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6 de Octubre de 2020

Premio Nobel de física para las investigaciones sobre agujeros negros

Roger Penrose recibe la mitad del galardón por sus predicciones teóricas sobre la formación de estos objetos; Reinhard Genzel y Andrea Ghez, por el descubrimiento del agujero negro supermasivo de la Vía Láctea.

Roger Penrose, Reinhard Genzel y Andrea Ghez [Ill. Niklas Elmehed/Nobel Media]

El premio Nobel de física de 2020 ha recompensado las investigaciones sobre el que probablemente sea uno de los conceptos científicos más asentados en la cultura popular: el de agujero negro. 

Claves en la comprensión moderna de la gravedad y del universo, la mitad del galardón de este año ha sido para Roger Penrose, físico matemático de la Universidad de Oxford, por demostrar en 1965 que la formación de agujeros negros constituye una predicción robusta de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

La otra mitad ha ido a parar a Reinhard Genzel, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre de Garching y la Universidad de California en Berkeley, y Andrea Ghez, de la Universidad de California en Los Ángeles, por liderar las observaciones que en los años noventa llevaron al descubrimiento de Sagitario A*, el agujero negro supermasivo que ocupa el centro de la Vía Láctea. Tras Marie Curie (1903), Maria Goeppert Mayer (1963) y Donna Strickland (2018), Ghez es la cuarta mujer que recibe el premio Nobel de física desde que existen estos galardones.

El premio de la Academia Sueca consagra así dos líneas de investigación muy distintas —la puramente matemática y la observacional— que, sin embargo, han servido para dar forma a una de las ideas más fecundas tanto en el estudio teórico de la gravedad como en sus implicaciones astrofísicas y cosmológicas.

Los agujeros negros son regiones del espaciotiempo en las que el campo gravitatorio es tan intenso que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. La frontera más allá de la cual resulta imposible dar la vuelta atrás recibe el nombre de horizonte de sucesos. Su interior (o su futuro, en un sentido técnico más preciso) esconde una singularidad, un punto donde la curvatura del espaciotiempo se hace formalmente infinita y donde las leyes físicas tal y como las conocemos pierden su validez.

El primer indicio de la existencia de agujeros negros llegó en 1915, muy poco después de que Albert Einstein presentase al mundo su teoría de la relatividad general. Aquel año, el astrónomo alemán Karl Schwarzschild halló la solución que hoy lleva su nombre y que, más tarde, se demostraría que describe el agujero negro más sencillo posible. No obstante, las propiedades matemáticas de la solución de Schwarzschild resultaron ser tan complicadas que un conocimiento profundo no llegó hasta los años sesenta. De hecho, durante décadas los físicos no estuvieron seguros de si los agujeros negros realmente podían llegar a formarse o si, por el contrario, no eran más que una excentricidad matemática de la teoría de Einstein sin verdadero sentido físico.

Una de las claves que contribuyeron a despejar aquellas dudas fue el trabajo de Roger Penrose ahora premiado por la Academia Sueca. En 1965, el hoy casi nonagenario físico demostró que la formación de agujeros negros era una consecuencia más bien genérica del proceso de colapso gravitatorio según quedaba descrito por las ecuaciones de Einstein. Su resultado, conocido en jerga técnica como «teorema sobre singularidades», es considerado desde entonces una de las piedras angulares de la relatividad general y ha dado lugar a innumerables avances teóricos en el campo. Poco después, Penrose y Stephen Hawking ampliaron su dominio a las llamadas «singularidades cosmológicas», lo que acabaría suponiendo una contribución clave al estudio matemático de la evolución del universo como un todo.

Las investigaciones de Penrose sobre la naturaleza matemática de las singularidades se vieron en parte motivadas por los indicios observacionales que, a principios de los años sesenta, apuntaban a que las emisiones de alta energía de los cuásares (fuentes de luz distantes y muy luminosas) podían estar causadas por objetos muy compactos con masas comprendidas entre millones y cientos de millones de masas solares. Hoy sabemos que tales objetos son de hecho agujeros negros; que su presencia es común en el centro de las galaxias, y que uno de ellos ocupa el centro de nuestra propia Vía Láctea.

La existencia de ese objeto, conocido como Sagitario A*, pudo inferirse gracias a los trabajos de los otros dos premiados, Reinhard Genzel y Andrea Ghez. En los años noventa, estos investigadores lideraron de manera independiente sendas campañas observacionales para estudiar el centro galáctico, un objetivo extraordinariamente complejo debido a las densas nubes de polvo que ocultan su vista desde la Tierra.

Tras desarrollar y mejorar toda una serie de técnicas, ambos grupos consiguieron cartografiar el movimiento de varias de las estrellas en el núcleo de la Vía Láctea. Una de ellas en particular, conocida como S2 o S-02, completaba una vuelta en torno al centro de la galaxia cada 16 años. Tales resultados solo podían explicarse a partir de la atracción gravitatoria de un astro compacto de cuatro millones de masas solares que, como tal, debía tratarse de un agujero negro.

La importancia de los agujeros negros en la comprensión teórica de la gravedad, en astrofísica y en cosmología es difícil de sobreestimar. Aunque acompañan a la relatividad general casi desde su nacimiento, el conocimiento de estos objetos se ha visto empañado durante décadas debido a las grandes dificultades tanto conceptuales como observacionales que implica su estudio. El Nobel de este año reconoce así dos merecidos logros en un campo que, en los últimos años, ha experimentado grandes avances gracias a la detección de ondas gravitacionales y a proyectos internacionales como el Telescopio del Horizonte de Sucesos, que el año pasado logró la primera imagen directa de uno de estos astros.

Penrose y Genzel han explicado su trabajo en las páginas de Investigación y Ciencia. Con motivo de la concesión del premio, los artículos «La naturaleza del espacio y el tiempo» [Stephen Hawking y Roger Penrose, septiembre de 1996] y «¿Qué está ocurriendo en el centro de nuestra galaxia?» [Charles H. Townes y Reinhard Genzel, junio de 1990] podrán descargarse de manera gratuita durante el mes de octubre.

Ernesto Lozano Tellechea

Más información en la página web de la Fundación Nobel: nota de prensa, información básica y material avanzado.

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