Capturando lo invisible: La colaboración internacional detrás de las primeras imágenes de huecos negros

 

*La histórica imagen del agujero negro supermasivo en la galaxia M87, publicada en 2019 por el Event Horizon Telescope.*

En abril de 2019, el mundo fue testigo de un logro sin precedentes: la primera imagen directa de un hueco negro supermasivo, ubicado en el centro de la galaxia M87. Este hito no fue obra de un solo telescopio ni de un solo país, sino el resultado de una colaboración científica sin fronteras conocida como el Event Horizon Telescope (EHT).

Antes de explicar cómo funciona el EHT, conviene entender qué son los huecos negros. Estos objetos celestes son regiones del espacio donde la gravedad es tan intensa que nada puede escapar de su atracción, ni siquiera la luz. Su existencia fue predicha teóricamente por la Relatividad General de Albert Einstein en 1915, aunque la idea de un objeto con gravedad extrema ya había sido propuesta en el siglo XVIII. Según la teoría de Einstein, una masa suficientemente densa puede curvar el espacio-tiempo hasta formar una singularidad rodeada por un horizonte de sucesos: el punto de no retorno.

El EHT es una red global de radiotelescopios que trabajan al unísono, sincronizados con precisión milimétrica mediante relojes atómicos. Al combinar datos recogidos desde distintos puntos del planeta —incluyendo ubicaciones en Hawaii (como el observatorio de Mauna Kea), Chile, México, España y la Antártida— el EHT actúa como un telescopio del tamaño de la Tierra, con la capacidad de detectar detalles extraordinariamente pequeños.

Observar un hueco negro directamente es imposible, ya que su gravedad extrema impide que incluso la luz escape. Sin embargo, los huecos negros suelen estar rodeados por discos de acreción: estructuras de gas y polvo extremadamente calientes que giran a velocidades vertiginosas mientras caen lentamente hacia el horizonte de sucesos. Esta materia incandescente, sometida a intensos campos gravitatorios y magnéticos, es la que emite radiación detectable. El EHT logró captar la silueta del hueco negro contra el resplandor del disco de acreción, revelando una estructura en forma de anillo que evidenció tanto la presencia como las propiedades del objeto invisible. Esta imagen no solo confirmó predicciones de la relatividad general de Einstein, sino que también demostró el poder de la colaboración científica a escala global.

En 2022, el equipo del EHT reveló una segunda imagen histórica: la del hueco negro en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, conocido como Sagitario A\*. Esta observación fue aún más compleja debido a la menor masa del objeto y la variabilidad rápida de su entorno. Una vez más, fue necesaria una coordinación internacional excepcional para lograr el objetivo.

El trabajo del EHT continúa, con esfuerzos para mejorar la resolución, aumentar la cantidad de telescopios participantes y observar el comportamiento dinámico de los huecos negros en tiempo real. En un mundo a menudo dividido por fronteras políticas, esta empresa científica destaca por su espíritu colaborativo y su capacidad para expandir los límites del conocimiento humano.

Las imágenes de los huecos negros no solo han transformado la astronomía, sino que también han capturado la imaginación del público, recordándonos que, cuando se trata de explorar el universo, la ciencia es una empresa verdaderamente global. Ejemplos como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), operado por el CERN en Suiza con participación de miles de científicos de todo el mundo, y el ambicioso Programa del Genoma Humano, que descifró el código genético humano gracias a la cooperación de numerosos países y centros de investigación, demuestran que los grandes avances del conocimiento moderno suelen ser fruto del esfuerzo colectivo internacional. 

Relatividad y ondas gravitacionales: un video musical

He escrito ya en este blog varios artículos sobre huecos negros y ondas gravitacionales. Principalmente porque es uno de mis temas favoritos de investigación en Física y Astronomía, (y fue el tema de mi tesis doctoral), y segundo porque es un tema “pegao” gracias a que están en construcción dos observatorios super sensitivos para detectar ondas gravitacionales conocidos como LIGO (Laser Interferometric Gravitational wave Observatory).

Aunque la idea básica de que el Big Bang o un choque de dos huecos negros puede producir ondas de puro espaciotiempo vacío es fascinante, es muy difícil tratar de explicar qué exactamente es lo que pasa y que fenómeno se quiere investigar. Al menos es difícil de hacer sin usar matemáticas ni tener al menos un curso universitario de Teoría de la Relatividad General. La idea de que se propagan por todo el universo ondas hechas de nada excepto espacio vacío y tiempo que no obstante contienen mucha información valiosa sobre eventos cósmicos imposibles de ver con telescopios es casi incomprensible en puro español. ¿Cómo explicar a alguien que se puede transmitir la curvatura del espacio y el tiempo?

A mí me tomó años entenderlo después de varios cursos graduados y una torre de papers científicos llenos de ecuaciones que no se la brincaba un cabro. Y he dedicado los últimos años de mi vida a popularizar estos nuevos descubrimientos científicos en este blog, talleres para estudiantes y maestros, creación de cursos, y un par de libros que estoy escribiendo. Veo mucho interés en la gente al preguntar sobre estos temas. Pero cuando hablo de matemáticas siempre veo una mirada de horror y disgusto, y si trato de explicar las matemáticas avanzadas pierdo la audiencia casi inmediatamente.

Por eso me encantó este video musical basado en canciones clásicas de los Beach Boys hecho por varios estudiantes subgraduados de Física que trabajan en el Proyecto LIGO. Explican muchas cosas interesantes y técnicas con música pegajosa, buenas gráficas, humor y sin matemáticas. Y no cantan nada mal. ¡Ja!, y después la gente dice que los nerds no pueden ser simpáticos y populares.

Si quieren aprender rápida y divertidamente un cursito básico de Relatividad y ondas gravitacionales en menos de 8 minutos, véanlo completito. No se arrepentirán.

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Playstation 3 calculando ondas gravitacionales

A la verdad que hay gente con suerte. El profesor Gaurav Khanna, de la Universidad de Massachussetts, (y que fué mi compañero de oficina cuando los dos estábamos estudiando para nuestro doctorado en Penn State), ha logrado una hazaña mediática y científica sensacional. Gaurav se dedica a cálculos perturbativos de órbitas elípticas de huecos negros del tamaño del Sol que son tragados por uno de los huecos negros supermasivos que habitan en los centros de casi todas las galaxias, y que pesan millones y hasta billones de masas solares. Cuando un hueco negro grande se traga a otro chiquito se produce una distorsión tan grande del espacio y el tiempo en la localidad de la colisión que esto genera un fuerte haz de ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales no son radiación electromágnetica (como la luz visible, el radio, las microondas, el infrarrojo, el ultravioleta o los rayos gamma que se usan para ver y estudiar todo en astronomía). Son ondas de puro espacio vacío y tiempo. No están hechas de nada. Son distorciones en la estructura misma del espaciotiempo que se propagan por el universo a la velocidad de la luz. Son una de las predicciones más excitantes aún sin confirmar directamente de la Teoría de la Relatividad General de Einstein.

Un hueco negro solo es ya de por sí una distorsión casi infinita del espaciotiempo einsteiniano. Cuando dos huecos negros chocan se produce uno de los cataclismos más grandes de todo el universo conocido. Se estima que estas cosas pueden liberar más energía que toda la que liberan cientos de galaxias completas, cada una con varios billones de estrellas como el Sol. Pero calcular como ocurre un choque entre huecos negros es horrendamente difícil. La Teoría General de la Relatividad es una teoría no-lineal donde para cada punto del espacio hay que definir un tensor métrico de 16 componentes. Para poder calcular completamente un campo gravitacional en astronomía hay que resolver diez ecuaciones acopladas con cientos de derivadas de primer y segundo orden de este tensor métrico en todos los puntos del espacio (hasta distancias de cientos de años-luz de donde ocurra el choque) por todo el tiempo que dure el choque (pueden ser cientos de años y hay que calcular con una resolución temporal de milisegundos). Todo el technobabble computacional se resume en que hace falta una supercomputadora, (como dije en el post pasado), porque hay que hacer trillones de cómputos aritméticos con una precisión de madre. Aún cuando el problema se simplifique bastante haciendo un montón de aproximaciones y cogiendo casos ficticios de mucha simetría que muy probablemente no son los que realmente ocurran allá afuera de verdad.

Gaurav como es un profesor joven tenía que pedir permiso para usar Centros de Supercomputadoras Nacionales, como el de Pittsburgh, Texas o Carolina del Norte. Pero la fila para que tu proyecto corra ahí es más larga que la de los cupones de alimento que regala el gobierno. Lo otro es hacer tu supercomputadora casera comprando muchas PC y conectándolas con Ethernet para que se dividan el problema como buenas hermanitas, y cada una calcule una parte del problema simultáneamente con todas las otras. Pero esto requiere como de 200 computadoras o nodos con Pentium 4, y para un profesor pobre y nuevo en el campo no es fácil conseguir ese dinero, particularmente con la estrechez económica que afecta a los relativistas gravitacionales.

Así que Gaurav, como buen nerd aficionado a los videojuegos se dio cuenta del poder computacional de las consolas de nueva generación como las Playstation 3 de Sony. Si uno le metía Linux a las PS3 y traqueteaba con el software para poner los procesadores de la consola a producir cálculos de diferencias finitas en vez de bellas imágenes de destrucción virtual en "full HD-TV" podría hacer más cálculos con menos nodos. Pero aún así sale caro comprar varias PS3, (yo he decidido moverme de la PS2 al Xbox 360 por el precio exorbitante de las PS3). Además, Gaurav sabía que ninguna agencia científica respetable como el NSF le iba a dar dinero a un investigador en relatividad para comprar consolas de videojuegos.

Pero de manera brillante y usando el poder publicitario que confiere la Web 2.0 fue donde SONY y les pidió que le donaran unas poquitas PS3 para su proyecto, aduciendo que esto tendría un gran impacto entre blogs, páginas web de ciencia y tecnología, y ese gran universo de "geeks" que hay allá afuera. Y SONY se compró la idea.

Gaurav montó un grupo de ocho consolas PS3 que con Linux producen la misma cantidad de cálculos paralelos por segundo que 200 nodos de una supercomputadora convencional. Su red gravitatoria ha estado funcionando durante algo más de un mes.

"Básicamente, es casi como una sustitución," dice, "no tengo que usar aquellas supercomputadoras nunca más, lo que es una buena cosa."

"Por el mismo dinero (bueno, en realidad no pagué por ello, pero incluso si miras la cantidad de dinero que hubiera necesitado para pagar ocho PS3) puedo hacer estas simulaciones indefinidamente."

El objetivo de las simulaciones de Khanna y su equipo en la Universidad de Massachusetts es ver si las ondas gravitacionales, que se han postulado durante casi 100 años pero nunca se han observado, son suficientemente fuertes como para ser observadas algún día. Sin duda, con la NASA y otras agencias construyendo enormes observatorios de ondas gravitacionales con la sensibilidad requerida para detectarlas en el futuro cercano, Gaurav ve su trabajo como complementario a estos esfuerzos. Y entre cálculo y cálculo se puede echar un jueguito de "Resistance: Fall of Man", ¿no?

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Simulando el universo en una supercomputadora

Una de las herramientas modernas más importantes de la astrofísica y la cosmología lo es la supercomputadora. Así lo es también en la biología molecular, la nanotecnología, el diseño de ingeniería, la aerodinámica y las ciencias terrestres. La idea de simular procesos complejos y dinámicos en supercomputadoras paralelas atrae cada vez más adeptos, y nos revela paisajes cada vez más asombrosos de nuestro universo físico.

La actividad de la ciencia tradicionalmente se dividía en dos grandes campos: la teoría y el experimento. Una, la parte teórica, trataba de entender las reglas y leyes básicas que explican el comportamiento de los fenómenos físicos de manera mental y lógica únicamente. La otra, la parte práctica y experimental, proveía los datos precisos que indicaban que era lo que había que explicar, y proporcionaba pistas cruciales a los detectives de la teoría para resolver los misterios del cosmos, así como una manera de chequear si las teorías eran ciertas o no. Pero con el advenimiento hace unos pocos años de las supercomputadoras (más o menos baratas si uno usa Linux y conecta muchas PCs unas con la otras) y sus gigantescas capacidades para hacer muchos cálculos a la vez de forma increíblemente rápida se abrió un tercer campo de investigación científica: los experimentos computacionales.

Esto requiere hacer modelos matemáticos de eventos para los cuales entendemos las ideas básicas que los controlan, pero cuyas ecuaciones y número de variables y cálculos son tan grandes que es imposible entenderlos de manera puramente analítica. Conocemos cuales deben ser las ecuaciones que los rigen, pero no podemos resolverlas con papel y lápiz para poder entender qué es lo que significan los resultados de esas ecuaciones. También complica el asunto el que en sistemas como la evolución del universo, la estructura atómica de proteínas y genes, o el clima de la Tierra no se pueden hacer experimentos útiles. Son sistemas o demasiado grandes, o demasiado pequeños, o con tantas variables afectando el comportamiento de los fenómenos que no hay manera factible de controlarlas experimentalmente. Por eso la idea de hacer mini-universos, o moléculas virtuales, o mini-atmósferas terrestres dentro de una computadora. Estas super máquinas pueden resolver en pocos segundos los trillones de cálculos que le tomarían meses a un ejército de seres humanos (aún con calculadoras).

Recientemente astrofísicos computacionales en Alemania y Estados Unidos han creado una simulación tan compleja como exquisita denominada BHCosmos. Esta simulación recrea la evolución del universo poco después del Big Bang y el desacoplamiento de la materia y la radiación, cuando solo existía una nube difusa de incontables átomos de hidrógeno regados por un universo mucho más pequeño del que vemos hoy en día. La simulación incluye la atracción gravitacional, la formación de campos magnéticos, formación de estrellas, emisión de neutrinos, formación de galaxias espirales, y ahora hasta los efectos de los huecos negros supermasivos que se forman en los núcleos galácticos. Su simulación cósmica cubrió múltiples escalas de tiempo y espacio, hasta 100 millones de años-luz. Habría resultado imposible de ejecutar sin una potente supercomputadora.

Tiziana Di Matteo, cosmóloga de la Universidad Carnegie Mellon, y sus colaboradores en el Instituto Max Planck, realizaron la simulación utilizando el sistema Cray XT3 del Centro de Supercomputación de Pittsburgh.

Las observaciones experimentales revelan que los agujeros negros son importantes reguladores de la formación de las galaxias y, finalmente, del tejido actual del universo. No obstante, las simulaciones anteriores no los tuvieron en cuenta porque la demanda de potencia informática resultaba prohibitiva. Incluir los agujeros negros en las simulaciones es crítico. Las galaxias que hoy vemos presentan su actual aspecto debido a la física de los agujeros negros. Los científicos deben hacer simulaciones para averiguar el papel que los agujeros negros han desempeñado en la formación de las estructuras, tanto del universo temprano como del actual.

Aquí les incluyo un interesante video para que vean el poder que están adquiriendo las supercomputadoras a la hora de hacer ciencia "de punta". No solo son simulaciones detalladas y precisas que nos enseñan muchísimo sobre nuestro mundo, sino que vemos que en el entendimiento científico y las matemáticas hay una belleza intrínseca que rivaliza las más aclamadas obras de arte. Que lo disfruten.

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Más allá de Einstein: el futuro de la exploración espacial

Acaba de salir calientito del horno un reporte del National Research Council de los Estados Unidos donde se hacen recomendaciones a la NASA sobre como usar su presupuesto para satélites astronómicos (que cuestan una millonada cada uno) para uno de sus programas principales para las próximas décadas de exploración espacial que se ha denominado "Beyond Einstein".

Beyond Einstein (BE) es una de las propuestas programáticas de la agencia espacial norteamericana en las áreas de estudiar cómo fue que se creó el universo, fenómenos de carácter cósmico como los huecos negros, la formación de galaxias, y el grandísimo y excitante misterio de qué rayos es esa "energía oscura" que está inflando nuestro universo cada vez más rápidamente. Todos problemas misteriosos y que aún no se entienden muy bien (y que hemos reseñado periódicamente en este blog por ser de mi área de especialización e interés).

Ya se sabe con certeza que ocurrió el "Big Bang" y cuando exactamente fue que ocurrió (13.7 ± 0.2 billones de años). Se ha confirmado que existen y ya se han visto varios huecos negros de diferentes tamaños (desde los de tamaño estelar devorando estrellas vecinas hasta los monstruos gigantes que habitan en el núcleo de las galaxias y que pesan billones de veces la masa de nuestro Sol). Y también se ha confirmado que la expansión del universo es hoy mucho más rápida que cuando ocurrió el Big Bang, lo cual indica que esta expansión se está acelerando. Pero para que se acelere todo el universo con sus billones y billones de galaxias y trillones de megatoneladas de materia hace falta mucha energía. Así que tiene que haber una energía "oscura" que no sabemos qué es ni de donde salió, porque las energías que entendemos con nuestra física actual no pueden hacer lo que vemos que está ocurriendo.

Esta área de investigación en NASA se llama "Beyond Einstein" porque se supone que todos estos fenómenos se pudiesen entender perfectamente con la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. Pero no es así. El Big Bang se comporta muy raramente y al parecer tuvo un período inflacionario que no se entiende muy bien solo con la Relatividad. Los teóricos han identificado varios tipos de huecos negros, y físicos como el gran Stephen Hawking han determinado que los huecos negros pueden evaporarse y poseen propiedades como entropía o temperatura que según la teoría clásica de Relatividad no debieran tener. Y claro, según el modelo clásico de la expansión relativista el universo debiera irse frenando por su propia gravedad, y no acelerándose.

Hay 2 posibilidades de porqué falla la Teoría de Einstein si para todos los demás fenómenos gravitacionales funciona excelentemente. La opción preferida (y que se estudia primero) es que la teoría relativista está bien pero nos faltan ingredientes que aún desconocemos para poder tener una explicación aceptable de lo que vemos. La otra opción no muy deseada es que la teoría es falsa, y solo constituye una buena aproximación a bajas energías pero en estos fenómenos cósmicos estamos llegando al límite de su validez y nos estamos dando cuenta de que a energías por encima de éstas no va a funcionar más. Esto requeriría reemplazarla entonces por una nueva, y conllevaría una revolución crucial en nuestro entendimiento del universo.

Sea como sea, para poder entender mejor que es lo que pasa en nuestro universo y saber que hacer con la teoría de Einstein hay que tener data mucho más completa y precisa. Esto requiere de costosas misiones satélites que midan con una precisión asombrosa los datos relevantes de huecos negros, galaxias lejanas, supernovas en los confines del universo y el fondo de microondas cósmico. NASA había planeado un set de cómo 8 misiones espaciales diferentes para científicamente estudiar estos problemas de la manera más completa y eficiente posible.

Pero como en los EE.UU. del Führer G.W. Bush es más importante hacer guerra, matar y torturar civiles solo por ser musulmanes, invadir países para robarles petróleo, y hacer cada vez más ricos a los donantes Republicanos pues no hay mucho dinero disponible para cosas baladíes y sin importancia como hacer ciencia y entender como funciona nuestro mundo. Total, para sus huestes cristianas fundamentalistas esto de mandar satélites al espacio y recolectar datos es una pérdida de tiempo pues las respuestas "correctas" ya están hace 2,000 años en la Biblia.

Así que con el presupuesto asignado por la maceta y bestia Administración Bush (que además quiere que se use mayormente para misiones mayormente de Relaciones Públicas como mandar americanos a Marte) no hay cama para tanta gente. No se pueden financiar todas las misiones científicas y hay que escoger. Por eso se conformó un panel de prestigiosos científicos del NRC para decidir quienes viven (y pueden hacer tesis doctorales con los datos que se obtengan), y quienes mueren (y deben dejar lo que están estudiando por falta de chavos).

El reporte recomendó solo 2 misiones de BE como las más importantes y que se les debe de dar prioridad financieramente para meterle mano a los interesantes problemas cosmológicos que tenemos. Una es la denominada Joint Dark Energy Mission que junto con el Departamento de Energía (quizás la escogieron por que era un "serrucho" entre las dos agencias y les salía más barato) costeará un observatorio automático que detecte supernovas 1A y usando controles robot mueve los telescopios para un análisis detallado que permita hacer un mapa exacto de cómo se ha ido acelerando la expansión del universo en las diferentes épocas de su historia. La otra, por suerte para los que estudiamos huecos negros y ondas gravitacionales, es el Laser Interferometer Space Antenna, (o LISA como la conocemos afectivamente los "insiders"). LISA es un set de tres satélites que estarán en la misma órbita que la Tierra alrededor del Sol (pero 20° detrás de nosotros). Estos satélites forman un gigantesco triángulo en el espacio que detectaría las distorciones en el espaciotiempo llamadas "ondas gravitacionales" provenientes de choques entre huecos negros. Estas ondas contendrían información valiosa sobre la estructura y comportamiento detallado de los huecos negros.

Las demás probablemente se vayan por el chorro… Claro, si sirvieran para matar gente les lloverían los chavos.

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Huecos Negros Supermasivos

Otra pregunta que se hacen los astrónomos locos (¿o serán los locos que son astrónomos?) cuando miran al universo por sus telescopios y satélites es: ¿Por qué las estrellas están tan lejos unas de otras? Usando la teoría del Big Bang uno entiende porqué las galaxias están bien lejos unas de otras. La razón es que el universo crece y se expande con el paso del tiempo. Y como han pasado 14 billones de años desde la Gran Explosión Inicial, pues estos enjambres de estrellas, polvo y materia oscura que llamamos galaxias han sido llevados por este espaciotiempo que se infla a estar cada vez más lejos unas de otras como una tabla de surfing es movida por una ola del mar.



Pero las galaxias mantienen a todas las billones de estrellas que las integran juntas por gravedad. Se mueven como un colectivo en el gran mar del espaciotiempo universal inflable. Una estrella, como seguro saben, es una gran esfera de gas (mayormente hidrógeno) miles de veces más grande que todo el planeta Tierra. Pero, ¿qué impide que se formen unas estrellas justo al lado de las otras de las grandes nubes de gas primordiales que se coagularon en proto-galaxias luego del Big Bang? Esto a veces pasa, claro está, y se conocen como estrellas binarias . Dos estrellas que están bien cerca una de la otra, y cada una es como si fuese un planeta de la otra, girando en un tango cósmico impresionante.

Pero por suerte esto es una ocurrencia relativamente rara. La mayoría de las estrellas están solas y aisladas de todas las demás. La distancia promedio entre una estrella y otra en una galaxia típica es de varios años-luz (acuérdense que un año-luz es la distancia que la luz recorre en un año, y la luz viaja a la friolera de 300,000 kilómetros CADA SEGUNDO. Un año-luz es casi un cuadrillón [10¹²] de kilómetros). Y es una suerte que estén tan aisladas unas de otras porque con sobre 250 billones de estrellas en una galaxia habrían muchísimos “choques” entre unas estrellas y otras de no ser así. Pero si las estrellas se pasaran chocando o cruzando cerca unas de las otras no habría sistemas planetarios pues estos “encuentros cercanos” entre estrellas desbaratarían los planetas y los sacarían de sus órbitas.

Es bueno para los habitantes de los planetas que esto sea así, pero hasta hace poco esto era un misterio en el estudio de la evolución y formación de estructuras galácticas. ¿Qué procesos físicos son responsables de hacer que una nube de gas se fragmente y sus aglomeraciones de gas proto-estelares estén tan lejos unas de otras? Y los culpables de esto parecen ser los huecos negros supermasivos.

Un descubrimiento asombroso, (y lo divertido de estudiar astrofísica es que casi todos los descubrimientos que se hacen lo son), de la década de los 90 fue el hecho de que casi todas las galaxias cuyos núcleos podemos estudiar tienen un gigantesco hueco negro adentro. Incluyendo nuestra propia galaxia de la Vía Láctea, que tiene un hueco negro gigante denominado Sagitario A que pesa sobre 2.6 MILLONES de masas solares. Es como meter 2.6 BILLONES de veces los 10²⁴ kilogramos que pesa TODO en la Tierra en un espacio menor que un grano de arena. Qué concepto tan bárbaro, ¿no? Aplastar estas cantidades inmensamente grandes de materia para obligarlas a caber en un espacio tan pequeño requiere de una fuerza de gravedad tan grande que no hay nada en el universo que se le pueda oponer. Esto deforma el espaciotiempo de una manera tan salvaje que todas las leyes de la física que conocemos pierden todo sentido. Un hueco negro supermasivo es un monstruo invisible que se traga todo lo que caiga en sus garras gravitatorias, y todo lo que entra en él se pierde total y completamente de este universo. Son negros porque se tragan hasta la propia luz. Son puertas a un Hades cósmico del cual nunca habrá salida y los que por ellas pasan deberán perder toda esperanza de regresar, como en el Infierno de Dante.

La teoría más aceptada actualmente indica que lo primero que se forma en una galaxia nueva cuando nace es uno de estos huecos negros que entonces empieza a tragarse de forma voraz todas las trillones de toneladas de gas y materia que tiene a su alrededor. Al irse tragando estas inmensas cantidades de gas, y debido a la fricción de caer hacia el hueco negro a la velocidad de la luz, este potaje cósmico se calienta a temperaturas que desafían la imaginación encendiendo una de las conflagraciones más brillantes y energéticas de todo el universo. Como dije en una entrada anterior, se cree que este mecanismo es responsable de los quasares y de los jets relativistas que se observan en los núcleos de galaxias activas.

Hace algunos años, Laura Ferrarese y sus colaboradores de la Universidad de Rutgers descubrieron otra pista interesante. Mientras más pesado era el hueco negro supermasivo en el centro de la galaxia más rápido giraban las estrellas en la periferia de esa galaxia. ¿Pero que relación podía haber entre estas 2 cantidades si las estrellas en la periferia de una galaxia están a decenas de miles de años-luz de distancia del hueco negro? Por más grande que sea la gravedad en la vecindad del hueco negro no puede tener un brazo tan largo como para acelerar estrellas a tan enormes distancias de éste.

Todo parece indicar que en la formación de cada galaxia el hueco negro juega un papel importante en la formación de todas las demás estrellas. Cuando se forma el hueco negro supermasivo en el centro y éste empieza a tragar materia en grandes cantidades se generan enormes flujos de radiación X y radiación gamma de alta energía. Este viento energético barre hacia atrás las capas exteriores de gas. Esto crea bolsillos de variada densidad y se especula que esto sirva de semilla para un período de formación intensa de nuevas estrellas. Al barrer el gas hacia regiones lejos del hueco negro las estrellas se separan bien lejos unas de otras, y el hueco negro se queda sin comida. Mientras más grande y densa sea la región central donde está el hueco negro, más se tardará esto en ocurrir y más rápido irán viajando las estrellas exteriores cuando este festín estelar termine.

La moraleja de este cuento astronómico es que sin estos huecos negros masivos, (que ahora vamos descubriendo por todos lados pero hace apenas 20 años atrás ni creíamos que existiesen), las estrellas probablemente estarían enbonchadas muy cerca unas de otras. Y no habría planetas. Y sin planetas no hay vida ni evolución. Y sin evolución no existiría este blog ni el que los escribe ni los que lo leen. Así que aunque usted no lo crea, le debe la vida a un monstruoso hueco negro supermasivo comelón en el centro de la Vía Láctea.

La física te da sorpresas. Sorpresas te da la física. ¡Ay, Dios!

Reporte desde la frontera de la ciencia

En estos días estoy participando de una de las Conferencias más concurridas e importantes de la Física Teórica: el Encuentro Anual de la Sociedad Americana de Física, que se celebra este año en Jacksonville, Florida. Aquí se reúnen los mejores cosmólogos, relativistas, teóricos de supercuerdas, físicos de partículas elementales, y expertos en mecánica cuántica de todo el continente americano (y varios europeos “colaos”) para presentar sus más recientes resultados. Es un banquete de física de la buena, con lo último en la avenida sobre las más modernas teorías y desarrollos experimentales en issues como el Big Bang, la Teoría de la Relatividad, huecos negros, los fundamentos de las leyes físicas, la estructura subatómica de la materia, y varios otros temas super-interesantes en las fronteras de la ciencia.

Muchas de las charlas son extremadamente técnicas y matemáticas, pero les intentaré traducir al español la esencia de las charlas a las que asista y encuentre interesantes.

Einstein vuelve a batear otro home run.
Los primeros resultados de un experimento con una precisión tecnológica impresionante, conocido como Gravity Probe B vuelve a confirmar las predicciones de la Teoría de la Relatividad General de Einstein. El viejito despeinado de pelo y bigote blanco sigue bateando de 100-100. No ha fallado una. Esta vez se confirma con la deformación del espaciotiempo alrededor del planeta Tierra debido a su masa gravitacional. Al deformarse el espacio y el tiempo alrededor del planeta esto produce desviaciones en la órbita que debiera de seguir un objeto completamente libre de toda otra influencia externa según las leyes de movimiento de Isaac Newton. Lo impresionante de la charla no fue solo que Einstein haya sido tan inteligente y tan bárbaro de lograr una teoría con un poder explicativo tan feroz (sobre sucesos tan esotéricos y cósmicos) luego de casi 100 años de formulada, sino el tesón y las maravillas tecnológicas de los físicos que logran medir efectos tan minúsculos y difíciles de visualizar. El experimento es tan difícil como medir el ancho de un cabello humano con menos de 5% de error desde una distancia de 100 millas. Wow!

Preparándonos para el LHC y otra Revolución más en la Física.
Este año debe comenzar a funcionar el acelerador de partículas más grande jamás diseñado por la raza humana: el Large Hadron Collider. Un anillo de varias millas de diámetro entre Suiza y Francia podrá chocar protones con anti-protones a energías de Tera-electronvoltios. Esto son energías fantásticamente grandes que no se habían logrado en nuestro universo desde los primeros minutos iniciales del Big Bang. Los físicos teóricos están muy excitados con este nuevo juguete pues varios de ellos predicen que el LHC podría ver nuevas partículas que prueben la existencia de supersimetría, den pistas importantes de cómo unificar la Mecánica Cuántica y la Relatividad General, y hasta puedan detectar dimensiones adicionales si es que estas existen, como algunas teorías de supercuerdas parecen indicar. No hay nada más excitante en la ciencia que otra Revolución, donde la verdad y la naturaleza del universo cambian rápidamente ante nuestros propios ojos.

Colisiones de huecos negros. Un campo madurando a pasos agigantados.
Mi campo de interés favorito pues fue donde hice mi tesis doctoral. Y es que los huecos negros son tan misteriosos y sexy. Hmmmmm… Y si los pones a chocar unos con otros más divertido es, (y horrendamente difícil). El cálculo de cómo se deforma el espaciotiempo cuando dos huecos negros, (las fuentes de gravedad más grandes del universo de cuya fuerza de atracción NADA PUEDE ESCAPAR y si uno cae dentro de ellos se pierde de este universo para siempre), orbitan a velocidades cercanas a la de la luz requiere resolver cientos de páginas de complejas computaciones algebraicas EN CADA PUNTO DEL ESPACIO y cada milésima de segundo. Solo una supercomputadora que haga trillones de cálculos por segundo puede meterle mano a tamaño problemón. Cuando yo estaba escribiendo mi tesis este problema era casi insoluble. No se sabía ni siquiera como escribirlo bien, ni como ponerlo en una forma que la computadora lo entendiese, mucho menos intentar resolverlo. Pero como los físicos somos la changa y había tantos genios trabajando en esto, vemos hoy cálculos completos de varias órbitas de diversos tipos de huecos negros colisionando y una cantidad verdaderamente impresionante de predicciones físicas la mar de interesantes. ¿Porqué nos interesan los choques entre huecos negros? ¿Para que sirve tal información? Esa es materia de otro artículo futuro en más detalle, pero puede proveer pistas importantes sobre la formación de galaxias, estrellas, planetas y eventualmente animales inteligentes como quisiéramos ser nosotros. Sin un choque de estos al formarse nuestra galaxia de la Vía Láctea probablemente nosotros no estuviésemos aquí vivitos hoy en día. Pero ese es un cuento para otro día si a alguien de verdad le interesa.

Astronomía y Cosmología

Aunque como profesor de la Facultad de Estudios Generales y como político me interesa mucho la relación entre la ciencia y otras disciplinas sociales como la política, la economía, la educación o la sociología debo confesar que mi doctorado y mi formación profesional es en ciencias completamente inútiles, que no producen tecnología alguna ni beneficios para la humanidad. Su atractivo principal es cultural. Entender las estrellas, el universo y de donde salieron todos esos puntitos de luz que veíamos por la noche (antes de que las luces eléctricas en las ciudades nos los borraran casi todos con su contaminación lumínica) es un buen tópico de discusión en fiestas, con los atalayas que quieren regalarte un paquín de como salvar tu alma los sábados en la mañana, o para conectar nuestra alma con el cosmos mediante el asombro y la filosofía. Pero que yo sepa ningún astrónomo se ha hecho millonario mirando por telescopios, o teorizando sobre el origen del universo y porqué rayos es como es.

Mi área de investigación es la Cosmología y la Física de Huecos Negros. Hice mi tesis doctoral sobre un problema sencillo de explicar pero matemáticamente horrendo de resolver (y aunque me dieron mi Ph.D. realmente nunca lo pude resolver). Todos vivimos en este planetita que gira alrededor de una estrella conocida como el Sol. Un enjambre de billones de estrellas flotando en el espacio se conoce como una galaxia. Todo parece indicar que dentro del corazón de cada galaxia habita un monstruoso hueco negro gigantesco que pesa millones, o hasta billones de veces más que el Sol. Los huecos negros son portales "one-way" que se tragan todo cuanto capturan con su increíblemente grande fuerza gravitacional. Lo que cae dentro de un hueco negro jamás puede volver a salir y desaparece de nuestro universo.

Mi problema consistía en calcular como orbitaría o caería dentro del hueco negro un objeto compacto que no se desbaratara antes de ser tragado, y que por ser tan pequeñito comparado con el gigantesco hueco negro se pudiera tratar como si fuese un punto geométrico. En la Teoría de la Relatividad esto es un serio problema ya que el hueco negro distorsiona el espacio y el tiempo a su alrededor y es extremadamente difícil decir donde está algo y exactamente cuando estuvo ahí.

El problema es de interés para los astrónomos porque al caer algo al hueco negro a velocidades comparables a la velocidad de la luz deforma y distorsiona el espacio y el tiempo (como doblar y traquetear con el espacio vacío, y peor aún, el tiempo es algo que requiere de una mejor explicación después). Esto crea una onda gravitacional (una onda que se propaga doblando el tiempo y el espacio vacío como una ola viaja en el mar cuando la superficie del agua se deforma). Estas ondas se deben poder detectar con observatorios sofisticados acá en la Tierra. Y nos traerían información valiosa desde el centro de las galaxias que nunca podemos ver con telescopios (por estar rodeados de estrellas y polvo interestelar). Y pistas importantes para entender de donde vino y como se formó el universo (que de verdad es lo que a mí como cosmólogo me interesa saber).

Hago este fascinante cuento porque el próximo semestre voy a ofrecer un curso electivo que diseñe sobre el Big Bang, y la eterna lucha entre la Ciencia y la Religión por explicar de donde vinimos y hacia donde vamos. Y como las tengo que escribir para mis estudiantes y mi experiencia es que a la gente le interesa mucho estos temas (si se le extraen las matemáticas porque si no, no los quieren tocar ni con un palo largo) pues me dedicaré a contestar preguntas esotéricas y fascinantes como:

¿Cuan grande es el universo? ¿Es infinito o tiene fin? Si empezó en una explosión, ¿que había antes de la explosión? ¿Cuantas dimensiones existen en realidad? ¿Habrá otros universos? ¿Podremos algún día viajar a las estrellas como en "Star Wars"? ¿Que es un "wormhole"?

Parecen ser preguntas que no tienen nada que ver con Puerto Rico o la Independencia, pero luego trataré de argumentar que de alguna tortuosa y maravillosa forma sí tienen que ver con nuestro diario vivir en Macondo.