La breve historia de los agujeros negros que ha llevado al Nobel de Física de 2020

El concepto de agujero negro tiene al menos 200 años. Sus raíces están en las leyes de la gravedad de sir Isaac Newton (publicadas en 1687), que cien años más tarde llevaron al astrónomo John Mitchell a imaginar una estrella tan grande y pesada que fuera capaz de que «la luz volviera hacia ella como resultado de su propia fuerza de gravedad». En 1796, el matemático francés Pierre-Simon de Laplace llegó a una conclusión similar en plena revolución francesa.

Sin embargo, estas estrellas oscuras quedaron en el olvido hasta que llegaron teorías más avanzadas para la luz, la gravedad y la materia, de la mano de Albert Enstein y su teoría de la relatividad.

Apenas unos meses después de que Einstein presentara su Relatividad General y de que demostrara que la gravedad afecta al movimiento de la luz, en 1916 el teniente de artillería y astrónomo Karl Schwarzschild resolvió las ecuaciones de Einstein para un punto en el vacío, allanando el camino para el concepto actual de agujero negro: «Schwarzschild desde luego, encontró la primera solución de las ecuaciones de Einstein que representa el agujero negro más sencillo», ha explicado José Luis Fernández Barbón investigador del Instituto de Fisica Teorica UAM/CSIC y experto en estos objetos.

Los cálculos del alemán mostraron que algunos de los parámetros de las ecuaciones de Einstein se hacían infinitos a partir de cierta distancia al corazón del agujero (el radio de Schwarzschild). Comenzaba a nacer así la singularidad, un punto donde la relatividad no funciona y algunas magnitudes adquieren valores infinitos.

Esta idea no resultó muy atractiva para muchos científicos , empezando por el propio padre de la relatividad. «Curiosamente, Einstein siempre fue muy escéptico acerca de los agujeros negros», ha explicado Fernández Barbón. «Pensaba que las leyes de la física conspirarían para que los agujeros negros nunca se pudieran formar en el mundo real. Esta actitud persistió en él incluso cuando ya había evidencia muy sólida de que no era así. Tal vez era porque la singularidad dentro del agujero negro es el sitio donde las ecuaciones de Einstein fallan».

En 1931, y enfrentándose a feroces críticas de prestigiosos astrónomos, el indio Subrahmanyan Chandrasekhar estimó un límite de masa a partir del cual la presión de degeneración de electrones no bastaría para frenar el colapso impulsado por la gravedad (esto se conoce como límite de Chandrasekhar).

En 1939, Robert Oppenheimer , uno de los padres de la bomba atómica, entre otros, predijo que una estrella de neutrones podría colapsar por las razones presentadas Chandrasekhar. Más adelante, interpretó la singularidad , a partir del radio de Schwarzschild, como una burbuja donde el tiempo se detenía , para observadores externos, pero no para los observadores que cayeran en las fauces del agujero.

Durante un tiempo, los agujeros negros volvieron a caer en el olvido y se convirtieron en curiosidades matemáticas. Al mismo tiempo, la relatividad pasó a considerarse como una teoría muy hermosa pero no demasiado útil. Sin embargo, a partir de los sesenta la situación cambió por completo y comenzó una edad dorada de agujeros negros y relatividad.

En 1958, David Finkelstein identificó la inquietante superficie esbozada por Oppenheimer como el horizonte de sucesos. Jocelyn Bell confirmó la existencia de púlsares demostrando que las estrellas de neutrones no eran una mera curiosidad teórica, y que en la naturaleza se podían producir realmente estructuras muy masivas y compactas. En 1963, Roy Kerr «encontró la solución explícita que describe los agujeros negros en rotación, que son los que seguramente aparecen en procesos reales de formación», ha explicado Fernández Barbón.

Más adelante, « Roger Penrose inició el estudio de teoremas cualitativos sobre singularidades y horizontes y Stephen Hawking culminó el programa de Penrose y descubrió la evaporación cuántica de los agujeros negros», ha proseguido. Estos trabajos de Hawking se completaron cuando en 1974 predijo el efecto conocido como radiación de Hawking. Finalmente, « Jacob Bekenstein hizo la primera conexión entre los agujeros negros y la teoría de la información», según el astrofísico.

Para Frans Pretorious, catedrático de Física de la universidad de Princeton especializado en la relatividad, entre «las muchas personas que contribuyeron a la comprensión contemporánea de los agujeros negros», hay que incluir a Werner Israel , pionero de los teóremas «no pelo» y a Stephen Hawking, por sus contribuciones a la física cuántica de los agujeros negros que, según él, podría haber sido galardonado con el Nobel si no hubiera fallecido.

Tampoco se ha olvidado del físico John Archibald Wheeler, que acuñó el concepto de agujero negro, y de otras muchas más figuras, como Demetrios Christodoulou, Kip Thorne, James Maxwell Bardeen, Saul A. Teukolsky o William Unruh. «Realmente ésta fue una edad de oro de la física de los agujeros negros».