/ sábado 24 de octubre de 2020

Nobel de Física 2020: Agujeros Negros

Dra. Alma X. González Morales

Cátedra CONACYT/División de Ciencias e Ingenierías

Campus León, Universidad de Guanajuato


Estamos en ese mes del año que tanto nos gusta, especialmente en el estado de Guanajuato, por el festejo del día de muertos y el Festival Cervantino. Otra razón para marcar este mes como favorito en el calendario es el anuncio del premio Nobel de Física, que este año tiene a los agujeros negros como protagonistas.

Entendemos a los agujeros negros como objetos formados a partir del colapso de una gran cantidad de materia concentrada en un espacio muy pequeño, lo que hace que la atracción gravitacional cerca de ellos sea tal que incluso la luz quede atrapada. Imaginémonos concentrar toda la masa de nuestro planeta en una pequeña esfera de menos de 1 centímetro de radio, como una canica estándar. Las primeras ideas de la existencia de este tipo de objetos aparecieron mucho antes de que Albert Einstein propusiera la teoría de la relatividad general, nuestra actual teoría de la gravitación, en 1915. Si bien la existencia y descripción matemática de estos objetos se enmarca precisamente en dicha teoría, el propio Einstein no consideraba que fueran objetos físicos, es decir que pudieran realmente existir.

Trabajos de Schwarzschild, Oppenheimer, Liftshitz, Khalatnikov y Wheeler, entre otros, mostraron que la formación de estos objetos sería posible, desde el punto de vista matemático, pero solo si la distribución de masa inicial que colapsa para formarlos fuera simétrica y sin rotación, condiciones muy especiales y que difícilmente objetos como las estrellas cumplirian. Por otro lado, también se dieron cuenta que estrellas un poco más masivas que nuestro Sol, no soportarían la presión producida por su propia gravedad y colapsarían, haciendo que toda la masa se concentrará prácticamente en un volumen nulo, es decir se convertirían en puntos en el espacio donde la densidad sería infinitamente grande, y por tanto las partículas cercanas no podrían hacer más que caer hacia ellos. A estos puntos los llamamos singularidades y son tales que las leyes de la física que conocemos dejan de tener validez.

No fue sino hasta la década de 1960 que Roger Penrose se tomó en serio la tarea de demostrar la existencia de dichas singularidades. Y así lo hizo. Demostró que pueden existir, y más aún estableció que no es posible encontrar a las singularidades “desnudas” sino que siempre están ocultas dentro de lo que se conoce como el horizonte de eventos, que es precisamente la región de donde ni la luz puede escapar. Es decir que la singularidad queda oculta en una región a partir de la cual un observador ya no obtiene información. Es como si la propia naturaleza censurara la posibilidad de estudiar a profundidad las propiedades de esas singularidades.

Los estudios de Sir Roger Penrose abrieron el campo de estudio de las singularidades. El término agujero negro es el nombre que adquirió popularidad después que Wheeler empezara a usarlo. La demostración matemática de la validez de la existencia de estos objetos se considera la primera de las predicciones de la relatividad general no hecha directamente por Einstein. Y por ello se ha hecho merecedor de la mitad del Nobel de este año.

La otra mitad se dio conjuntamente a Reinhard Genzel y Andrea Ghez, quienes lideraron a dos equipos independientes, en Alemania y EE.UU., respectivamente, en la tarea de determinar observacionalmente la existencia de un objeto muy masivo en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Estos equipos han llevado a cabo campañas de observación durante cerca de 30 años, recolectando información sobre el movimiento de las estrellas más brillantes que se encuentran en el centro de la galaxia. Este descubrimiento fue posible gracias a las observaciones realizadas en los telescopios Keck, en Hawai, y VLT, en Chile. Así como al desarrollo de técnicas especiales para corregir distorsión en las observaciones producida por la turbulencia de la atmósfera. Una de estas técnicas es la construcción de imágenes por “moteado”, que consiste en realizar múltiples observaciones de baja exposición y combinarlas, en lugar de tomar una sola imagen de mayor tiempo de exposición. Es como si al tomar una fotografía pulsáramos el obturador muchas veces seguidas y luego combináramos el resultado en una sola foto. Otra técnica importante es la llamada óptica adaptativa, que mediante el uso de estrellas de referencia (algunas incluso artificiales creadas utilizando láseres) y arreglos de espejos deformables, compensa por la distorsión de las imágenes producida por el paso de la luz a través de la atmósfera. Como esos colchones de foam que se adaptan a la forma del cuerpo, los espejos se adaptan a las distorsiones de la luz que está incidiendo en ellos.

El objeto detectado se conoce como Sagitario A*, y se le denomina objeto masivo compacto y no agujero negro pues existen otros objetos que tienen propiedades simulares. Pero como decimos comúnmente, huele a agujero negro, parece agujero negro...

Si bien el premio Nobel de este año nos llena de motivación nuevamente a quienes realizamos investigación en gravitación, astrofísica y cosmología (recordemos que el año pasado se otorgó el premio Nobel de Física a las mismas áreas del conocimiento), debemos resaltar la importancia de que el trabajo de Andrea Ghez haya sido reconocido, convirtiéndola en la cuarta mujer en obtener este premio, el más importante en física. Donna Strickland lo obtuvo en 2018, por su trabajo en física de láseres, Maria Goepert-Mayer por sus descubrimientos en el núcleo de los átomos en 1963 y Marie Skłodowska Curie en 1903 por sus investigaciones en el fenómeno de radiación. Esperamos que sea cada vez más frecuente ver el trabajo de las investigadoras siendo reconocido.

Dra. Alma X. González Morales

Cátedra CONACYT/División de Ciencias e Ingenierías

Campus León, Universidad de Guanajuato


Estamos en ese mes del año que tanto nos gusta, especialmente en el estado de Guanajuato, por el festejo del día de muertos y el Festival Cervantino. Otra razón para marcar este mes como favorito en el calendario es el anuncio del premio Nobel de Física, que este año tiene a los agujeros negros como protagonistas.

Entendemos a los agujeros negros como objetos formados a partir del colapso de una gran cantidad de materia concentrada en un espacio muy pequeño, lo que hace que la atracción gravitacional cerca de ellos sea tal que incluso la luz quede atrapada. Imaginémonos concentrar toda la masa de nuestro planeta en una pequeña esfera de menos de 1 centímetro de radio, como una canica estándar. Las primeras ideas de la existencia de este tipo de objetos aparecieron mucho antes de que Albert Einstein propusiera la teoría de la relatividad general, nuestra actual teoría de la gravitación, en 1915. Si bien la existencia y descripción matemática de estos objetos se enmarca precisamente en dicha teoría, el propio Einstein no consideraba que fueran objetos físicos, es decir que pudieran realmente existir.

Trabajos de Schwarzschild, Oppenheimer, Liftshitz, Khalatnikov y Wheeler, entre otros, mostraron que la formación de estos objetos sería posible, desde el punto de vista matemático, pero solo si la distribución de masa inicial que colapsa para formarlos fuera simétrica y sin rotación, condiciones muy especiales y que difícilmente objetos como las estrellas cumplirian. Por otro lado, también se dieron cuenta que estrellas un poco más masivas que nuestro Sol, no soportarían la presión producida por su propia gravedad y colapsarían, haciendo que toda la masa se concentrará prácticamente en un volumen nulo, es decir se convertirían en puntos en el espacio donde la densidad sería infinitamente grande, y por tanto las partículas cercanas no podrían hacer más que caer hacia ellos. A estos puntos los llamamos singularidades y son tales que las leyes de la física que conocemos dejan de tener validez.

No fue sino hasta la década de 1960 que Roger Penrose se tomó en serio la tarea de demostrar la existencia de dichas singularidades. Y así lo hizo. Demostró que pueden existir, y más aún estableció que no es posible encontrar a las singularidades “desnudas” sino que siempre están ocultas dentro de lo que se conoce como el horizonte de eventos, que es precisamente la región de donde ni la luz puede escapar. Es decir que la singularidad queda oculta en una región a partir de la cual un observador ya no obtiene información. Es como si la propia naturaleza censurara la posibilidad de estudiar a profundidad las propiedades de esas singularidades.

Los estudios de Sir Roger Penrose abrieron el campo de estudio de las singularidades. El término agujero negro es el nombre que adquirió popularidad después que Wheeler empezara a usarlo. La demostración matemática de la validez de la existencia de estos objetos se considera la primera de las predicciones de la relatividad general no hecha directamente por Einstein. Y por ello se ha hecho merecedor de la mitad del Nobel de este año.

La otra mitad se dio conjuntamente a Reinhard Genzel y Andrea Ghez, quienes lideraron a dos equipos independientes, en Alemania y EE.UU., respectivamente, en la tarea de determinar observacionalmente la existencia de un objeto muy masivo en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Estos equipos han llevado a cabo campañas de observación durante cerca de 30 años, recolectando información sobre el movimiento de las estrellas más brillantes que se encuentran en el centro de la galaxia. Este descubrimiento fue posible gracias a las observaciones realizadas en los telescopios Keck, en Hawai, y VLT, en Chile. Así como al desarrollo de técnicas especiales para corregir distorsión en las observaciones producida por la turbulencia de la atmósfera. Una de estas técnicas es la construcción de imágenes por “moteado”, que consiste en realizar múltiples observaciones de baja exposición y combinarlas, en lugar de tomar una sola imagen de mayor tiempo de exposición. Es como si al tomar una fotografía pulsáramos el obturador muchas veces seguidas y luego combináramos el resultado en una sola foto. Otra técnica importante es la llamada óptica adaptativa, que mediante el uso de estrellas de referencia (algunas incluso artificiales creadas utilizando láseres) y arreglos de espejos deformables, compensa por la distorsión de las imágenes producida por el paso de la luz a través de la atmósfera. Como esos colchones de foam que se adaptan a la forma del cuerpo, los espejos se adaptan a las distorsiones de la luz que está incidiendo en ellos.

El objeto detectado se conoce como Sagitario A*, y se le denomina objeto masivo compacto y no agujero negro pues existen otros objetos que tienen propiedades simulares. Pero como decimos comúnmente, huele a agujero negro, parece agujero negro...

Si bien el premio Nobel de este año nos llena de motivación nuevamente a quienes realizamos investigación en gravitación, astrofísica y cosmología (recordemos que el año pasado se otorgó el premio Nobel de Física a las mismas áreas del conocimiento), debemos resaltar la importancia de que el trabajo de Andrea Ghez haya sido reconocido, convirtiéndola en la cuarta mujer en obtener este premio, el más importante en física. Donna Strickland lo obtuvo en 2018, por su trabajo en física de láseres, Maria Goepert-Mayer por sus descubrimientos en el núcleo de los átomos en 1963 y Marie Skłodowska Curie en 1903 por sus investigaciones en el fenómeno de radiación. Esperamos que sea cada vez más frecuente ver el trabajo de las investigadoras siendo reconocido.

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