Andrea Ghez: La búsqueda de un agujero negro supermasivo.

¿Cómo observar algo que no podemos ver? Esta es la pregunta esencial de quien desea encontrar y estudiar agujeros negros. Porque los agujeros negros son objetos cuya fuerza gravitacional es tan intensa que nada puede escapar a ella, ni siquiera la luz, y no se ven directamente.

Mi historia de hoy sobre los agujeros negros es sobre un agujero negro en particular. Me interesa saber si hay un agujero enorme, o lo que llamamos un agujero negro "supermasivo" en el centro de nuestra galaxia. Y esto es interesante porque nos da la oportunidad de probar si estos exóticos objetos realmente existen. Segundo, nos da la oportunidad de comprender cómo estos agujeros negros supermasivos interactúan con su ambiente, y cómo afectan la formación y evolución de las galaxias donde residen.

Para comenzar, debemos comprender qué es un agujero negro para que podamos comprender su prueba de existencia. Entonces, ¿qué es un agujero negro? Un agujero negro es un objeto increíblemente simple, porque sólo hay tres características que se pueden describir: la masa, su rotación, y la carga. Sólo voy a hablarles de la masa. En ese sentido, es un objeto muy simple. En otro sentido, es un objeto increíblemente complicado y debemos apelar a la física exótica para describirlo, lo que implica el quiebre de nuestra comprensión física del universo.

Hoy, la forma en la que quiero que entiendan un agujero negro, por la prueba de un agujero negro, es verlo como un objeto cuya masa está confinada a un volumen cero. Aunque voy a hablarles sobre un objeto que es supermasivo, y voy a explicar qué es eso en un momento, no tiene un tamaño finito. Es algo complicado.

Pero hay un tamaño finito que pueden ver, y eso se conoce como el radio Schwarzschild. Lleva el nombre de la persona que reconoció por qué era un radio tan importante. Este es un radio virtual, no real; el agujero negro no tiene tamaño. ¿Por qué es tan importante? Es importante porque nos dice que cualquier objeto puede convertirse en un agujero negro. Eso significa que ustedes, sus vecinos, sus teléfonos celulares, el auditorio puede convertirse en un agujero negro si pueden hallar la forma de comprimirlo al tamaño del radio Schwarzschild.

Entonces, ¿qué sucedería? En ese punto la gravedad gana. La gravedad gana sobre todas las otras fuerzas conocidas. Y el objeto es forzado a continuar colapsando en un objeto infinitamente pequeño. Y luego es un agujero negro. Si comprimiera a la Tierra al tamaño de un cubo de azúcar, se convertiría en un agujero negro, porque el tamaño de un cubo de azúcar es su radio Schwarzschild.

La clave es descifrar cuál es el radio Schwarzschild. Resulta muy sencillo. Sólo depende de la masa de un objeto. Objetos más grandes tienen radios Schwarzschild más grandes. Objetos pequeños tienen radios Schwarzschild más pequeños. Si yo tomara al sol y lo comprimiera a la escala de la Universidad de Oxford, se convertiría en un agujero negro.

Ahora sabemos lo que es un radio Schwarzschild. Es un concepto muy útil, porque no sólo nos dice cuándo se formará un agujero negro sino que nos da elementos cruciales para la prueba de un agujero negro. Sólo necesito dos cosas. Debo comprender la masa de un objeto que aseguro es un agujero negro, y cuál es su radio Schwarzchild. Dado que la masa determina el radio Schwarzschild, hay una sola cosa que debo conocer.

Mi tarea al convencerlos de que existe un agujero negro, es demostrar que hay un objeto que está confinado dentro de su radio Schwarzschild. Y su tarea de hoy es ser escépticos. Hablaré sobre agujeros negros nada comunes; hablaré sobre agujeros negros supermasivos.

Quería hablar sobre qué es un agujero negro común, si es posible que exista un agujero negro común. Se piensa que un agujero negro común es el estado final de la vida de una estrella masiva. Si una estrella comienza su vida con una masa mucho mayor que la del Sol, terminará su vida estallando dejando tras sí estos hermosos remanentes de supernova que vemos aquí. Dentro de ese remanente de supernova va a haber un pequeño agujero negro que tendrá una masa casi tres veces la masa del Sol. En una escala astronómica ese es un agujero negro muy pequeño.

Ahora, quiero hablarles sobre los agujeros negros supermasivos. Se cree que negros supermasivos residen en el centro de las galaxias. Esta hermosa fotografía tomada con el Telescopio Espacial Hubble muestra que las galaxias vienen en todas formas y tamaños. Hay grandes. Hay pequeñas. Casi todos los objetos en esa fotografía son galaxias. Hay una muy hermosa espiral arriba a la izquierda. Y hay cien billones de estrellas en esa galaxia, sólo para darles un sentido de escala. Toda esa luz que vemos de una típica galaxia, que es el tipo de galaxias que vemos aquí, viene de la luz de las estrellas. Entonces, vemos la galaxia debido a la luz estelar.

Hay pocas galaxias relativamente exóticas. Las llamo las prima donnas del mundo de las galaxias, porque son algo exhibicionistas. Y las llamamos núcleos galácticos activos. Las llamamos así porque sus núcleos, o sus centros, son muy activos. Allí en el centro, de ahí proviene la mayoría de la luz estelar. Sin embargo, lo que vemos es luz que no puede ser explicada por la luz estelar. Es mucho más energética. En algunos ejemplos es como la que vemos aquí. Hay chorros emanando desde el centro. Una fuente de energía muy difícil de explicar si consideran que las galaxias están compuestas de estrellas.

Se ha pensado que quizás hay agujeros supermasivos donde cae la materia. No se puede ver el agujero negro, pero se puede convertir la energía gravitacional del agujero negro en luz que podemos ver. Se cree que quizás los agujeros negros supermasivos existen en el centro de las galaxias. Pero es un argumento indirecto.

Sin embargo, ha generado la noción de que no son sólo estas prima donnas las que tienen estos agujeros supermasivos, sino que todas las galaxias podrían albergar agujeros negros supermasivos en sus centros. Si ése es el caso -- Éste es un ejemplo de una galaxia normal; lo que vemos es la luz de las estrellas. Si hay un agujero negro supermasivo, debemos pensar que es un agujero negro a dieta. Porque así se suprimen los fenómenos energéticos que vemos en núcleos galácticos activos.

Si vamos a buscar estos agujeros negros ocultos en el centro de las galaxias, el mejor lugar para buscar es en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Ésta es una fotografía de campo amplio del centro de la Vía Láctea. Lo que vemos es una línea de estrellas. Eso es porque vivimos en una galaxia que es una estructura aplanada, como un disco. Vivimos en el medio, y cuando miramos hacia el centro, vemos este plano que define el plano de la galaxia, o la línea que define el plano de la galaxia.

La ventaja de estudiar nuestra propia galaxia es que es el ejemplo más cercano del centro de una galaxia que podemos ver, porque la otra galaxia más cercana está 100 veces más lejos. Podemos ver mucho más detalle en nuestra galaxia que en cualquier otro lugar. Como verán en un momento, la habilidad de ver detalles es crucial para este experimento.

¿Como los astrónomos demuestran que hay mucha masa dentro de un volumen pequeño? Eso es lo que debo mostrarles hoy. La herramienta que usamos es observar la forma en que las estrellas orbitan el agujero negro. Las estrellas orbitarán el agujero negro del mismo modo en que los planetas orbitan el sol. La atracción gravitatoria hace orbitar estos objetos. Si no hubiera objetos masivos, estas cosas se irían flotando, o se moverían a una velocidad mucho menor porque lo que determina cómo se mueven es cuánta masa hay dentro de su órbita.

Esto es genial, porque recuerden que mi tarea es mostrarles que hay mucha masa dentro de un volumen pequeño. Si sé cuán rápido gira, conozco la masa. Y si conozco la escala de la órbita, conoceré el radio. Entonces, quiero ver las estrellas que están lo más cerca posible del centro de la galaxia. Porque quiero mostrar que hay masa dentro de la región más pequeña. Esto significa que quiero ver mucho detalle. Por esto hemos usado para este experimento el telescopio más grande del mundo.

Este es el observatorio Keck. Tiene dos telescopios con un espejo de 10 metros, que es casi el diámetro de una cancha de tenis. Esto es maravilloso porque la promesa usual de los grandes telescopios es que, mientras más grande, más pequeño es el detalle que podemos ver. Pero estos telescopios, o cualquier telescopio terrestre tiene algunos problemas para honrar esa promesa. Eso es debido a la atmósfera. La atmósfera es genial para nosotros; nos permite sobrevivir en la Tierra. Pero es un reto para los astrónomos que quieren observar fuentes astronómicas a través de la atmósfera.

Para darles una idea, es como mirar una piedrita en el fondo de un arroyo. Al mirar la piedra en el fondo, la corriente se mueve continuamente y es turbulenta, y eso dificulta ver la piedra en el fondo. Igualmente, es muy difícil ver fuentes astronómicas, porque la atmósfera se mueve continuamente.

He pasado gran parte de mi carrera buscando maneras de corregir el problema de la atmósfera, y tener una visión más clara. Con eso obtenemos un factor de aproximadamente 20. Creo que todos estarán de acuerdo que si pudieran mejorar su vida por un factor de 20 la mejorarían muchísimo, lo notarían en su salario, o sus hijos.

Esta animación les muestra un ejemplo de las técnicas que usamos, llamadas óptica adaptativa. Aquí ven una animación que parte del ejemplo de cómo verían si no usan esta técnica, sólo una fotografía que muestra las estrellas, la caja está enfocada en el centro de la galaxia. donde creemos está el agujero negro. Sin esta tecnología no se pueden ver las estrellas. Con esta tecnología, repentinamente podemos verlas. Esta tecnología funciona introduciendo un espejo dentro del sistema óptico del telescopio que cambia continuamente para contrarrestar el efecto de la atmósfera. Son como anteojos sofisticados para su telescopio.

En las siguientes diapositivas voy a concentrarme en ese pequeño cuadro. Sólo veremos las estrellas dentro de ese pequeño cuadro, aunque las hayamos visto todas. Quiero ver cómo estas cosas se han movido. En el curso de este experimento, estas estrellas se han movido mucho. Hemos hecho este experimento por 15 años, y vemos las estrellas dar toda la vuelta.

La mayoría de los astrónomos tiene una estrella favorita, la mía es una estrella que está etiquetada ahí, SO-2. Es mi estrella favorita. Porque da la vuelta en sólo 15 años. Para darles una idea de cuán poco tiempo es, el sol tarda 200 millones de años en girar alrededor del centro de la galaxia. Las estrellas que antes conocíamos, cerca del centro de la galaxia, lo más posible, tardan 500 años. Y ésta da la vuelta en el transcurso de una vida humana. Eso es algo profundo.

Pero es la clave de este experimento. La órbita me dice cuánta masa hay adentro de un radio muy pequeño. Ahora vemos una fotografía que les muestra antes de este experimento el tamaño al cual podíamos limitar la masa del centro de la galaxia. Antes sabíamos que había cuatro millones veces la masa del sol dentro de ese círculo. Como ven, hay muchas otras cosas dentro de ese círculo. Pueden ver muchas estrellas. Había muchas alternativas a la idea de que existía un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia, porque se podían colocar muchas cosas allí.

Pero con este experimento hemos confinado esa misma masa a un volumen mucho menor, 10 mil veces menor. Por eso hemos podido mostrar que hay un agujero negro supermasivo allí. Para darles una idea de lo pequeña que es, ese es el tamaño de nuestro sistema solar. Comprimimos cuatro millones de veces la masa del sol en ese pequeño volumen.

Debemos ser veraces. ¿No? Dije que mi trabajo es reducirlo hasta el radio de Schwarzchild. En verdad, aún no lo he logrado. Pero no tenemos alternativa en la actualidad para explicar esta concentración de masa. Es la mejor evidencia que tenemos a la fecha no sólo de la existencia de un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra propia galaxia, sino en nuestro universo. Entonces, ¿Ahora qué? Yo creo que es lo mejor que podemos hacer con la tecnología actual, así que avancemos.

Quiero mostrarles, brevemente, algunos ejemplos de cuán excitante es lo que podemos hacer hoy en el centro de nuestra galaxia, ahora que sabemos que hay, o creemos que existe, un agujero negro supermasivo allí. Y la fase divertida de este experimento es que, aunque hemos sometido a prueba algunas de nuestras ideas sobre las consecuencias de que un agujero negro supermasivo esté en el centro de nuestra galaxia, casi cada una de ellas ha sido inconsistente con lo que realmente vemos. Y eso es lo divertido.

Déjenme citar dos ejemplos. Ustedes pueden preguntar, "¿Qué esperan de las viejas estrellas? Las que han estado en el centro de la galaxia por mucho tiempo, y han tenido suficiente tiempo para interactuar con el agujero negro." Lo que se espera es que las viejas estrellas estén muy agrupadas alrededor del agujero negro. Deberían ver muchas estrellas viejas junto a ese agujero negro.

Del mismo modo, o en contraste, las estrellas jóvenes, simplemente no deberían estar ahí. Un agujero negro no es un buen vecino de una guardería estelar. Para que una estrella se forme, es necesario que colapse una gran bola de gas y polvo. Es una entidad muy frágil. ¿Qué hace este agujero negro? Rompe las nubes de gas. Tira mucho más fuerte de un lado que del otro y la nube se rompe. Anticipamos que la formación de estrellas no debería ocurrir en ese ambiente.

Entonces, no deberíamos ver estrellas jóvenes. Entonces, ¿Qué vemos? Usando observaciones que no son las que les mostré hoy, podemos identificar cuáles son viejas y cuáles son nuevas. Las viejas son rojas. Las jóvenes son azules. Y las amarillas, aún no lo sabemos. Ya pueden ver la sorpresa. Hay una escasez de estrellas viejas. Hay una abundancia de estrellas jóvenes, y eso es exactamente lo opuesto a la predicción.

Esta es la parte divertida. Hoy en día, eso es lo que intentamos comprender, este misterio de cómo obtienes -- cómo resolver esta contradicción. Mis estudiantes de postgrado están, ahora mismo, en el telescopio, en Hawái, realizando observaciones para llevarnos a la próxima etapa, donde podamos responder esta pregunta: por qué hay tantas estrellas jóvenes, y tan pocas estrellas viejas. Para progresar necesitamos mirar las órbitas de estrellas que están mucho más lejos. Para hacer eso necesitaremos tecnología mucho más sofisticada de la que tenemos hoy.

Porque, si bien dije que hacemos ajustes según la atmósfera de la Tierra, sólo corregimos la mitad de los errores que aparecen. Lo hacemos disparando un láser a la atmósfera, y creemos que si disparamos algunos más podremos corregir el resto. Es lo que esperamos hacer en los próximos años. En una escala de tiempo mucho mayor, esperamos construir telescopios aún más grandes. porque, mientras más grande, mejor para la astronomía.

Queremos construir un telescopio de 30 metros. Con ese telescopio podremos ver estrellas que están más cerca del centro de la galaxia. Y esperamos poder probar algunas de las teorías de la relatividad general de Einstein, ideas de cosmología sobre cómo las galaxias se forman. Creemos que el futuro de este experimento es muy emocionante.

Para terminar, les mostraré una animación que básicamente muestra cómo estas órbitas se han estado moviendo, en tres dimensiones. Y espero, ojalá, haberles convencido de que, primero, sí existe un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia. Esto significa que estas cosas existen en nuestro universo, y tenemos que lidiar con esto, tenemos que explicar cómo surgen estos objetos en nuestro mundo físico.

Segundo, hemos podido observar cómo los agujeros negros supermasivos interactúan, y comprender, quizás, el rol que cumplen en la formación de las galaxias, y cómo funcionan.

Y por último, pero no menos importante, nada de esto hubiera sucedido sin el gran progreso de la tecnología. Creemos que es un campo que se está moviendo muy rápido, y tiene muchas cosas reservadas para el futuro. Muchas gracias. (Aplausos)