Agujero negro y científicos indios

El trabajo del premio Nobel de Física Roger Penrose sobre el agujero negro se basa en el trabajo de los científicos antes que él. Entre ellos muchos indios.

agujero negro, científicos indios agujero negro, científicos indios nasa, científicos indios descubrimiento del agujero negro, últimas noticias, expreso indioLa historia moderna comienza con Subrahmanyan Chandrasekhar quien, en 1930, hizo el sorprendente descubrimiento de que existe una masa máxima que puede tener una enana blanca. Esto es aproximadamente 1,4 veces la masa de nuestro sol. (Fuente: Observatorio de rayos X Chandra)

Por Naresh Dadhich y Ajit Kembhavi

El gran físico inglés Sir Isaac Newton dijo la famosa frase: Si he visto más lejos que otros, es estando sobre los hombros de gigantes. Esto es cierto en general en la ciencia. No se hace ningún descubrimiento sin que uno se pare sobre unos hombros, bajo o alto.

Busquemos los posibles hombros sobre los que Roger Penrose puede estar parado, mientras vemos la formación de agujeros negros como el estado final inevitable de una estrella con una gran masa en la teoría de la gravitación de Albert Einstein, también conocida como la teoría general de la relatividad. El trabajo de Penrose está en las noticias actualmente porque le ha valido el premio Nobel de física de este año. Ha compartido el premio con otros dos astrónomos por su trabajo independiente en la detección de masas muy grandes que se cree que son un agujero negro en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.



La primera conexión india con el término agujero negro es un incidente infame en 1756, cuando el Nawab Siraj-ud-Daulah apretó a 146 soldados británicos en un calabozo en Fort William, que llegó a ser conocido como el Agujero Negro de Calcuta. (La Oficina General de Correos de Calcuta se encuentra en este sitio en la actualidad. ¡No es de extrañar que los residentes de Calcuta se quejen de que no sale ninguna carta del sitio!)

Es interesante que la primera concepción de un agujero negro como posibilidad científica fuera a seguir muy pronto. En 1784, el clérigo y científico británico John Michell y, dos años más tarde, el gran matemático francés Pierre Simon Laplace argumentaron que si un objeto es muy masivo y denso, su gravedad puede ser tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar de él. Tal objeto, si existe, sería completamente negro e invisible: ¡un agujero negro!

La historia moderna comienza con Subrahmanyan Chandrasekhar quien, después de su licenciatura en Madrás, se fue a Cambridge, Inglaterra, en 1930 para estudios superiores. En su viaje a Cambridge, hizo interesantes cálculos sobre las enanas blancas. Hasta entonces se creía que todas las estrellas terminarían con su vida convirtiéndose en una enana blanca. Se trata de un objeto muy enigmático, que se apoya contra la fuerza de la gravedad debido a la presión ejercida por los electrones. En su investigación matemática de tales objetos, el joven Chandrasekhar combinó la teoría de la relatividad de Albert Einstein y la entonces nueva teoría de la mecánica cuántica. Hizo el sorprendente descubrimiento de que existe una masa máxima que puede tener una enana blanca. Esto es aproximadamente 1,4 veces la masa de nuestro sol. Una enana blanca con una masa superior a este valor, ahora llamada límite de Chandrasekhar, debe colapsar necesariamente. Este fue un descubrimiento muy importante. Es un asunto diferente que Sir Arthur Eddington, posiblemente el astrofísico más influyente y creativo de la época, no aceptó el descubrimiento monumental de Chandrasekhar y lo criticó de una manera poco científica. Este último rió por última vez cuando recibió el premio Nobel por su trabajo sobre las enanas blancas en 1983.

¿Qué sucede cuando una estrella no puede terminar su vida como enana blanca porque es demasiado masiva? Resulta que a medida que una estrella continúa colapsando, eventualmente se vuelve tan densa que casi toda la materia que contiene se convierte en partículas nucleares llamadas neutrones. Estos neutrones pueden, como los electrones en las enanas blancas, ejercer presión para contrarrestar el colapso, lo que lleva a la formación de un objeto estable llamado estrella de neutrones. Un objeto así es tan denso que solo una cucharada de su materia pesaría lo mismo que toda la humanidad. Incluso un objeto así tiene una masa límite de aproximadamente tres veces la masa del Sol.

Si una estrella de neutrones es más masiva que este límite, debe colapsar indefinidamente ya que no hay una fuente de presión disponible en la presente teoría para resistirla. Se colapsa hasta un tamaño cero y una densidad infinitamente grande, una singularidad. Incluso antes de que el objeto alcance esta etapa, se vuelve tan compacto que la luz ya no puede escapar de él: ¡se forma un agujero negro! Este resultado se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein en la que la gravedad y la geometría del espacio-tiempo se sintetizan maravillosamente. La gravedad se describe mediante la curvatura del espacio-tiempo. Es por eso que los agujeros negros en la relatividad general son objetos más profundos y extraños que los agujeros negros en la teoría de la gravedad de Newton descrita por Michell y Laplace.

Bishveshwar Datt, de Kolkata, elaboró ​​las matemáticas para tal colapso en 1938. Sin embargo, poco después de obtener el importante resultado, murió en la mesa de operaciones mientras era operado de una hernia. Un año después, Robert Oppenheimer (quien es conocido como el padre de la primera bomba atómica) y David Snyder en los Estados Unidos obtuvieron el mismo resultado que obtuvo Datt, que se conoce como el colapso de Oppenheimer-Snyder.

Eran los años de la Segunda Guerra Mundial, que habían dificultado el flujo de información desde la India hacia el extranjero. Por esta razón, y la triste e prematura desaparición de Datt, su contribución permaneció en el olvido hasta 1999, cuando el Journal of General Relativity and Gravitation lo descubrió y reimprimió el artículo original. Para ser justos, el resultado que sienta las bases para la formación de un agujero negro debería denominarse colapso de Datt-Oppenheimer-Snyder (DOS).

En 1953, Amal Kumar Raychaudhuri, profesor de Ashutosh College, Kolkata, obtuvo una ecuación notable, que lleva su nombre. Esto gobierna la evolución de un sistema de partículas según la teoría de la gravitación de Einstein. Es la ecuación de Raychaudhuri la que establece en toda generalidad el profundo resultado de que la ocurrencia de una singularidad es inevitable en la relatividad general. El trabajo anterior de Datt, Oppenheimer y Snyder había hecho suposiciones simplificadoras que Raychaudhuri no utilizó en su obra fundamental.

A mediados de la década de 1960, Stephen Hawking y Roger Penrose, basándose en la ecuación de Raychaudhuri y empleando técnicas de análisis global, hicieron la predicción profunda de que la formación de un agujero negro con una singularidad en su centro es inevitable en la teoría de la gravedad de Einstein. Demostraron teoremas muy poderosos estableciendo el resultado matemática y rigurosamente. Es este importante trabajo el responsable del Nobel a Penrose. Hawking no pudo ser incluido en el premio ya que no se otorga a personas fallecidas.

Aunque la ecuación de Raychaudhuri lleva a la conclusión de que la singularidad es inevitable en el colapso gravitacional en la relatividad general, lo que los poderosos teoremas de Hawking y Penrose han demostrado mediante el uso de las técnicas de análisis global es que a medida que avanza el colapso, se formarán superficies atrapadas a partir de qué materia no puede escapar. En esencia, los teoremas explican el proceso de formación de un agujero negro en términos de geometría del espacio-tiempo. El agujero negro es extraño y exótico simplemente porque es un objeto puramente geométrico.

El orden de profundidad en física procede de la siguiente manera. En la cima está el descubrimiento de una nueva ley de la física. Luego vienen las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de varios sistemas físicos, como el colapso de estrellas o el universo en expansión. Y, finalmente, tenemos varios resultados importantes, útiles e interesantes que se derivan de las ecuaciones. La teoría de la gravitación de Einstein condujo a muchos y profundos resultados sobre los agujeros negros, el universo en expansión, etc. El papel de la ecuación de Raychaudhuri está claro en esta jerarquía.

En 1966, Fred Hoyle y Jayant Narlikar hicieron la siguiente pregunta: ¿Qué tan masiva debería ser una estrella para detener la expansión cósmica de la materia circundante y formar una estructura similar a una galaxia? Descubrieron que debe tener aproximadamente mil millones de veces la masa del sol. Por lo tanto, argumentaron que el centro de una galaxia como la nuestra debería albergar una estrella supermasiva. Los dos observadores, Andrea Ghez y Reinhard Genzel, han compartido el premio Nobel con Penrose por encontrar un objeto supermasivo (eso es lo que dice la cita) en el centro de nuestra galaxia. Se cree ampliamente que este objeto es un agujero negro. Es interesante que lo que Hoyle y Narlikar habían predicho hace más de medio siglo se ha observado ahora.

Los años sesenta y setenta fueron tiempos muy cargados de grandes descubrimientos en astrofísica y cosmología relativistas. Aunque la solución que describe un agujero negro se obtuvo inmediatamente después de que Einstein descubrió su ecuación, no se entendió como un agujero negro hasta la década de 1960, unos 45 años después. Cabe señalar que el término agujero negro fue acuñado por John Wheeler recién en 1967, mientras respondía a una pregunta de la audiencia en una conferencia en Nueva York.

La solución más interesante de las ecuaciones de Einstein que describen un agujero negro en rotación fue descubierta en 1963 por el físico neozelandés Roy Kerr. Otro descubrimiento trascendental fue el de la radiación cósmica de fondo de microondas a una temperatura de 2,7 Kelvin (alrededor de -270 grados centígrados), que fue la mayor predicción de la teoría del Big Bang del universo. El universo tuvo un comienzo singular en un big-bang caliente, y la radiación de microondas observada lleva ese mensaje y firma.

De este modo, se preparó el escenario para el gran descubrimiento y la predicción de que la formación de un agujero negro y, en consecuencia, la singularidad central son características inevitables de la relatividad general de la gravedad de Einstein.

Naresh Dadhich es físico teórico, anteriormente trabajó en el Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica (IUCAA) en Pune. Ajit Kembhavi es astrofísico en IUCAA