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12 marzo 2021

Stephen Hawking y la ciencia de los agujeros negros

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Fue el último físico cuyo singular perfil traspasó las barreras de la ciencia para llegar a convertirse, como Einstein, en icono de la cultura popular. Su imagen ha quedado vinculada al campo que captó el grueso de su trabajo, los agujeros negros. Los descubrimientos de Stephen Hawking (8 enero 1942–14 marzo 2018) proyectaron luz en la oscuridad de estos misteriosos objetos astronómicos, pero al mismo tiempo abrieron preguntas que continuarán dando trabajo a los científicos durante décadas.

En la mente del público, los agujeros negros se imaginan como inmensas aspiradoras cósmicas que absorben todo lo que encuentran en su camino, incluso la luz. Una idea evocadora, pero incorrecta: el agujero negro no es ni crea un vacío, sino todo lo contrario; atrae por efecto de la gravedad, al ser tan descomunal la densidad de su masa. Se entiende así que nada deberíamos temer si el Sol quedara sustituido por un agujero negro de su misma masa: aunque nuestro mundo fuera mucho más oscuro, los planetas continuarían orbitando sin inmutarse, precisamente porque la masa del agujero negro sería equivalente a la del Sol.

La existencia de los agujeros negros nace de la relatividad general publicada por Albert Einstein en 1915, y del trabajo posterior de Robert Oppenheimer, Karl Schwarzschild, Subrahmanyan Chandrasekhar y otros. El espacio y el tiempo forman un tejido que se curva con la masa, como una cama elástica. Un agujero negro es una bola tan pesada que tiene en su centro una singularidad, una región tan infinitamente densa que hunde la cama elástica sin fondo. Cualquier objeto que depositemos cerca tenderá a caer hacia la bola, por lo que el efecto gravitatorio del agujero negro se deja notar en su entorno. Así, los astrofísicos han podido identificar muchos de ellos al descubrirse objetos cósmicos orbitando en torno a una aparente nada; ese tirón gravitatorio revela la presencia de algo que por otra parte es del todo invisible.

 

Analogía de la deformación del espacio-tiempo causada por una masa planetaria. Crédito: Mysid

Estos agujeros negros suelen ser los llamados estelares; se originan tras la muerte de una estrella que ya no puede seguir compensando su enorme gravedad con el flujo que expulsa hacia el exterior, lo que comprime la materia que aún le queda hasta que colapsa formando un agujero negro, de un par de decenas de veces la masa del Sol. Estos son minúsculos en comparación con los que pueden acumular hasta millones de masas solares, los supermasivos que ocupan el centro de muchas galaxias. En el extremo opuesto, existen otros más diminutos que los estelares, microagujeros negros formados en el universo temprano.

El punto de no retorno

Con independencia de su tamaño, todos ellos están rodeados por una frontera invisible llamada horizonte de sucesos, el punto de no retorno más allá del cual nada puede escapar, ni siquiera la luz. Alrededor del horizonte las masas de polvo y gas se aceleran de tal modo por el gigantesco influjo de la gravedad que se calientan y brillan, emitiendo radiación y formando a veces un disco de acreción, el cual permite observar la sombra que el propio agujero negro proyecta sobre el anillo luminoso. Gracias a este efecto, la colaboración de radiotelescopios terrestres Event Horizon Telescope (EHT) logró el 10 de abril de 2019 ofrecer a la humanidad la primera imagen de un agujero negro, que ocupa el centro de la galaxia M87.

Los descubrimientos de Stephen Hawking proyectaron luz en la oscuridad de los agujeros negros, pero al mismo tiempo abrieron preguntas. Crédito: NASA

En 1974 un estudio de Hawking publicado en Nature sacudía la ciencia del momento al proponer que los agujeros negros no lo eran tanto, ni crecían sin cesar como hasta entonces asumían los físicos, incluido él mismo. Su genialidad consistió en combinar dos mundos tradicionalmente irreconciliables, la relatividad general —la gravedad einsteniana empleada para explicar la formación y evolución de los agujeros negros— y la mecánica cuántica, que describe la naturaleza del mundo subatómico. En sus trabajos anteriores Hawking había mostrado cómo la relatividad llevaba a la singularidad de un agujero negro, pero entonces era necesario abrir el baúl cuántico para explicar lo que allí ocurría.

Según explicaría Hawking en la versión de su teoría para el gran público —formalmente incorrecta en aras de una mejor comprensión, como explicó el físico Ethan Siegel—, la cuántica sugiere la continua creación de pares de partículas-antipartículas virtuales que se aniquilan mutuamente casi al instante. Pero si esto ocurre justo al borde del horizonte de sucesos de un agujero negro, puede resultar que la antipartícula con energía negativa caiga hacia el interior, robando energía del agujero negro, y que su pareja escape al espacio con idéntica energía positiva. Con el tiempo, esto llevaría a la evaporación total del agujero negro sin que nada de materia ni energía escapara de él; si bien, como precisaba Hawking en su estudio, “para un agujero negro de masa solar esto es mucho más largo que la edad del Universo”. En agujeros negros mucho más pequeños sería más rápido, culminando con una explosión final equivalente a “1 millón de bombas de hidrógeno de 1 Mton”, escribía.

La imagen simula la apariencia de un agujero negro donde la materia que cae se ha acumulado en una estructura delgada y caliente llamada disco de acreción. Crédito: Event Horizon Telescope Collaboration
La imagen simula la apariencia de un agujero negro donde la materia que cae se ha acumulado en una estructura delgada y caliente llamada disco de acreción. Crédito: Event Horizon Telescope Collaboration

La radiación de Hawking

La demostración de Hawking de que los agujeros negros pueden emitir radiación es “su resultado más importante”, apunta a OpenMind Juan Maldacena, físico del Institute for Advanced Study de Princeton que ha aportado grandes contribuciones en teoría de cuerdas y gravedad cuántica. Pero en su día esta radiación de Hawking abrió un auténtico cisma entre físicos relativistas y cuánticos, ya que los segundos encontraban un problema radical: si según la cuántica la información asociada a las partículas nunca se destruye, pero nada de materia ni energía escapa jamás del agujero negro, ¿cómo puede este simplemente desaparecer llevándose dicha información fuera de la existencia?

La radiación de Hawking está ampliamente admitida por la física actual, si bien es casi imposible llegar a medirla y por tanto verificarla: paradójicamente, la expulsan en mayor cantidad los agujeros negros más pequeños e indetectables, mientras que los grandes, aquellos que los astrofísicos pueden estudiar directamente, producen tan poca que es indistinguible. Pero, al menos, en el laboratorio se ha logrado recrear un fenómeno parecido: investigadores del Instituto de Tecnología de Israel Technion han generado análogos de minúsculos agujeros negros que funcionan con el sonido en lugar de la luz y en los que han conseguido demostrar algo similar a la radiación de Hawking. Estos experimentos han confirmado dos predicciones del físico: que la radiación es espontánea –se genera a partir del espacio vacío– y que es estacionaria –no cambia de intensidad con el tiempo.

El “pelo suave” de los agujeros negros

Pero por su parte, la llamada paradoja de la información ha permanecido como la más importante de las preguntas abiertas por el trabajo de Hawking, en opinión de Maldacena. Esta cuestión ha mantenido a los físicos ocupados en el último medio siglo; entre ellos, al propio Hawking, que hasta su muerte buscó sin descanso la teoría capaz de unificar la relatividad general y la mecánica cuántica, una teoría cuántica de la gravedad que describa lo que sucede en los agujeros negros. 

Stephen Hawking explica los agujeros negros en 90 segundos. Crédito: BBC

Los últimos trabajos del célebre físico propusieron una solución a la recuperación de información. En los años 70, John Wheeler —quien popularizó el término “agujero negro”— y Jacob Bekenstein afirmaron que “los agujeros negros no tienen pelo”, en el sentido de que “las únicas propiedades que un agujero negro podía tener eran su masa, su carga eléctrica y su momento angular”, detalla a OpenMind el físico de la Universidad de Cambridge Malcolm Perry, colaborador de Hawking. Así, “si observaras un agujero negro no podrías saber nada sobre cómo se formó”, ya que todo el resto de la información se pierde en su interior; por así decirlo, el horizonte de sucesos es una frontera pelada, rasurada de toda información. 

Sin embargo, en 2018 Hawking, Perry y sus colaboradores encontraron un camino teórico para proponer que los agujeros negros pueden tener “pelo suave”, “una colección infinita de propiedades extra que un agujero negro puede tener”, dice Perry. Según expone a OpenMind Marika Taylor, física de la Universidad de Southampton cuya tesis doctoral fue dirigida por Hawking, este metafórico vello “sugiere modos en que los agujeros negros pueden guardar un registro de la información en su superficie, de modo que finalmente se recupera”.

Pero Perry advierte: si bien estas ideas avanzan hacia una posible resolución de la paradoja de la información, no son la última palabra. “Mi visión es que el pelo suave es parte de la resolución de estos rompecabezas, pero no toda; hay que seguir avanzando”, dice. Recientemente han aparecido otros modelos adicionales al del pelo suave. “En el último par de años han llegado interesantes novedades sobre la recuperación de información de los agujeros negros”, añade Taylor. Para Maldacena, estos nuevos avances suponen “hitos importantes en el análisis de la paradoja de la información”.

Según Tom Banks, físico de la Universidad Rutgers que compartió discusiones científicas con Hawking, las aportaciones del británico han sido “la pieza más importante en el avance hacia la comprensión —todavía muy limitada— de la conexión entre la mecánica cuántica y la relatividad general”, dice a OpenMind. Este es un camino que lleva recorriéndose medio siglo y en el que queda mucho por hacer. “El progreso es bueno, pero la escala de tiempo para resolver estos problemas, los más profundos, es larga”, apunta a OpenMind el coautor del estudio sobre el pelo suave Andrew Strominger, de la Universidad de Harvard; “llevamos cien años tratando de entender los agujeros negros. Creo que podremos solucionarlo en los próximos 50”.

Una animación que representa un año de evolución de M87 según simulaciones numéricas. Fuente: Illinois Physics

Lamentablemente, lo que ya nunca llegará para Hawking es el Nobel, un premio que no se concede a título póstumo y que el científico más popular de su tiempo no llegó a recibir, dado que solo se otorga por resultados de física teórica cuando se verifican experimentalmente. Una última paradoja hawkingiana fue que su colega Roger Penrose recibió el galardón en 2020 por trabajos que en gran parte ambos desarrollaron en colaboración. “El trabajo de Hawking estaba tan adelantado a los experimentos relevantes que la evidencia experimental para avalarlo no estuvo disponible durante la mayor parte de su vida”, apunta Taylor. “Si Hawking aún hubiera estado vivo en 2020, parece probable que hubiera compartido el premio”.

Javier Yanes

@yanes68

 

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