Geodesia de agujeros negros

La detección de ondas gravitacionales desde el espacio puede ayudarnos a entender la estructura de los agujeros negros y la propia naturaleza de la gravedad.

El observatorio de ondas gravitacionales LISA constará de tres naves espaciales que formarán un triángulo equilátero y describirán una órbita alrededor del Sol siguiendo a la Tierra. [NASA/JPL-CALTECH/ESA/CXC/STSCI/GSFC/SVS/SIMON BARKE, CC BY 4.0]

En síntesis

Los sistemas en caída espiral con razón de masa extrema, o EMRI, están formados por un agujero negro de masa estelar que orbita en torno a un agujero supermasivo como el que ocupa el centro de la Vía Láctea.

La misión LISA de la Agencia Espacial Europea detectará desde el espacio las ondas gravitacionales emitidas por esos sistemas, lo que permitirá aplicar técnicas geodésicas al estudio de los agujeros negros.

Esas observaciones permitirán poner a prueba la geometría de los agujeros negros y comprobar si se ajusta a la que predice la relatividad general, así como constreñir otras teorías gravitatorias alternativas.

La geodesia es una disciplina de larga tradición que busca entender mejor nuestro planeta. Según el diccionario de la Real Academia Española, es la «ciencia matemática que tiene por objeto determinar la figura y magnitud del globo terrestre, o de gran parte de él, y construir los mapas correspondientes». Por analogía con la geodesia, en los últimos tiempos ha surgido una nueva ciencia dedicada al estudio y la caracterización de la geometría de los agujeros negros que pensamos que pueblan el cosmos. (En inglés, este nuevo campo ha recibido nombres como bothrodesy o holiodesy, derivados del griego bothros, «fosa», y del inglés hole, «agujero», respectivamente.) Y digo «pensamos» porque los agujeros negros, en esencia, son una consecuencia matemática de la relatividad general. Cada vez conocemos más objetos en el cosmos que parecen agujeros negros como los que describe la teoría, pero aún no tenemos pruebas suficientes para asegurar que lo sean, aunque se trate de la explicación más probable [véase «Ecos desde el horizonte», por Pablo Bueno y Pablo A. Cano; Investigación y Ciencia, junio de 2019].

En particular, tenemos bastantes indicios de que cada galaxia hospeda en su centro un agujero negro supermasivo. El candidato a agujero negro mejor estudiado sería justo uno de ellos: Sgr A*, un objeto situado en el centro de la Vía Láctea que concentra más de cuatro millones de masas solares en una región unas decenas de veces más ancha que nuestra estrella. La combinación de telescopios en la banda de ondas de radio está aportando cada vez más pruebas de que Sgr A* es un agujero negro, aunque todavía no podemos descartar del todo que se trate de un objeto muy exótico cuya composición trascienda nuestros conocimientos actuales. Para entender la importancia de esas observaciones, baste mencionar que los astrofísicos Andrea Ghez y Gerhard Geinzel recibieron por ellas el premio Nobel de física de 2020 (compartido con el físico matemático Roger Penrose, quien fue galardonado por sus estudios teóricos sobre los agujeros negros).

Intentar trasladar las técnicas de la geodesia al estudio de los agujeros negros es una forma original y prometedora de entender mejor estos objetos. Y no solo para confirmar su existencia y sus principales propiedades, sino también para comprobar si la relatividad general sobrevive a una de sus predicciones más radicales (la otra sería la gran explosión) o, por el contrario, precisamos una teoría alternativa, quizás una que incluya aspectos de la física cuántica. De hecho, el elemento fundamental que necesitamos para la geodesia de agujeros negros es otra de las principales predicciones de la relatividad general: las ondas gravitacionales, que pueden proporcionar información muy valiosa para entender los agujeros negros e incluso la propia gravedad.

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