El premi Nobel premia els científics dels forats negres

Traducció de

Black holes and the Milky Way’s darkest secret

Els forats negres i el secret més fosc de la Via Làctia

Tres guardonats comparteixen el Premi Nobel de Física d’aquest any pels seus descobriments sobre un dels fenòmens més exòtics de l’univers, el forat negre. Roger Penrose va demostrar que els forats negres són una conseqüència directa de la teoria general de la relativitat. Reinhard Genzel i Andrea Ghez van descobrir que un objecte invisible i extremadament pesat governa les òrbites de les estrelles al centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. Un forat negre supermassiu és l’única explicació coneguda actualment.

Roger Penrose va inventar mètodes matemàtics enginyosos per explorar la teoria general de la relativitat d’Albert Einstein. Va demostrar que la teoria condueix a la formació de forats negres, aquells monstres en el temps i l’espai que capturen tot el que els entra. Res, ni tan sols la llum, pot escapar.

Reinhard Genzel i Andrea Ghez lideren cadascun d’ells un grup d’astrònoms que s’han centrat en estudiar una regió al centre de la Via Làctia des de principis dels anys noranta. Amb una precisió creixent, han cartografiat les òrbites de les estrelles més brillants i més properes al centre. Ambdós grups van trobar quelcom que alhora era invisible i pesat, cosa que va obligar aquest remenat d’estrelles a remolinar-se. Aquesta massa invisible té prop de quatre milions de masses solars reunides en una regió no més gran que el nostre sistema solar. Què és el que fa que les estrelles del cor de la Via Làctia giren a velocitats tan sorprenents? Segons la teoria actual de la gravetat, només hi ha un candidat: un forat negre supermassiu.

Un avanç més enllà d’Einstein

Ni tan sols Albert Einstein, el pare de la relativitat general, va pensar que els forats negres podrien existir. Tanmateix, deu anys després de la mort d’Einstein, el teòric britànic Roger Penrose va demostrar que es poden formar forats negres i va descriure les seves propietats. Al fons, els forats negres amaguen una singularitat, una frontera en què es trenquen totes les lleis conegudes de la natura.

Per demostrar que la formació de forats negres és un procés estable, Penrose necessitava ampliar els mètodes utilitzats per estudiar la teoria de la relativitat: abordar els problemes de la teoria amb nous conceptes matemàtics. L’article innovador de Penrose es va publicar el gener de 1965 i encara es considera la contribució més important a la teoria general de la relativitat des d’Einstein.

La gravetat manté l’univers a l’abast

Els forats negres són potser la conseqüència més estranya de la teoria general de la relativitat. Quan Albert Einstein va presentar la seva teoria el novembre de 1915, va renunciar a tots els conceptes anteriors d’espai i temps. La teoria va proporcionar una base completament nova per entendre la gravetat, que configura l’univers a la major escala. Des de llavors, aquesta teoria ha proporcionat la base per a tots els estudis sobre l’univers i també té un ús pràctic en una de les nostres eines de navegació més habituals, el GPS.

La teoria d’Einstein descriu com tot i tothom a l’univers es manté a l’empunyadura de la gravitació. La gravetat ens manté a la Terra, governa les òrbites dels planetes al voltant del Sol i l’òrbita del Sol al voltant del centre de la Via Làctia. Condueix al naixement d’estrelles de núvols interestel·lars i, finalment, a la seua mort en un col·lapse gravitatori. La gravitació dóna forma a l’espai i influeix en el pas del temps. Una massa pesada doblega l’espai i alenteix el temps; una massa extremadament pesada pot fins i tot tallar i encapsular un tros d’espai, formant un forat negre.

La primera descripció teòrica del que ara anomenem forat negre va arribar poques setmanes després de la publicació de la teoria general de la relativitat. Malgrat les equacions matemàtiques extremadament complicades de la teoria, l’astrofísic alemany Karl Schwarzschild va ser capaç de proporcionar a Einstein una solució que descrivia com les masses pesants poden doblegar l’espai i el temps.

Estudis posteriors van demostrar que, un cop s’ha format un forat negre, està envoltat per un horitzó d’esdeveniments que rodeja la massa al centre com un vel. El forat negre roman amagat per sempre dins del seu horitzó d’esdeveniments. Com més gran és la massa, més gran és el forat negre i el seu horitzó. Per a una massa equivalent al Sol, l’horitzó d’esdeveniments té un diàmetre de gairebé tres quilòmetres i, per a una massa com la de la Terra, el seu diàmetre és de només nou mil·límetres.

Una solució més enllà de la perfecció

El concepte de “forat negre” ha trobat un nou significat en moltes formes d’expressió cultural, però, per als físics, els forats negres són el punt final natural de l’evolució de les estrelles gegants. El primer càlcul del dramàtic col·lapse d’una estrella massiva es va fer a finals dels anys 30, pel físic Robert Oppenheimer, que més tard va dirigir el Projecte Manhattan que va construir la primera bomba atòmica. Quan les estrelles gegants, moltes vegades més pesades que el Sol, es queden sense combustible, primer exploten com a supernoves i després s’enfonsen en restes molt denses, tan pesades que la gravetat ho atrau tot, fins i tot la llum.

La idea de les ‘estrelles fosques’ es va considerar ja des de finals del segle XVIII, en les obres del filòsof i matemàtic britànic John Michell i del reconegut científic francès Pierre Simon de Laplace. Tots dos havien raonat que els cossos celestials podrien arribar a ser tan densos que serien invisibles, ni tan sols la velocitat de la llum seria prou ràpida per escapar de la seva gravetat.

Una mica més d’un segle després, quan Albert Einstein va publicar la seva teoria general de la relativitat, algunes de les solucions a les equacions notòriament difícils de la teoria descrivien tan sols estrelles fosques. Fins als anys seixanta, aquestes solucions es consideraven especulacions purament teòriques, que descrivien situacions ideals en què les estrelles i els seus forats negres eren perfectament rodons i simètrics. Però res a l’univers no és perfecte i Roger Penrose va ser el primer a trobar amb èxit una solució realista per a tota la matèria que s’enfonsa, amb els seus forts, clots i imperfeccions naturals.

El misteri dels quàsars

La qüestió de l’existència de forats negres va ressorgir el 1963, amb el descobriment dels quàsars, els objectes més brillants de l’univers. Durant gairebé una dècada, els astrònoms havien estat desconcertats pels raigs de ràdio procedents de fonts misterioses, com el 3C273, a la constel·lació de la Verge. La radiació de la llum visible finalment va revelar la seva autèntica ubicació: el 3C273 està tan lluny que els raigs viatgen cap a la Terra durant més de mil milions d’anys.

Si la font de llum és tan llunyana, ha de tenir una intensitat igual a la llum de diversos centenars de galàxies. Se li va donar el nom de ‘quàsar’. Els astrònoms aviat van trobar quàsars tan distants que havien emès la seva radiació a la primera infància de l’univers. D’on ve aquesta increïble radiació? Només hi ha una manera d’obtenir tanta energia dins del volum limitat d’un quàsar: des de la matèria que cau en un forat negre massiu.

Les superfícies atrapades resolien l’enigma

Una qüestió que va desconcertar Roger Penrose sobre si es podrien formar forats negres en condicions realistes. La resposta, com va recordar més tard, va aparèixer a la tardor de 1964 durant una passejada amb un company a Londres, on Penrose era professor de matemàtiques al Birkbeck College. Quan van deixar de parlar un moment per creuar un carrer lateral, se li va ocórrer una idea. Més tard, aquella tarda, el va buscar a la seua memòria. Aquesta idea, que va anomenar superfícies atrapades, era la clau que havia estat buscant inconscientment, una eina matemàtica crucial necessària per descriure un forat negre.

Una superfície atrapada obliga a tots els raigs a apuntar cap a un centre, independentment de si la superfície es corba cap a fora o cap a dins. Mitjançant superfícies atrapades, Penrose va ser capaç de demostrar que un forat negre sempre amaga una singularitat, un límit on acaben el temps i l’espai. La seva densitat és infinita i, fins ara, no hi ha teoria sobre com abordar aquest fenomen tan estrany de la física.

Les superfícies atrapades es van convertir en un concepte central en la realització de la prova de Penrose del teorema de la singularitat. Els mètodes topològics que va introduir ara són inestimables en l’estudi del nostre univers corbat.

Un carrer de sentit únic fins al final dels temps

Quan la matèria comença a col·lapsar i es forma una superfície atrapada, res no pot impedir que continuï el col·lapse. No hi ha camí enrere, com en la història explicada pel físic i premi Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar, des de la seva infància a l’Índia. La història tracta sobre les libèl·lules i la seva larva, que viuen sota l’aigua. Quan una larva està preparada per desplegar les ales, promet que dirà als seus amics com és la vida a l’altra banda de la superfície de l’aigua. Però un cop la larva passa per la superfície i s’allunya com una libèl·lula, no hi ha retorn. Les larves de l’aigua mai no escoltaran la història de la vida de l’altra banda.

Figura 2. Com es forma un forat negre.

De la mateixa manera, tota la matèria només pot travessar l’horitzó d’un esdeveniment d’un forat negre en una direcció. Aleshores, el temps substitueix l’espai i tots els camins possibles apunten cap a l’interior, el flux de temps ho porta tot cap a un final ineludible a la singularitat (figura 2). No sentiràs res si caus per l’horitzó d’esdeveniments d’un forat negre supermassiu. Des de fora, ningú no us pot veure caure i el vostre viatge cap a l’horitzó continua per sempre. Mirar un forat negre no és possible dins de les lleis de la física; els forats negres amaguen tots els seus secrets darrere dels seus horitzons d’esdeveniments.

Els forats negres governen els camins de les estrelles

Tot i que no podem veure el forat negre, és possible establir-ne les propietats observant com la seva colossal gravetat dirigeix ​​els moviments de les estrelles circumdants.

Reinhard Genzel i Andrea Ghez lideren grups de recerca separats que exploren el centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. Amb forma de disc pla d’uns 100.000 anys llum de diàmetre, està format per gas i pols i uns quants centenars de milions d’estrelles; una d’aquestes estrelles és el nostre Sol (figura 3). Des del nostre mirador a la Terra, enormes núvols de gas i pols interestel·lar enfosquen la major part de la llum visible que prové del centre de la galàxia. Els telescopis d’infrarojos i la tecnologia de ràdio van ser el que va permetre als astrònoms veure per primera vegada a través del disc de la galàxia i imaginar les estrelles del centre.

Utilitzant les òrbites de les estrelles com a guies, Genzel i Ghez han produït les proves més convincents que hi ha un objecte supermassiu invisible amagat allà. Un forat negre és l’única explicació possible.

Centreu-vos al centre

Durant més de cinquanta anys, els físics sospiten que pot haver-hi un forat negre al centre de la Via Làctia. Des que es van descobrir els quàsars a principis dels anys seixanta, els físics van raonar que es podrien trobar forats negres supermassius dins de la majoria de galàxies grans, inclosa la Via Làctia. Tot i això, actualment ningú no pot explicar com es van formar les galàxies i els seus forats negres, entre uns quants milions i molts milions de masses solars.

Fa cent anys, l’astrònom nord-americà Harlow Shapley va ser el primer a identificar el centre de la Via Làctia, en direcció a la constel·lació de Sagitari. Amb observacions posteriors, els astrònoms hi van trobar una forta font d’ones de ràdio, que va rebre el nom de Sagitari A *. Cap al final dels anys seixanta, es va fer evident que Sagitari A * ocupa el centre de la Via Làctia, al voltant de la qual orbiten totes les estrelles de la galàxia.

No va ser fins a la dècada de 1990 que telescopis més grans i un millor equipament van permetre estudis més sistemàtics de Sagittarius A *. Reinhard Genzel i Andrea Ghez van iniciar projectes per intentar veure a través dels núvols de pols el cor de la Via Làctia. Juntament amb els seus grups de recerca, van desenvolupar i perfeccionar les seves tècniques, construint instruments únics i apostant per la investigació a llarg termini.
Via Làctea

Figura 3. La Via Làctia, la nostra galàxia, vista des de dalt. Té la forma d’un disc pla d’uns 100.000 anys llum de diàmetre. Els seus braços espirals estan formats per gas i pols i uns quants centenars de milions d’estrelles. Una d’aquestes estrelles és el nostre Sol.

Només els telescopis més grans del món seran suficients per contemplar estrelles llunyanes; com més grans millor és absolutament cert en astronomia. L’astrònom alemany Reinhard Genzel i el seu grup van utilitzar inicialment NTT, el telescopi de noves tecnologies a la muntanya de La Silla, a Xile. Finalment, van traslladar les seves observacions a la instal·lació del Very Large Telescope, VLT, a la muntanya Paranal (també a Xile). Amb quatre telescopis gegants el doble que NTT, el VLT té els miralls monolítics més grans del món, cadascun amb un diàmetre de més de 8 metres.

Als Estats Units, Andrea Ghez i el seu equip d’investigació utilitzen l’Observatori Keck, situat a la muntanya hawaiana de Mauna Kea. Els seus miralls tenen gairebé 10 metres de diàmetre i actualment són dels més grans del món. Cada mirall és com un panal, format per 36 segments hexagonals que es poden controlar per separat per enfocar millor la llum de les estrelles.

Les estrelles mostren el camí

Per grans que siguen els telescopis, sempre hi ha un límit en el detall que poden resoldre perquè vivim al fons d’un mar atmosfèric de gairebé 100 quilòmetres de profunditat. Les grans bombolles d’aire sobre el telescopi, més calentes o més fredes que el seu entorn, actuen com a lents i refracten la llum en el seu camí cap al mirall del telescopi, distorsionant les ones de llum. És per això que les estrelles brillen i també les seves imatges es difuminen.

L’aparició de l’òptica adaptativa va ser crucial per millorar les observacions. Ara els telescopis estan equipats amb un prim mirall extra que compensa la turbulència de l’aire i corregeix la imatge distorsionada.

Durant gairebé trenta anys, Reinhard Genzel i Andrea Ghez han seguit les seves estrelles en el llunyà embolic estel·lar al centre de la nostra galàxia. Continuen desenvolupant i perfeccionant la tecnologia, amb sensors de llum digitals més sensibles i una millor òptica adaptativa, de manera que la resolució de la imatge ha millorat més de mil vegades. Ara són capaços de determinar amb més precisió les posicions de les estrelles, seguint-les nit per nit.

Els investigadors fan un seguiment d’una trentena de les estrelles més brillants de la multitud. Les estrelles es mouen més ràpidament en un radi d’un mes llum del centre, dins del qual realitzen una dansa atrafegada com la d’un eixam d’abelles. Les estrelles que es troben fora d’aquesta zona, en canvi, segueixen les seves òrbites el·líptiques d’una manera més ordenada (figura 4).

Una estrella, anomenada S2 o S-O2, completa una òrbita del centre de la galàxia en menys de 16 anys. Aquest és un temps extremadament curt, de manera que els astrònoms van poder cartografiar tota la seva òrbita. Ho podem comparar amb el Sol, que triga més de 200 milions d’anys a completar una volta al centre de la Via Làctia; els dinosaures passejaven per la Terra quan vam començar la nostra volta actual.

Figura 4. Les òrbites de les estrelles van revelar que alguna cosa invisible i pesat governava els seus camins al cor de la Via Làctia.

La teoria i les observacions se succeeixen

L’acord entre les mesures dels dos equips va ser excel·lent, cosa que va portar a la conclusió que el forat negre al centre de la nostra galàxia hauria de ser equivalent a uns 4 milions de masses solars, empaquetades en una regió de la mida del nostre sistema solar.

Aviat podrem veure directament Sagitari A *. Aquest és el següent de la llista perquè, fa poc més d’un any, la xarxa d’astronomia Event Horizon Telescope va aconseguir imaginar l’entorn més proper d’un forat negre supermassiu. El més llunyà de la galàxia coneguda com Messier 87 (M87), a 55 milions d’anys llum de nosaltres, és un ull més negre que negre envoltat per un anell de foc.

El nucli negre de M87 és gegantí, més de mil vegades més pesat que Sagittarius A *. Els forats negres que van causar les ones gravitacionals recentment descobertes eren força més lleugers. Igual que els forats negres, les ones gravitatòries només existien com a càlculs de la teoria general de la relativitat d’Einstein, abans de ser capturades per primera vegada a la tardor del 2015, pel detector LIGO dels EUA (Premi Nobel de Física, 2017).

El que no sabem

Roger Penrose va demostrar que els forats negres són una conseqüència directa de la teoria general de la relativitat, però, en la gravetat infinitament forta de la singularitat, aquesta teoria deixa d’aplicar-se. S’està realitzant un treball intensiu en el camp de la física teòrica per crear una nova teoria de la gravetat quàntica. Això ha d’unir els dos pilars de la física, la teoria de la relativitat i la mecànica quàntica, que es troben a l’exterior de forats negres.

Al mateix temps, les observacions s’acosten als forats negres. El treball pioner de Reinhard Genzel i Andrea Ghez ha obert el camí a noves generacions de proves precises de la teoria general de la relativitat i de les seves prediccions més estranyes. El més probable és que aquestes mesures també puguin proporcionar pistes per a noves idees teòriques. L’univers té molts secrets i sorpreses per descobrir.

Traducció de

Black holes and the Milky Way’s darkest secret

Science Editors: Ulf Danielsson, Ariel Goobar, David Haviland and Gunnar Ingelman, the Nobel Committee for Physics
Text: Joanna Rose
Translator: Clare Barnes
Illustrations: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Editor: Sara Gustavsson
© The Royal Swedish Academy of Sciences