Dos siglos de historia y avanzados instrumentos detrás del Nobel por los agujeros negros

El concepto de que pudieran existir en el cosmos objetos cuya gravedad en su superficie fuera tan intensa que ni siquiera la luz pudiera escapar de ellos data de finales del siglo XVIII. De distinta forma, el clérigo y prolífico científico John Mitchell en 1784 y el reputado matemático Pierre-Simon Laplace en 1796 se dieron cuenta que astros muy densos y suficientemente grandes podrían crear un campo gravitatorio en su superficie para el que la velocidad de escape (la mínima que debe poseer cualquier objeto para salir de ese campo) superaría la velocidad de la luz, que tampoco podría escapar. Estos cuerpos serían verdaderamente negros. 

Durante el siglo XX aquellas consideraciones matemáticas encontraron acomodo en la relatividad general de Einstein, teoría que describe los campos gravitatorios como distorsiones en el espacio-tiempo. Dentro de ella, Karl Schwarzschild ya formuló en 1916 un modelo que describe un agujero negro que no gira. 

Pero fue Roger Penrose, uno de los tres ganadores del Premio Nobel de Física 2020, quien en 1956 mostró que los agujeros negros son una consecuencia directa de la relatividad general, como resultado del colapso gravitatorio de objetos masivos. Penrose mostró que bajo condiciones muy generales se forman ‘superficies atrapadas’ en el colapso gravitatorio, de las que nada puede escapar. 

Las evidencias observacionales de la existencia de agujeros negros crecieron en la segunda mitad del siglo XX. La existencia de los cuásares, generadores de enormes cantidades de energía a partir de la caída de material sobre agujeros negros gigantes, ha sido uno de los pilares sobre la que se ha asentado la evidencia de la existencia de agujeros negros. 

En 2019, el proyecto Event Horizon Telescope consiguió obtener la primera imagen de un agujero negro gigante en el centro de la galaxia M87, en el que se ve exactamente la sombra del agujero negro de 6500 millones de veces la masa del Sol. 

Las estrellas guiaron a Genzel y Ghez hacia Sgr A*

Por su parte, el trabajo de los grupos de los otros dos galardonados, Reinhard Genzel (MPE – Alemania) y Andrea Ghez (UCLA – USA), se ha centrado en ver de cerca y en detalle como es el espacio tiempo alrededor del agujero negro de 4 millones de soles (conocido como Sagitario A* o Sgr A*) que hay en el centro de nuestra galaxia, la Via Láctea. 

De hecho, el Premio Nobel de Física de este año se les concede por el descubrimiento de que Sgr A* es un agujero negro, algo que consiguieron demostrar trazando durante años las órbitas de estrellas a su alrededor. 

Partes centrales de nuestra galaxia, la Vía Láctea, observadas en el infrarrojo cercano con el instrumento NACO del Very Large Telescope. Siguiendo los movimientos de las estrellas más cercanas al centro durante más de 16 años, los astrónomos fueron capaces de determinar la masa del agujero negro súpermasivo que yace en su interior. / ESO/S. Gillessen et al.

Una de ellas, prosaicamente llamada estrella S2, completa su órbita cada 16 años, y alcanza en su punto de máximo acercamiento a este agujero negro (la última ocasión en mayo de 2018) un 3 % de la velocidad de la luz. Sgr A* constituye un laboratorio de ensueño para verificar las predicciones de la relatividad general en las proximidades de un agujero negro gigante.   

Los desafíos que han afrontado estos equipos para conseguir estas mediadas son extraordinarios. En la ESO (Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Austral) llevamos 30 años colaborando y dando apoyo al equipo de Genzel. 

Sortear el emborronamiento de nuestra atmósfera

Las observaciones que ha realizado sobre Sgr A* se han hecho en los telescopios de la ESO en Chile, primero en el New Technology Telescope (NTT) en La Silla, y en los últimos 20 años en el Very Large Telescope (VLT) y su interferómetro (VLTI) en Paranal. El principal reto para conseguir medir la posición y velocidad de las estrellas que, como S2, orbitan alrededor de Sgr A* es evitar el emborronamiento que causa la atmósfera terrestre. 

En este contexto, el equipo de Genzel desarrolló una cámara Speckle para el NTT que se usó para rastrear la posición de estas estrellas. Más tarde, los instrumentos NACO y SINFONI se apoyaron en la técnica conocida como óptica adaptativa (también usada en oftalmología y en imagen de tejidos celulares) para corregir los efectos indeseados de la turbulencia atmosférica en tiempo real y medir con precisión las velocidades de estas estrellas cerca de Sgr A*.

La última maravilla tecnológica desarrollada por el equipo de Genzel, junto con otros centros como ESO, se llama GRAVITY, un instrumento que combina interferométricamente la luz de los cuatro telescopios de 8 metros de Paranal, cada uno de ellos utilizando óptica adaptativa. 

El profesor Reinhard Genzel (MPE Garching) en el Observatorio Paranal. / ESO

En la ESO se decidió que la observación de la estrella S2 en su época de máximo acercamiento a Sgr A* en 2018 con estos instrumentos era la principal prioridad científica. Hubo que desarrollar nuevos detectores, reducir en un factor 10 las vibraciones en la plataforma donde se asienta el VLTI, y reformar muchas infraestructuras en el observatorio de Paranal para facilitar estas observaciones, que tuvieron prioridad absoluta. 

El retorno científico estuvo a la altura del esfuerzo realizado: el equipo de Genzel no solo contribuyó al descubrimiento del agujero negro gigante Sgr A*, sino que consiguió medir cuantitativamente dos predicciones de la teoría de la relatividad general: el desplazamiento al rojo gravitatorio en la velocidad de la estrella S2 y más recientemente que la órbita de S2 gira o ‘precesa’.  Son importantes trofeos científicos para un tema, los agujeros negros, que continúa cautivando la atención de todos. 

Roger Penrose y Andrea Ghez. / Sinc/Fundación MacArthur