Los agujeros negros ocupan gran parte del tiempo de Emilio Torrente Luján, investigador principal del Grupo Física de Partículas, Astrofísica y Cosmología (FISPAC) de la Universidad de Murcia e investigador asociado del CERN (Centro Europeo para la Física de Partículas de Ginebra). Este año están siendo protagonistas de la actualidad científica por diferentes motivos.
–Este año el Premio Nobel de Física ha ido a manos de tres investigadores que trabajan sobre los agujeros negros. En su opinión, ¿merecido?
–Si, sin duda, muy merecido a los tres. El premio ha ido a Roger Penrose, conocido físico matemático inglés, y a Reinhard Genzel y Andrea Ghez, el primero por sus estudios teóricos en los años sesenta y setenta del pasado siglo y los segundos por la observación (indirecta, a través de su influencia en el movimiento de estrellas cercanas) del agujero negro situado en el centro de nuestra galaxia. Hay que destacar que si no hubiese sido por los descubrimientos de los segundos y por los avances recientes en ondas gravitacionales y en la detección directa de agujeros negros, nunca le hubiesen dado el premio a Penrose, que realizó solo estudios teóricos.
Los premios Nobel solo se otorgan por avances reales, constatables, en Física, no por avances teóricos que hasta ese momento al menos no tengan contrapartida experimental en el laboratorio. Es esa la razón por la que nunca le dieron el premio Nobel a Stephen Hawking, ni probablemente se lo darán a E. Witten o J. Maldacena (dos de los físicos teóricos más influyentes de los últimos años).
Es quizá sorprendente que no le hayan dado el premio Nobel a ningún investigador del grupo EHT, que han producido la primera ‘imagen’ de un agujero negro de la historia (lo que se ha visto es la ‘sombra’ del agujero negro). Quizá debido a que se trata de un descubrimiento muy reciente. No descarto que se lo den en otra ocasión.
–Precisamente hace unas pocas semanas se hacía público el descubrimiento del agujero negro más masivo, descubierto con ondas gravitacionales. Aunque el hecho de saber que la explosión se originó hace unos 7.000 millones de años (antes de la formación del sistema solar) ha generado más desconcierto que otra cosa en la comunidad científica.
–Yo más bien usaría la palabra ‘intrigante’ para tildar esta observación. Todo buen descubrimiento científico debe abrir tantas o más preguntas como las que responde, y este desde luego lo hace. El problema no es el momento en que se originó la explosión sino la masa de los agujeros negros que colisionaron (que se puede deducir a partir de la forma de las ondas gravitacionales observadas en la tierra).
Hay diversos modos de formación de agujeros negros, los cuales originan agujeros negros en un rango de masas más o menos característico. El caso observado no encaja bien en ninguno de los modos conocidos. Lo que indica que habrá que revisar lo que sabemos de ellos o idear nuevos mecanismos de formación. Eso significa que los astrofísicos especialistas estarán ocupados en ello por un tiempo pero no se espera ningún conflicto con la Teoría de la Relatividad General de Einstein.
–¿Por qué los agujeros negros son tan complejos de estudiar?
–Las ecuaciones básicas de los agujeros negros son relativamente simples y se conocen desde hace mucho tiempo. Ya en el año 1916, pocos meses después del anuncio de la teoría por Albert Einstein, el ‘teniente’ Schwarzchild, desde las trincheras en plena primera guerra mundial, escribió en su cuaderno las primeras ecuaciones para los agujeros negros, el llamado ‘agujero negro de Schwarzchild’. Desde luego después las cosas se complican tanto en la teoría como en la práctica.
«Si las ecuaciones de Einstein fallan, el primer sitio donde podrían hacerlo es en el borde de un agujero negro».
Se puede distinguir entre agujeros negros macroscópicos, los habituales que se observan por ejemplo en el centro de galaxia o que proceden del colapso de estrellas y los agujeros negros cuánticos, que son microscópicos.
Desde el punto de vista astrofísico es muy difícil observar los agujeros negros macroscópicos porque, aunque pueden ser muy muy grandes y masivos (hasta millones de veces la masa solar) la luz no puede escapar a ellos. Podemos conocer de su existencia por el efecto que causan en su entorno, en nubes de polvo, estrellas y galaxias enteras. En torno a ellos se forman discos de acreción, una especie de anillos como los de Saturno, pero en este caso compuestos por material a alta temperatura que radia gran cantidad de energía electromagnética y que puede ser detectada en nuestros observatorios. Es la ‘sombra’ del agujero negro en este fondo de radiación lo que observamos. Han tenido que pasar más de 100 años desde Schwarzchild para que ahora podamos finalmente verlos.
Para el segundo tipo de agujeros negros, los cuánticos microscópicos, existe en la actualidad, en el CERN, el LHC (el acelerador más grande del mundo, con 27 km de longitud) con un programa para su producción y estudio. Es difícil producirlos porque son necesarias energías muy altas, como mínimo en el límite de la tecnología actual. Pero curiosamente, si se produjesen serían muy fáciles de estudiar, se desintegrarían rápidamente de una forma muy característica, que permitiría diferenciarlos nítidamente de otros procesos.
Se estudia la posibilidad de construir un acelerador aun mayor, el FCC (el ‘Future Circular Collider’) de unos 100km de longitud para el 2040-2045. Quizá entonces si podríamos ver por primera vez estos agujeros negros cuánticos, lo que nos permitiría progresar en el santo grial de la física actual, la Gravedad Cuántica’.
–¿Dónde radica el interés acerca de ellos?
–Los agujeros negros son interesantes por muchos motivos. Los físicos de partículas estamos interesados en ellos porque el decubrimiento, y posterior estudio, de los agujeros negros microscópicos sería un primer paso decisivo en Gravedad Cuántica.
Por su parte, los astrofísicos están interesados en su estudio por ejemplo para comprender mejor la formación de galaxias, las últimas etapas de la evolución estelar o como fuentes de ondas gravitacionales.
Pero, sin duda, el mayor propósito es simplemente probar la validez de la Teoría General de la Relatividad. La teoría de Einstein, después de 105 años, ha sobrevivido a todo tipo de pruebas, la última de ellas la existencia de ondas gravitacionales finalmente descubiertas, en completo acuerdo con lo predicho por Einstein, solo en 2017. Los agujeros negros son otra predicción de la teoría, y, aunque ahora ya quedan pocas dudas de que efectivamente existen, todavía hay que estudiar su estructura, por ejemplo, la forma geométrica de su ‘sombra’.
El estudio de esta estructura puede ayudar a discernir entre la teoría de Einstein y teorías posteriores. Si la Relatividad General es errónea o incompleta podríamos ver desviaciones de sus predicciones en primer lugar simplemente en la forma geométrica de sus sombras o en el comportamiento de las estrellas en torno a ellos. Por ejemplo, si la sombra del agujero negro en el centro de nuestra galaxia no es perfectamente circular, indicaría que es un agujero negro en rotación. Si las ecuaciones de Einstein fallan, el primer sitio donde podrían hacerlo es en el borde de un agujero negro, el sitio del universo conocido donde el espacio-tiempo se ve más perturbado, más que en cualquier otro lugar.
Desde el punto de vista práctico, no hay nunca que olvidar que para estos estudios y observaciones hay que llevar a la tecnología más allá de sus límites, invirtiendo grandes cantidades de ingenio y trabajo. Los desarrollos tecnológicos que de ello se derivan tienen una aplicación práctica inmediata, en otros campos como la industria o en medicina.
–¿Podríamos decir que los agujeros negros se manifiestan contra las leyes de la Física?
–Debemos partir de la base que las leyes de la Física se cumplen siempre y en todo lugar, y los agujeros negros no son una excepción. Si no fuese así renuciaríamos a la idea de que el Universo es racionalmente comprensible. Otra cuestión es si conocemos suficientemente bien esas leyes, y dentro de un agujero negro parece que no.
Penrose (a partir 1965), y posteriormente también S. Hawking, enunciaron diversos teoremas sobre singularidades matemáticas de las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General, bajo hipótesis muy generales sobre la forma y características del espacio-tiempo. Estos teoremas predicen la existencia de singularidades esenciales dentro de agujeros negros (otra singularidad podría ser el propio Big-Bang).
En una singularidad se pierde predictabilidad física porque no se puede definir algunas magnitudes físicas relacionada con los campos gravitatorios, tales como la curvatura del espacio tiempo o las geodésicas, las trayectorias que siguen las partículas, parecen terminar.
Mientras no entremos dentro de un agujero negro y tomemos datos (tal como sucede en la ficción en el film ‘Interestellar’, inspirada por el también premio Nobel K. Thorne) no sabremos lo que realmente pasa allí. Pero podemos pensar en varias posibilidades: quizá las hipótesis de los teoremas matemáticos no sean del todo adecuadas, quizá es necesario modificar, aunque sea ligeramente las Ecuaciones de Einstein, o quizá, la Teoría General de la Relatividad es adecuada solo a escalas mayores que la llamada ‘Longitud de Planck’ (del orden de 10-35 m.). En este caso, cerca de la singularidad del agujero negro los efectos cuánticos serán importantes y para describir lo que sucede allí sería necesaria una Teoría Cuántica de la Gravedad, de la que no disponemos en la actualidad, a pesar de los ingentes esfuerzos realizados en los últimos cien años.
Mientras se desarrolla o no una teoría de la gravedad cuántica, lo que hizo Penrose es meter estas singularidades ‘debajo de la alfombra’: entre 1969 1979 enunció la ‘Conjetura de la censura cosmica’. Esta hipotesis propone que el universo nos protege de los problemas de las singularidades (como los agujeros negros) ocultándolas de nuestra vista dentro del ‘horizonte de sucesos’ del agujero negro. Demostrar, o refutar, la conjetura de la censura cósmica sigue siendo uno de los problemas pendientes más importantes en la Teoría de la Relatividad.
–Usted investiga sobre los mismos, ¿qué le atrajo de ellos?
–Mi interés científico concreto siempre ha sido el estudio de la estructura de la materia, los constituyentes e interacciones fundamentales. Una de estas interacciones, la gravedad, es la única para la cual no disponemos de una descripción cuántica satisfactoria (al igual que si disponemos de la QED para la interacción eletrodebil o de la QCD para la fuerza nuclear). La comprensión de los agujeros negros, en su versión microscópica, es un elemento fundamental en el estudio de posibles teorías cuánticas de la gravedad. La esperanza es que estos agujeros negros cuánticos se puedan ver en el laboratorio (en el LHC o en el FCC) algún día, no muy lejano.
–¿En qué está inmerso ahora?
–Nuestro grupo estudia tanto las propiedades de agujeros negros macroscópicos (por el profesor Kostas Glampedakis) como los agujeros negros cuánticos microscópicos (por José Juan Fernández y yo mismo).
El profesor Glampedakis estudia por ejemplo el espectro de las ondas gravitacionales formadas por agujeros negros en Relatividad General y en teorías más amplias. Estos estudios son esenciales en la detección de ondas gravitacionales. En mi caso, uno de los últimos trabajos publicados (en colaboración con investigadores de la Universidad de Oxford en el Reino Unido, Italia e Irlanda) se dedica al estudio de las propiedades matemáticas de agujeros negros cuánticos en teorías de ‘Supergravedad’. En estas teorías, que van más allá de la teoría de Einstein, se introduce lo que se llama ‘Supersimetría’ y aparecen dimensiones extra, adicionales a las cuatro dimensiones habituales (anecdóticamente, estas teorías son la base del argumento, de las que se hablan y las que aparecen en las pizarras de la película ‘Interestellar’).
Para este tipo de estudios en ciencia básica es vital contar con la financiación de las instituciones, por ejemplo en nuestro caso de la Fundación Seneca (Agencia regional de Ciencia y Tecnología) y de la propia Universidad de Murcia. Noticias como la concesión de los Nobel, nos ofrece a los científicos una oportunidad única para reflexionar y justificar el papel de la ciencia básica en la sociedad.