Agujeros negros: donde la realidad supera a la ficción

Los astrónomos han descubierto una estrella, que se muestra en una versión del artista, que parece estar orbitando alrededor de un agujero negro invisible con aproximadamente cuatro veces la masa del sol. Crédito de la imagen: L. Calçada / ESO Por Marcelo Gleiser, para npr.com Enero 17 de 2018 La semana pasada, la serie Nova de PBS presentó un episodio sobre los agujeros negros, estos objetos físicos más misteriosos y alucinantes. Organizado por la astrofísica Janna Levin de Barnard College en Nueva York, el episodio fue realmente fantástico. Ciencia muy clara e impresionantes gráficos. Levin fue amable y divertido, el tipo de maestro benevolente que desea para sus hijos. El texto fue ajustado, con la narración siguiendo de cerca las citas de los muchos invitados. Y la ciencia, por supuesto, fue increíble. Como dijo Levin, los agujeros negros son lugares donde la realidad supera a la ficción. Manos abajo. Vaya a un salón de clases de la escuela primaria y mencione los agujeros negros. Los ojos se iluminarán, una mezcla de asombro y miedo. Para un niño, la imagen de un agujero en el espacio que se traga todo lo que se acerca es bastante impresionante. "Un lugar para despedir a tus peores enemigos", bromeo cuando los doy. Que la gravedad por sí sola pueda hacer eso, crear un pedazo de espacio que sea tan curvado que se cierre sobre sí mismo, claramente lo convierte en la más extraña de las cuatro fuerzas que conocemos. Todos sabemos que la gravedad es lo que hace que las cosas caigan. Nunca descansa. El otro día, mi hijo de 6 años me preguntó si la gravedad espacial es cero. Antes de que pudiera abrir la boca para responder, mi hijo de 11 años saltó: "¡Por supuesto que no! Siempre hay algo de gravedad, a menos que te muevas infinitamente lejos de un objeto, lo cual es imposible". Tocar el asunto exacto. Todo está conectado, todo atrae a todo lo demás. A menos que, a menos que estés en caída libre. Cuando te caes, no sientes tu propio peso y las cosas funcionan como si la gravedad no existiera para ti. Esta es una idea extraña, pero si recuerdas lo que sucede cuando un elevador rápido desciende (te sientes más ligero cuanto más rápido baja el elevador, es decir, la gravedad te parece más débil), sabes que tiene sentido. Albert Einstein se dio cuenta de esto en algún momento entre 1905 y 1910, cuando estaba tratando de ampliar su teoría de la relatividad a los objetos que podrían acelerar. Su teoría original, el especial, solo considera objetos moviéndose a velocidades constantes. Cuando Einstein vio el vínculo entre la gravedad y la aceleración, quedó atónito. Pero tiene sentido. Si sube un elevador, se siente más pesado cuanto más rápido sube el elevador. La gravedad y la aceleración están profundamente relacionadas. (Mi co-blogger Adam Frank exploró la gravedad y los ascensores aquí hace algún tiempo). La Teoría de la Relatividad General de Einstein se convirtió en una nueva teoría de la gravedad, reemplazando a la de Issac Newton. No es que la teoría de Newton fuera incorrecta, ni mucho menos. Lo usamos todo el tiempo, incluso cuando enviamos cohetes al espacio exterior. Pero Einstein funciona mejor en gravedad fuerte. En ciencia, "funciona mejor" significa que da mejores resultados, más cerca de las observaciones. Y lo hace al hacer un salto conceptual increíble: que la gravedad se puede interpretar como la curvatura del espacio alrededor de un objeto; cuanto más masivo es el objeto, más curvado es el espacio a su alrededor. Entonces, cerca de una estrella, el espacio es más curvo que cerca de ti. Además, no es solo espacio; el tiempo se ve afectado, también, marcando más lento cuanto más fuerte es la gravedad. Pregunta de prueba: si pudieras poner un reloj en la superficie del sol, ¿marcaría más rápido o más lento que en la superficie de la Tierra? Si respondiste más lento, ¡estás en lo correcto! En los agujeros negros, este efecto se vuelve extremo. Alguien afuera en forma segura, viendo caer un reloj en el agujero vería que el tiempo pasa más y más lento y más lento. ¿Cómo es eso posible? Las estrellas son como criaturas vivientes, ya que también tienen un ciclo de vida: nacen (en regiones que llamamos viveros estelares, enormes nubes de gas en el espacio exterior), viven dramáticamente, fusionando hidrógeno en helio durante un largo tiempo hasta que "mueren". , "cuando se quedan sin hidrógeno. Sin la energía liberada de la fusión nuclear para equilibrar la implosión de la presión de la gravedad, la estrella se colapsa sobre sí misma, liberando una gran cantidad de energía en el proceso. Las estrellas grandes, al menos ocho veces más masivas que el sol, se convierten en supernovas. Su núcleo, lo que queda después de la explosión, es lo que podría convertirse en un agujero negro. Hay dos posibilidades: Aproximadamente, las estrellas con masas entre ocho y 20 veces la del sol se convierten en lo que se llama una estrella de neutrones, una estrella hecha de neutrones, las partículas que comparten el núcleo atómico con protones. ¿Por qué? Bueno, en el frenesí del colapso, a medida que la gravedad se vuelve más y más apretada, los protones y los electrones se comprimen tanto que esencialmente se fusionan en neutrones. (El nombre sofisticado de este proceso es la desintegración beta inversa.) Estos neutrones pueden apretarse mucho y aún resistir la presión de la gravedad: ¡una estrella de neutrones típica puede tener la masa del sol y el tamaño de una montaña! Pero si el núcleo estelar es demasiado pesado, los neutrones no pueden detener la gravedad. Los neutrones en el núcleo seguirán siendo apretados, y la gravedad se volverá cada vez más fuerte. Sin frenos, el proceso continúa hasta que la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar de su vecindario, y nace un agujero negro. Los agujeros negros vienen en diferentes tamaños, un punto bien explicado en el episodio de Nova. Incluso los más pequeños podrían, al menos en principio, crearse en la Tierra, en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra, donde se descubrió la partícula del bosón de Higgs en 2012. Pero no se preocupen, estos pequeños individuos son inofensivos, evaporándose lejos en una fracción de segundo; ellos no crecerán para tragar la Tierra. Los grandes son los que causan estragos en el cosmos. Ahora sabemos que existen, algo que a Einstein no le gustó. Para él, un objeto que, en su centro, tenía una "singularidad", un punto en el espacio donde la gravedad se vuelve infinitamente fuerte y las leyes de la naturaleza se descomponen, era simplemente inaceptable. Lo siento Einstein, pero los agujeros negros llegaron para quedarse. Ahora sabemos que en el corazón de casi todas las galaxias, hay un agujero negro gigante. En la nuestra, la Vía Láctea, hay un gigante de 4 millones de masas solares, capaz de tragar estrellas enteras. En Andrómeda, nuestra galaxia vecina, el agujero negro gigante en el centro tiene un estimado de 100 millones de masas solares. También hemos "visto" las ondas gravitacionales generadas cuando los agujeros negros colisionan entre sí, un descubrimiento celebrado con el premio Nobel el año pasado. Lo que sigue siendo un completo misterio es lo que hay dentro de ellos. Una vez que cruzamos el punto de no retorno (también conocido como el horizonte), las cosas cambian de una manera curiosa. En nuestra realidad, somos libres de movernos en el espacio, pero el tiempo solo avanza. Podemos controlar a dónde vamos, pero no cómo va el tiempo. Una vez dentro de un agujero negro, este papel se invierte un poco. Ahora, solo hay un lugar al que ir, el centro del hoyo, un camino de ida al olvido. Sin embargo, mientras nos sumergimos en el centro del agujero, podemos ver todo el tiempo a la vez, como en el magnífico cuento corto de Jorge Luis Borges, El Aleph. También es muy posible que no haya una singularidad real en el centro, sino otra cosa. Algunas teorías especulan que un agujero negro es realmente una especie de túnel hacia otro punto del universo (conocido como un puente de Einstein-Rosen, un túnel de metro) o incluso a otro universo. No lo sabemos Otra posibilidad es que un nuevo tipo de física entre en juego cuando la gravedad se vuelve demasiado intensa, y el concepto de singularidad es solo un vendaje temporal hasta que resolvamos las cosas. En cualquier caso, todavía tenemos mucho que aprender sobre la gravedad. Es irónico que esta fuerza más familiar también sea la más misteriosa para nosotros. Recuerda una de mis citas favoritas de Einstein, una que haríamos bien en recordar: "Lo que veo en la naturaleza es una magnífica estructura que solo podemos comprender de manera muy imperfecta, y que debe llenar a una persona pensante con un sentimiento de humildad". Marcelo Gleiser es físico y escritor teórico, y profesor de filosofía natural, física y astronomía en el Dartmouth College. Es el director del Instituto para el Compromiso Interdisciplinario en Dartmouth, cofundador de 13.7 y un promotor activo de la ciencia para el público en general. Su último libro es La belleza simple de lo inesperado: la búsqueda de un filósofo natural de la trucha y el significado de todo. Puede mantenerse al día con Marcelo en Facebook y Twitter: @mgleiser With a little help from Google Translate for Business