central, para comprobar si la relatividad general valía la pena; pero lo logró con éxito. La variación en la posición de las estrellas medidas por Eddington durante el eclipse de Sol de mayo 29 de 1919 coincidía con las predicciones de la relatividad general: eran el doble del valor newtoniano predicho por Soldner. Con esa validación experimental, la relatividad general se convirtió en el martillo para intentar ajustar los clavos sueltos en las ideas y observaciones del universo y revivió la idea de Mitchell de las estrellas oscuras.

Meses después de la publicación de El significado de la relatividad, sufriendo una terrible enfermedad autoinmune que había contraído en el frente oriental de la Primera Guerra Mundial y que terminaría apagando su vida apenas un año después, el físico alemán Karl Schwarzschild dio el primer martillazo que consolidó la idea de un agujero negro. Encontró la primera solución exacta a las ecuaciones de Einstein para un objeto esférico y definió lo que se conoce como el horizonte de eventos, el radio de Schwarzschild, el lugar del que nada, ni siquiera la luz, puede escapar; el borde del agujero negro que hoy es evidente en las observaciones del Telescopio del Horizonte de Eventos.

El término “agujero negro” se popularizó en la década de 1960, pero desde la solución de Schwarzschild este objeto matemático era el sujeto de investigación de muchos físicos teóricos. Entre ellos estaba Stephen Hawking, a quien debemos que esa idea, en principio muy abstracta pero discutida ampliamente en sus populares libros, ponga a soñar y a discutir a millones de personas alrededor del mundo. Sin embargo, encontrar un agujero negro en las observaciones del universo es un desafío mayúsculo.

Tras la pista de un agujero negro

En 1931, Karl Jansky, el padre de la astronomía en frecuencias de radio, descubrió una potente señal que provenía del centro de la Vía Láctea, en la dirección de la constelación de Sagitario. Pero fue en 1974 cuando, usando una combinación de telescopios del Observatorio Radio Astronómico Nacional de los Estados Unidos (NRAO), se descubrió que la fuente de la señal es un objeto compacto que sería bautizado como Sagittarius (Sgr) A*.

El movimiento de las estrellas alrededor de Sgr A*, particularmente de la estrella S2, ha sido monitoreado desde 1995 usando telescopios del Observatorio Austral Europeo (ESO), en Chile, en frecuencias de luz infrarroja. Hoy sabemos que la órbita de S2 (que toma 16 años en completar un ciclo) y de otras estrellas son consistentes con la presencia de un objeto de unos cuatro millones de veces la masa de nuestro Sol: el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, a 27.000 años luz de su casa. Pero no es el único.

Desde la década de 1970, los movimientos de las estrellas observadas en otras galaxias (exactamente su dispersión de velocidades) presagiaba la presencia de objetos muy masivos en sus núcleos. En 1978, esa dispersión se utilizó para estimar que un objeto de alrededor de 5.000 millones de veces la masa del Sol está confinado en el núcleo de la galaxia M87. M87 tiene un halo luminoso que cubre un área del firmamento tan grande como la Luna llena, pero no tiene brazos ni estructura en espiral como otras galaxias. Es una de las fuentes de ondas de radio más potentes en el cielo y al observar en esas frecuencias y en rayos X es evidente que despide poderosos chorros de materia desde su núcleo.

Ese lugar escondido en el núcleo de la galaxia M87 fue el primer objetivo del Telescopio del Horizonte de Eventos; esa fue la observación a la que se dedicaron más de 200 científicos de sesenta institutos en 18 países de seis continentes. Ese es el agujero negro supermasivo cuya imagen le dio la vuelta al mundo esta semana. Predecir su existencia, entender cómo se comporta y verlo constituye una catedral del trabajo científico. Las especulaciones sobre la aplicación de este descubrimiento dan rienda suelta a la imaginación, pero no dejan de ser como los sueños del Homo erectus al descubrir el fuego. Hemos visto uno de los lugares más extremos y misteriosos del universo. Como en la canción de la banda británica Muse: “... encendiste mi alma. Los glaciares se derriten en la tranquilidad de la noche y las estrellas son absorbidas por el agujero negro supermasivo”.

* Astrofísico colombiano del Instituto Max Planck en Heidelberg, Alemania.

Es fácil pensar en los agujeros negros como lugares terroríficos, zonas insaciables del universo que succionan todo a su alrededor. Yo prefiero pensar en ellos como el corazón de una madre, un lugar que no tiene fondo. Esta semana vimos por primera vez ese lugar. Un lugar que no podemos entender con la percepción con la que navegamos por las escalas de tiempo y espacio que llamamos vida cotidiana. Un lugar que parece escapar a nuestra comprensión de mamíferos bípedos terrestres. Pero ese lugar existió primero como idea en nuestras mentes. Una idea cuya semilla puede encontrarse en un libro.

Isaac Newton publicó su obra maestra en el año de su 45° cumpleaños, en 1687. El libro vio la luz del día gracias a Edmund Halley, el científico a quien se honra con el nombre del célebre cometa, quien asumió los costos de publicación luego de que la Real Sociedad de Londres para el Avance de la Ciencia Natural (la Royal Society) agotara su presupuesto en una obra más práctica: una carísima edición de La historia de los peces. En los tres volúmenes de Principia Mathematica, Newton sentó las leyes que rigen el movimiento de los objetos, desde las balas de cañón y las piezas de maquinaria hasta los planetas y las estrellas. Newton dedujo, a partir de observaciones, que todos los objetos experimentan una fuerza de atracción que es proporcional a su masa y decrece con el cuadrado de la distancia que los separa. A esto se conoce como la ley de gravitación universal.

Hace un par de años una primera edición de Principia fue subastada por US$3,6 millones. Pero es poco probable que Halley haya recuperado el dinero invertido. Al poco tiempo de la publicación de Principia, la Royal Society tuvo que comenzar a pagarle su salario con las copias no vendidas de La historia de los peces. Sin embargo, Principia marcó una revolución en la ciencia. Fue el inicio de una era en que las matemáticas se convirtieron en el lenguaje para describir los fenómenos físicos. Y usando las matemáticas se pueden explorar lugares que escapan a la percepción de los sentidos, como los agujeros negros.

Una estrella oscura

Aunque la ley de gravitación de Newton permite predecir eclipses, explicar las mareas y los movimientos de los planetas y sus lunas, el experimento para comprobar la atracción gravitacional entre dos masas solamente fue posible en 1797, 111 años después de la publicación de Principia. En una casa junto al que ahora es el parque municipal de Clapham Commons, en el sur de Londres, Henry Cavendish, el mismo que descubrió el hidrógeno, realizó el experimento con el que se midió por primera vez la constante de proporcionalidad en la ley de gravitación de Newton y además la masa del planeta Tierra. Las esferas de plomo que hacen parte de este experimento son de las que se burla Fernando Vallejo en el título de su insoportable libro Las bolas de Cavendish. Pero ese montaje no había sido idea de Cavendish sino del geólogo John Mitchell.

John Mitchell es uno de los científicos más injustamente olvidados en la historia. A partir de sus observaciones del trágico terremoto de Lisboa, en 1755, describió por primera vez los sismos como ondas generadas en las fallas geológicas. Escribió tratados sobre la producción de imanes artificiales para la orientación de los navegantes y fue la primera persona en estudiar la atracción gravitacional en grupos de estrellas. En una carta dirigida a Cavendish en 1783, describió cómo la atracción gravitacional de una estrella con suficiente masa podría atrapar la luz que esta emite, produciendo lo que él llamó una estrella oscura. Esa es la primera mención de lo que hoy conocemos como un agujero negro. Como la luz está atrapada gravitacionalmente “... no podemos obtener información distinta a la de los objetos que giran alrededor de ese cuerpo”, escribió Mitchell. Esa fue precisamente la idea detrás del Event Horizon Telescope: observar la materia que gira alrededor del agujero negro.

En 1796, tres años después de la muerte de Mitchell, en una Francia que se recuperaba de la sangrienta guerra civil que siguió a la Revolución, Pierre-Simon Laplace propuso en su libro Exposition du Système du Monde, la existencia de un objeto tan masivo que la velocidad de escape tendría que ser más grande que la velocidad de la luz (conocida desde 1676 gracias a los experimentos del danés Ole Rømer). Para escapar de la atracción gravitacional de la Tierra hace falta moverse a 11 kilómetros por segundo, cien veces más rápido que un avión comercial. Para escapar del Sol hace falta moverse a 617,5 kilómetros por segundo. Y para escapar del objeto que imaginaron Mitchell y Laplace hace falta moverse más rápido que la luz.

El martillo de Einstein

La idea de las estrellas oscuras permaneció en los márgenes de la física hasta comienzos del siglo XX, cuando Albert Einstein presentó una nueva idea sobre la gravedad en su teoría general de la relatividad. Y es que la gravitación universal de Newton no es perfecta. Tiene problemas prediciendo el comportamiento de la órbita de Mercurio (la precesión del perihelio) y, aunque predice que la luz de las estrellas se curva alrededor de un objeto masivo como el Sol, la pequeña variación calculada por el físico alemán Johann von Soldner en 1801 (0,84 segundo de arco, el tamaño de una mosca a veinte cuadras de distancia) no había sido observada.

En la relatividad general, Einstein describe la gravedad como una propiedad geométrica del espacio y el tiempo. Esa geometría depende de la materia y la radiación, una relación resumida en las ecuaciones del campo. Si esta idea le parece compleja, imagínese las penurias que tuvo que pasar sir Arthur Eddington cuando pidió el dinero para financiar una expedición a la isla Príncipe, en la costa occidental de África central, para comprobar si la relatividad general valía la pena; pero lo logró con éxito. La variación en la posición de las estrellas medidas por Eddington durante el eclipse de Sol de mayo 29 de 1919 coincidía con las predicciones de la relatividad general: eran el doble del valor newtoniano predicho por Soldner. Con esa validación experimental, la relatividad general se convirtió en el martillo para intentar ajustar los clavos sueltos en las ideas y observaciones del universo y revivió la idea de Mitchell de las estrellas oscuras.

Meses después de la publicación de El significado de la relatividad, sufriendo una terrible enfermedad autoinmune que había contraído en el frente oriental de la Primera Guerra Mundial y que terminaría apagando su vida apenas un año después, el físico alemán Karl Schwarzschild dio el primer martillazo que consolidó la idea de un agujero negro. Encontró la primera solución exacta a las ecuaciones de Einstein para un objeto esférico y definió lo que se conoce como el horizonte de eventos, el radio de Schwarzschild, el lugar del que nada, ni siquiera la luz, puede escapar; el borde del agujero negro que hoy es evidente en las observaciones del Telescopio del Horizonte de Eventos.

El término “agujero negro” se popularizó en la década de 1960, pero desde la solución de Schwarzschild este objeto matemático era el sujeto de investigación de muchos físicos teóricos. Entre ellos estaba Stephen Hawking, a quien debemos que esa idea, en principio muy abstracta pero discutida ampliamente en sus populares libros, ponga a soñar y a discutir a millones de personas alrededor del mundo. Sin embargo, encontrar un agujero negro en las observaciones del universo es un desafío mayúsculo.

Tras la pista de un agujero negro

En 1931, Karl Jansky, el padre de la astronomía en frecuencias de radio, descubrió una potente señal que provenía del centro de la Vía Láctea, en la dirección de la constelación de Sagitario. Pero fue en 1974 cuando, usando una combinación de telescopios del Observatorio Radio Astronómico Nacional de los Estados Unidos (NRAO), se descubrió que la fuente de la señal es un objeto compacto que sería bautizado como Sagittarius (Sgr) A*.

El movimiento de las estrellas alrededor de Sgr A*, particularmente de la estrella S2, ha sido monitoreado desde 1995 usando telescopios del Observatorio Austral Europeo (ESO), en Chile, en frecuencias de luz infrarroja. Hoy sabemos que la órbita de S2 (que toma 16 años en completar un ciclo) y de otras estrellas son consistentes con la presencia de un objeto de unos cuatro millones de veces la masa de nuestro Sol: el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, a 27.000 años luz de su casa. Pero no es el único.

Desde la década de 1970, los movimientos de las estrellas observadas en otras galaxias (exactamente su dispersión de velocidades) presagiaba la presencia de objetos muy masivos en sus núcleos. En 1978, esa dispersión se utilizó para estimar que un objeto de alrededor de 5.000 millones de veces la masa del Sol está confinado en el núcleo de la galaxia M87. M87 tiene un halo luminoso que cubre un área del firmamento tan grande como la Luna llena, pero no tiene brazos ni estructura en espiral como otras galaxias. Es una de las fuentes de ondas de radio más potentes en el cielo y al observar en esas frecuencias y en rayos X es evidente que despide poderosos chorros de materia desde su núcleo.

Ese lugar escondido en el núcleo de la galaxia M87 fue el primer objetivo del Telescopio del Horizonte de Eventos; esa fue la observación a la que se dedicaron más de 200 científicos de sesenta institutos en 18 países de seis continentes. Ese es el agujero negro supermasivo cuya imagen le dio la vuelta al mundo esta semana. Predecir su existencia, entender cómo se comporta y verlo constituye una catedral del trabajo científico. Las especulaciones sobre la aplicación de este descubrimiento dan rienda suelta a la imaginación, pero no dejan de ser como los sueños del Homo erectus al descubrir el fuego. Hemos visto uno de los lugares más extremos y misteriosos del universo. Como en la canción de la banda británica Muse: “... encendiste mi alma. Los glaciares se derriten en la tranquilidad de la noche y las estrellas son absorbidas por el agujero negro supermasivo”.

* Astrofísico colombiano del Instituto Max Planck en Heidelberg, Alemania.