El futuro está en el centro

Este año, el Premio Nobel de Física ha sido otorgado de manera compartida a tres científicos que contribuyeron enormemente a lo que sabemos sobre los objetos más enigmáticos del mundo natural, los agujeros negros. Una mitad del premio es para Roger Penrose, por un trabajo crucial publicado en enero de 1965 (un mes antes de mi nacimiento). La otra mitad la comparten Reinhard Genzel y Andrea Ghez, líderes de equipos de astronomía en Alemania y en Estado Unidos, respectivamente, que han escudriñado el centro de la Vía Láctea con telescopios gigantes para estudiar el agujero negro que allí se encuentra.

Roger Penrose es un matemático y físico genial, uno de los más brillantes del siglo XX, y a sus 89 años debe estar súper contento. El tipo de agujero negro que Penrose estudió en su famoso paper de 1965 había sido descubierto por Schwarzchild inmediatamente después de que Einstein publicara su teoría de la gravedad, la Relatividad General. La solución de Schwarzchild parecía al principio una curiosidad matemática, y de hecho las singularidades que presentaba hacían sospechar que había algo que no se entendía, y hasta se llegó a sugerir que la Relatividad General estaba directamente mal. Esas singularidades eran valores infinitos físicamente imposibles, y si bien una de ellas fue removida en los años 20 (no era una singularidad física, sino que dependía del sistema de coordenadas), la otra se resistía a irse. 

Llevó décadas hasta que en los años post Segunda Guerra Mundial los físicos se interesaron en la posibilidad de que los agujeros negros realmente existieran en la naturaleza, por colapso gravitatorio de estrellas masivas. Se formaron bandos, como suele ocurrir, integrados por quienes sostenían que la implosión de una estrella producía una singularidad, y quienes decían que no. Estos bandos no estaban fundados en opiniones ni ideología, por supuesto, sino en cálculos matemáticos. Pero la Relatividad General es complicada (es no lineal), y los cálculos requieren aproximaciones que, así como convencían a unos, dejaban escépticos a otros. Esto, sumado a las dificultades conceptuales que incluso hasta hoy en día tiene la naturaleza del espacio-tiempo. Por ejemplo: visto desde afuera el colapso de la estrella queda como congelado antes de llegar al centro, pero parados en la estrella se colapsa hasta el centro sin problema (¿qué tul? más sobre esto otro día). En este contexto Penrose demostró que, si la gravedad está correctamente descripta por Einstein, las condiciones de la estrella en implosión eran irrelevantes y se formaba necesariamente un agujero negro, con su horizonte de eventos y su singularidad en el medio. En la justificación del premio dicen que es "una predicción robusta", pero es más: es inevitable. El paper es cortito, y es un teorema en el sentido matemático, sin aproximaciones ni nada. Usó técnicas novedosas, y la conclusión más fácil de describir en palabras es que, dentro del horizonte, todas las trayectorias apuntan hacia el centro. Esto es tremendo. Si estás adentro, ¡no podés salir, porque todas tus trayectorias posibles apuntan hacia el centro! Esto es, por supuesto, lo que le da al agujero su negrura: la luz no puede salir, porque necesariamente tiene que viajar hacia el centro. Alejarse del centro es tan imposible como viajar al pasado. ¿Por qué? Porque dentro del horizonte de eventos, el futuro está en el centro, donde apuntan todas las trayectorias.

Penrose publicó muchos más resultados sobre los agujeros negros. Demostró que no hay singularidades desnudas, sino que siempre están envueltas en estos horizontes de eventos. Inspiró a Stephen Hawking en sus años de estudiante, y juntos demostraron que la singularidad también existía a escala cosmológica: el Big Bang es inevitable en un universo gobernado por la gravedad de Einstein (estoy segurísimo de que el premio hubiera sido compartido con Hawking si no hubiese fallecido). También demostró que si el agujero negro rota (la métrica de Kerr), la rotación acumula energía en el espacio-tiempo afuera del horizonte. Y por estar afuera, esa energía puede salir, puede hacer trabajo, y puede explicar la intensa radiación de los misteriosos quasars que se estaban descubriendo en esos años. Además, inventó un embaldosado aperiódico que es una preciosidad, y que tiene cierta relevancia astronómica así que ya aparecerá por acá. Penrose, como muchos genios, es un personaje controversial, y tiene ideas sobre la conciencia, sobre la inteligencia artificial, sobre la mecánica cuántica, que nos han hecho pensar y nos han dejado un poco incrédulos. Pero el premio por los agujeros negros, merecidísimo.

Afuera del horizonte no ocurre lo mismo que adentro: se puede estar en órbita de un agujero negro, sin ningún problema, porque las trayectorias pueden apuntar "de costado" (como la línea de rayas de la figura de arriba). Puede haber gas y polvo en órbita, restos de la materia que formaba la estrella que colapsó, por ejemplo. Y también puede haber estrellas en órbita. Cuando en la década de 1990 se empezó a sospechar que las galaxias albergaban en sus centros agujeros negros gigantes (como es el caso de M87, que vimos fotografiado el año pasado), Reinhard Genzel y Andrea Ghez usaron los telescopios más grandes del mundo para empezar a observar sistemáticamente el movimiento de las estrellas que se acumulan en el centro de la Vía Láctea. Nuestro Sol tarda 250 millones de años en completar una órbita, pero las estrellas cercanas al centro se mueven mucho más rápido, así como Mercurio se mueve en su órbita más rápido que la Tierra. En apenas 16 años lograron observar una de esas estrellas completar una órbita, la de la imagen. Contado así parece fácil, pero lo que lograron es extraordinariamente difícil. Esto permitió calcular la masa del objeto central, que resultó ser millones de veces más pesado que el Sol. Pero en el foco de esa elipse orbital no se ve nada. No hay una estrella superpesada: hay solamente oscuridad, ondas de radio (la fuente Sagitario A*), y millones de masas solares, en un espacio mucho más pequeño que el sistema solar. El comité Nobel dice que se trata de "un objeto compacto supermasivo". Dejame de embromar: es un agujero negro. Bien por Genzel, Ghenz (que no había nacido cuando Penrose publicó su paper) y sus equipos del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (usando el Very Large Telescope) y de la Universidad de California Los Angeles (usando el telescopio Keck).

Si estas cosas te parecen irrelevantes, pensá que sin la Relatividad General el GPS de tu celu no funcionaría y no habrías podido llegar a ese bar para tomarte una cerveza con tus amigos, ni el wifi de tu casa existiría si un astrónomo no lo hubiera inventado para buscar agujeros negros. Además de ayudarnos a entender cómo cuernos funciona el universo en el que vivimos, claro.

---

Al que le interese el tema de los agujeros negros, le va a gustar el libro de Kip Thorne (premio Nobel 2017): Black holes and time warps, en español Agujeros negros y tiempo curvo. Es uno de los mejores libros de divulgación que he leído jamás.

Hay una muy linda nota sobre Andrea Ghez en Scientific American, aquí. Y tampoco se pierdan su energética charla TED. Ghez tenía ¡30 años! cuando empezó a hacer esto, lo cual incluyó convencer a sus colegas más senior, algo no siempre fácil de hacer.

La figura del futuro apuntando hacia el centro la hice yo. Es muy loco lo que pasa en el horizonte de eventos: se intercambian el espacio y el tiempo. En el espacio puedo ir y venir, mientras que en el tiempo sólo puedo ir. Pero no quiero hacer esta nota demasiado larga. Ah, en castellano hay gente que dice "horizonte de sucesos". Están disculpados.

La foto del trío premiado es de la BBC. La foto de Penrose parado sobre el embaldosado de Penrose es de Solarflare100, en Wikipedia.

El paper de Penrose es: Gravitational collapse and space-time singularities, Physical Review Letters 14:57-59 (1965). De aquí tomé la imagen del colapso gravitacional.

El artículo divulgativo del premio está aquí. Para los interesados en algo más técnico hay también un lindo documento aquí. De éste tomé la imagen de la órbita de la estrella S2.