El Nobel de Física, orbitant forats negres

Una anàlisi de la recerca i els descobriments rere el premi atorgat a Roger PenroseReinhard Genzel i Andrea Ghez

cygnusx1 nobel forats negres

Els qui fem o hem fet algun tipus de modelització teòrica de sistemes físics de certa complexitat solem riure dels nostres models referint-nos-hi com «la vaca esfèrica». En efecte, l’objectiu és fer-se una idea del sistema «vaca» suposant-lo esfèric per poder simplificar-ne els càlculs. I açò només ve al cas perquè la història del Nobel de Física d’enguany comença amb un remugant esfèric.

«La teoria de la relativitat general contemplava, matemàticament, l’existència d’objectes que no permetrien escapar res»

La teoria de la relativitat general contemplava, matemàticament, l’existència d’objectes que no permetrien escapar res, tal com va demostrar Karl Schwarzschild en 1916. Ni tan sols la llum. La pregunta era si aquesta entelèquia podia concretar-se en un objecte físic real. Per tal de demostrar-ho calia estudiar si una quantitat determinada de matèria podria col·lapsar, açò és, calia estudiar-ne el procés de formació. L’any 1939, els físics Robert Oppenheimer i Hartland Snyder van demostrar que es podria generar tal objecte, tot suposant una distribució perfectament esfèrica de la matèria. Des d’aquell moment el dubte era si la suposició limitava el resultat a aquest escenari idealitzat.

I ací és on arriba l’enginy de Sir Roger Penrose, qui va demostrar en 1965 la inevitabilitat del col·lapse de la matèria per formar un forat negre (terme introduït per Robert Dicke en 1960) independentment de la distribució inicial d’aquesta matèria. Penrose va introduir la idea de superfície atrapada, que ens permet imaginar un forat negre com la regió de l’espai (interior a eixa superfície) en què qualsevol raig de llum emés es propaga irremissiblement cap al centre d’aquesta superfície. Això significa que tant fa si el raig de llum és emés cap a l’exterior de la superfície, perquè es propagarà cap al seu centre. És a dir, l’espai i el temps es barregen de tal manera que de fet intercanvien el seu paper i el futur està al centre del sistema. De la mateixa manera que nosaltres som arrossegats pel temps cap al futur sense que hi puguem fer res, qualsevol observador dintre d’aquesta superfície és arrossegat cap al centre de la superfície tancada. Allà és on hi ha la singularitat, un punt que no pertany a la descripció matemàtica de l’espai-temps, el veritable forat.

portrait nobel fisica forats negres

D’esquerra a dreta, Roger Penrose, Reinhard Genzel i Andrea M. Ghez. © Nobel Media. III. Niklas Elmehed

Des del moment en què va quedar clar que el col·lapse podria ocórrer en sistemes astrofísics reals, va començar la cerca de pistes sobre la seua existència a l’univers. Ja en 1963 es va començar a especular sobre la possibilitat que la brillantor dels quàsars, galàxies molt més lluminoses de l’usual, estiguera alimentada per la presència d’un forat negre al seu sí. Tanmateix, va ser a la nostra pròpia galàxia on es va trobar una candidatura més evident: l’objecte binari Cygnus X-1. Tot això ocorria entre la dècada dels seixanta i principis dels setanta del segle passat.

Després van arribar altres candidats a través de múltiples evidències indirectes, però no hi havia cap observació prou directa per poder afirmar amb rotunditat que es tractava de forats negres. S’especulava amb la possibilitat que hi haguera un forat negre amb masses enormes al centre de cada galàxia, i també a la Via Làctia. A mitjan dècada dels noranta, la nova generació de telescopis de radiació infraroja va permetre l’observació directa dels estels al centre de la nostra galàxia. La matèria que hi ha entre nosaltres i aquesta regió n’impedeix l’observació amb els telescopis de llum visible, entre d’altres. Amb els nous dispositius, havia arribat el moment.

«Potser en un futur no llunyà, l’Acadèmia Sueca haurà de repensar la manera com concedeix els seus famosos premis»

Els equips d’Andrea M. Ghez i de Reinhard Genzel observaren de manera independent un seguit d’estels que orbiten ràpidament entorn d’un centre de masses clarament localitzable. Fent servir lleis físiques senzilles, els equips van estimar la massa de l’objecte central en 4·106 vegades la massa del Sol. Aquesta massa, concentrada en la regió observada, només podia ser un forat negre. I vet ací la primera evidència potser encara indirecta, però clara, de l’existència de forats negres en el nostre univers.

Aquest premi, que reconeix les passes tan rellevants en física i astrofísica que hem explicat, enllaça també dues tradicions científiques diferents: una més pròpia del segle XX, en què els equips de recerca estaven formats per molt pocs investigadors i predominava el treball individual, per una banda; de l’altra, una iniciada a les darreries del segle XX, en què el més habitual és el treball en equip i en què la frontera entre un autor d’un article i el següent és difosa quant a l’aportació d’idees o càrrega de treball. Potser en un futur no llunyà, l’Acadèmia Sueca haurà de repensar la manera com concedeix els seus famosos premis.

Actualitzat: 15 d'octubre de 2020, 8:54h

© Mètode 2020

Investigador del Departament d’Astronomia i Astrofísica, Universitat de València.