Querido Stephen:

Lo que menos te sorprenderá de estas líneas es saber que tu recuerdo permanece intacto, tanto en la comunidad científica como en la sociedad. Pero estamos seguros de que, a pesar de que fuiste un optimista impenitente hasta el último día de tu vida, no creerías todo lo que hemos aprendido sobre tus criaturas predilectas, los agujeros negros, desde el infausto 14 de marzo de 2018 en que nos dejaste.

Llegaste a disfrutar de un hito, la primera detección de ondas gravitacionales, y te entusiasmaste al saber que se trató de la fusión de dos agujeros negros a más de mil millones de años luz.

Estamos seguros de que recreaste en tu cabeza ese instante final en el que dos colosos, que albergaban 29 y 36 masas solares en sus modestos cuerpos de poco más de 100 kilómetros de tamaño, se fundieron violentamente sacudiendo, en dos décimas de segundo, el tejido espacio-temporal con una potencia 50 veces mayor que la de la luz que llena todo el universo observable.

¿Y si son estrellas de bosones?

El historial de detecciones de ondas gravitacionales siguió su previsible camino y hoy ya rondamos las cien. Eso no te sorprenderá. ¿Pero qué nos dices de la que observamos el 21 de mayo de 2019? Ya no es que la fusión se haya producido a 17 mil millones de años luz, sino que las masas de los agujeros negros fueron de 66 y 85 soles.

Sí, lo sabemos, creerás que hay un error en las cifras. Sabes mejor que nadie que la muerte de una estrella de más de 65 masas solares no debería dar lugar a un agujero negro. Se supone que sufriría un colapso parcial, antes de que le llegase su hora, desencadenando una violenta explosión. No sabemos si hay algún error en estos argumentos, si esos agujeros negros son el resultado de una fusión previa o si, ¡prepárate!, no son agujeros negros sino estrellas de bosones.

Ya, ya… ya sabemos que dirás que éstas no existen, pero quizás debas empezar a acostumbrarte a la idea de que lo que no existía mientras vivías lo veamos ahora por primera vez. La última palabra la tiene siempre la Naturaleza.

El anillo de luz que orbita M87

Te habrías quedado sin aliento, ciertamente, frente a lo que logró la colaboración del Event Horizon Telescope unas semanas antes de aquel 21 de mayo. Sabes mejor que nadie que los astrónomos llevan muchos años estudiando cómo la gravedad afecta a la trayectoria de los rayos de luz. Para ello, usan imágenes de astros lejanos, cuyos rayos pasan fortuitamente cerca de objetos muy masivos (las famosas lentes gravitacionales).

Pero hasta 2019 nadie había conseguido explorar ese fenómeno en el régimen de la gravedad más extrema: las inmediaciones de tus queridos agujeros negros.

En abril de 2019, vimos por primera vez una imagen hecha por los rayos de luz que estuvieron orbitando muy cerquita del horizonte de sucesos de un agujero negro (concretamente, el que habita en el corazón de la galaxia M87).

¡Cuánto te habría gustado ver esa preciosa imagen! Se trata de un anillo de luz, mayormente formado por los fotones que, tras romper sus órbitas inestables cercanas al agujero negro, escaparon de aquel profundo pozo gravitatorio y comenzaron su viaje de casi 55 millones de años rumbo a la Tierra.

Ha sido posible lo inimaginable: fotografiar agujeros negros

Pero la historia no acaba ahí. En 2022, el mismo equipo de astrónomos publicó la imagen de Sagitario A*, el agujero negro que vive en el corazón de nuestra propia galaxia.

Esos resultados han sido los primeros de una serie de observaciones con un objetivo muy ambicioso. Además de poner a prueba la Relatividad General, pretenden usar sus imágenes para conocer al detalle los mecanismos por los que algunos de los agujeros negros supermasivos (cuásares y blázares) pueden producir esos formidables chorros de materia y radiación que los caracterizan y que pueden alcanzar tamaños mucho mayores que los de sus galaxias anfitrionas.

Una de las posibles fuentes de energía para esos chorros podría venir de la rotación del agujero negro, que arrastra consigo al espacio circundante y obliga a las líneas de campo magnético a enrollarse a su alrededor, produciendo un extraordinario flujo electromagnético en los polos. En ese caso, el horizonte de sucesos, permeado por líneas de campo magnético, podría estar jugando un papel fundamental en el proceso de producción de los chorros relativistas, tal y como parecen indicar las imágenes polarizadas publicadas por el Event Horizon Telescope.

A esta altura, ya entenderás por qué nos vimos en la necesidad de escribirte e interrumpir tu descanso. ¡Hay tanto que contarte!

En su interior se forman islas

¿Qué pasó con la paradoja de la información que tan brillantemente descubriste y tantos desvelos te produjo? ¡Ha habido una auténtica revolución! Seguro que recuerdas el trabajo en el que tu antiguo estudiante, Don Page, demostró que el entrelazamiento cuántico de la radiación emitida por un agujero negro y las partículas virtuales atrapadas en su interior, su entropía, tiene que seguir una curva inexorable: empieza siendo cero cuando todavía no hay radiación emitida y acaba siendo cero cuando ya se evaporó el agujero negro.

Por lo tanto, debe aumentar inicialmente y luego disminuir. Si esto no se cumple, se perdería inexorablemente la información de la materia que dio lugar al agujero negro o cayó en él a lo largo de su vida.

Pocos meses después de tu muerte, empezaron a aparecer trabajos que, investigando a nivel teórico el interior de los agujeros negros, han concluido algo sencillamente extraordinario: cuando los agujeros negros envejecen, desarrollan en sus entrañas islas del universo exterior.

¿Nos creerías si te contáramos que dos trabajos lo demostraron, en paralelo, viendo la luz el mismo día? Sí, exacto, ¡el 21 de mayo de 2019! Ese día fuimos desconcertados por partida doble: detectando agujeros negros con masas inesperadas y descubriendo que en el corazón de estos astros, en cuya frontera creíamos que morían el espacio y el tiempo, cuando transitan la segunda mitad de su dilatada vida, quedan preñados de espacio y de tiempo para algún día devolvernos lo quitado. Imaginaste muchas soluciones posibles a la paradoja de la información, pero jamás una tan descabelladamente hermosa.

Nos vamos despidiendo, pero no porque se agoten las novedades. ¡Tantas cosas sucedieron en apenas cuatro años!

No te contaremos que Roger Penrose ganó el premio Nobel de Física, porque quizás la alegría tenga un poso agridulce para ti.

Déjanos despedirnos contándote que algunas de las ondas gravitacionales detectadas sugieren una posibilidad espeluznante: es probable que muchos de los agujeros negros resultantes de las fusiones observadas hayan salido despedidos con tal velocidad que abandonaran sus galaxias para siempre. Esos viajeros, que transitan la inmensidad del cosmos con un universo en sus entrañas, nos llenan de melancolía; nos recuerdan a ti.

*José Edelstein, Profesor de Física Teórica, IGFAE, Universidad de Santiago de Compostela y Iván Martí-Vidal, Investigador distinguido en el departamento de Astronomía y Astrofísica, Universitad de Valencia

*Este artículo fue publicado en The Conversation y reproducido aquí bajo la licencia creative commons. Haz clic aquí para leer la versión original.

Cincuenta años después, un grupo de científicos ha confirmado uno de los teoremas más famosos del físico británico Stephen Hawking.

Se trata de la teoría del área de los agujeros negros, que argumenta que el área más allá del horizonte de sucesos, el límite del que nada puede escapar, jamás disminuye.

Los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y otros centros de investigación, liderados por el físico Maximiliano Isi, fueron los primeros en confirmar dicha teoría, basándose en la observación de ondas gravitacionales.

A pesar de que dentro de un agujero negro ocurren procesos muy extremos donde no aplican las leyes físicas que creemos universales, “es curioso que a nivel microfísico sucedan cosas análogas con leyes de la termodinámica”, le explica Isi a BBC Mundo.

La investigación de Isi y su colegas fue publicada el pasado 1 de julio en la revista científica Physical Review Letters.

Los agujeros negros son uno de los fenómenos más enigmáticos del universo: para que se formen, primero una estrella tiene que morir.

Además, todo lo que entra, jamás logra escapar, ni la luz. Y en su corazón, la llamada singularidad, el tiempo y el espacio se detienen.

Aunque hasta 2019 nadie había visto un agujero negro, la prueba de su existencia estaba en las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

¿En qué consiste la teoría de Hawking?

Stephen Hawking, el célebre físico británico fallecido en 2018, propuso este teorema en 1971, uno de los más importantes sobre la mecánica de los agujeros negros.

El teorema predice que el área total de un agujero negro más allá del horizonte de sucesos nunca debería disminuir.

Esta proposición guarda paralelismo con la segunda ley de la termodinámica, que indica que la entropía, o el grado de desorden del universo, tampoco debería disminuir.

La similitud entre las dos teorías sugirió que los agujeros negros podrían comportarse como objetos térmicos que emiten calor.

Pero dicha proposición resultaba confusa, dado que se pensaba que la propia naturaleza de los agujeros negros no permitía escapar o irradiar energía.

“Hawking consiguió coordinar estas ideas en 1971, mostrando que los agujeros negros tienen entropía y emiten radiación en escalas de tiempo muy largas si se tienen en cuenta sus efectos cuánticos”, dice un comunicado del MIT.

Este fenómeno se denominó “radiación de Hawking” y es una de las revelaciones más importantes sobre los agujeros negros.

Pero entonces los científicos no eran capaces de comprobar visualmente dicha propuesta.

Cincuenta años después ha sido posible.

¿Qué significa que se haya confirmado?

Más allá de la curiosidad que siempre despiertan los agujeros negros, lo más importante para Isi es “corroborar el total paralelismo de ciertas leyes de los agujeros negros con las leyes de las termodinámica, en este caso de la de entropía”.

“Con este estudio confirmamos con cierta precisión esta predicción fundamental de Hawking sobre cómo deben funcionar los agujeros negros”, dice Isi.

“Es muy importante que estas teorías, hasta ahora sobre todo abstractas, podamos abordarlas a través de un análisis observacional”, añade el experto.

Hasta ahora, el teorema de Hawking se había probado de forma matemática, pero jamás había sido visualizado en la naturaleza.

¿Cómo consiguieron confirmarlo?

En el estudio, el equipo analizó minuciosamente la onda gravitacional GW150914, captada por el observatorio LIGO en septiembre de 2015.

Aquella señal fue producto de dos agujeros negros en espiral que generaron un nuevo agujero negro, concentrando una enorme cantidad de energía que ondeó a través del espacio-tiempo en forma de ondas gravitacionales.

De acuerdo al teorema de Hawking, el área más allá del horizonte de ese agujero negro no puede ser menor que el horizonte total de sus dos agujeros negros originarios.

“Con sistemas de detección mejorados, pudimos observar el antes y después de esa colisión”, explica Isi.

Su equipo desarrolló una técnica para captar frecuencias específicas, o tonos de las secuelas más ruidosas, que podrían usar para calcular la masa y el giro del agujero negro final.

Efectivamente, confirmaron que el área no disminuyó tras la fusión, un resultado que el equipo reporta con un 95% de certeza.

“En el futuro, cuando sigan mejorando nuestros observadores, detectaremos más y más señales con más precisión. Con eso esperamos seguir corroborando estas leyes y, capaz algún día, poder descubrir algo completamente nuevo“, dijo a BBC Mundo.

Un equipo de astrónomos detectó un agujero negro supermasivo que se está moviendo de forma inusual en el espacio profundo, pero no están del todo seguros de las razones de su comportamiento.

Los autores del nuevo estudio, publicado en Astrophysical Journal recientemente, observaban agujeros negros supermasivos en el corazón de las galaxias, en busca de señales de que pudieran estar moviéndose de manera inusual.

Dominic Pesce, astrónomo del centro de astrofísica Harvard-Smithsonian y autor principal de la investigación, explicó en declaraciones a The Harvard Gazette que la mayoría de los agujeros de ese tipo no suelen moverse, pues “son tan pesados que es difícil ponerlos en marcha”.

El equipo inicialmente examinó 10 galaxias distantes y los agujeros negros supermasivos presentes en sus núcleos, resalta ElImparcial.com.

Estudiaron específicamente aquellos que contenían agua dentro de sus discos de acreción (estructuras espirales que giran hacia el interior del agujero).

A medida que el agua orbita alrededor de este último, produce un rayo de luz similar a un láser, conocido como ‘máser’, que puede ayudar a medir con mucha precisión la velocidad de un agujero negro.

Dos posibles explicaciones

Con esa técnica, los investigadores determinaron que nueve de los 10 agujeros negros supermasivos estaban en reposo, mientras que uno, situado en el centro de la galaxia J0437+2456, parecía estar en movimiento.

Lea también: Hawking y los agujeros negros con “pelo suave”: qué dice la última investigación del científico británico

El agujero negro en cuestión, aproximadamente tres millones de veces más masivo que el sol y ubicado a unos 230 millones de años luz de la tierra, no se movía a la misma velocidad que su galaxia de origen, indicó RT.

Observaciones posteriores desde los observatorios de Arecibo y Gemini han confirmado que ese agujero se mueve dentro de la galaxia a una velocidad de aproximadamente 177 mil kilómetros por hora.

No obstante, se desconoce por ahora qué está causando el movimiento.

El equipo sospecha que hay dos posibilidades de que se trate de las consecuencias de la fusión de dos agujeros negros supermasivos o que este sea parte de un sistema binario.

Se necesitarán más observaciones para precisar la verdadera causa de su inusual movimiento.

Si no puedes ver el video haz clic aquí.

Los agujeros negros son uno de los fenómenos más enigmáticos del universo: para que se formen, primero una estrella tiene morir.

Además, todo lo que entra, jamás logra escapar, tampoco la luz. Y en su corazón, en la llamada singularidad, el tiempo y el espacio se detienen.

Aunque hasta 2019 nadie había visto un agujero negro, la prueba de su existencia estaba en las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

Sin embargo, el mismo físico alemán se negaba a aceptarlos. Él estaba convencido de que la naturaleza no era capaz de crear estos monstruos astronómicos.

Recién en 1965 el físico Roger Penrose probó matemáticamente que los agujeros negros existen y que, de hecho, son una consecuencia directa de la teoría de Einstein .

¿Pero qué son exactamente los agujeros negros? ¿Y por qué es importante entender qué es la singularidad, ese punto en el que dejan de tener sentido las leyes de la naturaleza que conocemos?

Lo explica en este video la periodista de BBC Mundo Ana Pais, con extraordinarias animaciones de Kako Abraham.

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Siempre que se encontraban, nunca les faltaba la conversación, y su charla en esta ocasión fue ininterrumpida y amplia.

Mientras caminaban cerca de la oficina de Penrose en el Birkbeck College de Londres, se detuvieron brevemente en la acera, esperando a que el tráfico les permitiera cruzar.

Esa parada momentánea de su paseo coincidió con una pausa en la conversación y se quedaron en silencio al atravesar la calle.

En ese momento, la mente de Penrose divagó.

Viajó 2.500 millones de años luz a través del vacío del espacio exterior hasta la masa hirviente de un quásar giratorio.

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Se imaginó cómo el colapso gravitacional se estaba apoderando de ella, atrayendo una galaxia entera más profundamente y cada vez más cerca del centro.

Como una patinadora artística girando al tiempo que acerca los brazos al cuerpo, la masa giraba más y más rápidamente a medida que se contraía.

Este breve ejercicio mental lo condujo a una revelación, una que 56 años después le valdría el Premio Nobel de Física.

Como muchos relativistas -físicos teóricos que trabajan para probar, explorar y ampliar la teoría de la relatividad general de Albert Einstein-, Penrose había pasado la década de los 60 estudiando una contradicción extraña, pero particularmente complicada, conocida como “el problema de la singularidad”.

Einstein publicó su teoría de la relatividad en 1915, revolucionando la comprensión de los científicos sobre el espacio, el tiempo, la gravedad, la materia y la energía.

En la década de 1950, la teoría de Einstein tuvo un gran éxito, pero muchas de sus predicciones todavía se consideraban improbables e imposibles de comprobar.

Sus ecuaciones mostraban, por ejemplo, que era teóricamente posible que el colapso gravitacional forzara suficiente materia a una región lo suficientemente pequeña como para que se volviera infinitamente densa, formando una “singularidad” de la que ni siquiera la luz podría escapar.

¿Se pueden ver?

Este fenómeno pasó a conocerse como los agujeros negros.

Pero dentro de tales singularidades, ya no serían aplicables las leyes conocidas de la física, incluida la propia teoría de la relatividad de Einstein que la predijo.

Las singularidades fascinaban a los relativistas matemáticos por esta misma razón.

La mayoría de los físicos, sin embargo, estaban de acuerdo en que nuestro universo era demasiado ordenado para contener esas regiones.

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E incluso si existieran singularidades, no habría forma de observarlas.

“Hubo un gran escepticismo durante mucho tiempo”, dice Penrose.

Llega la radioastronomía

“La gente esperaba que hubiera un rebote: que un objeto colapsara y girara de alguna manera complicada, y volviera a salir”.

A fines de la década de 1950, las observaciones del emergente campo de la radioastronomía provocaron confusión en estas ideas.

Los radioastrónomos detectaron nuevos objetos cósmicos que parecían ser muy brillantes, muy distantes y muy pequeños.

El primer nombre que recibieron fue el de “objetos cuasi-estelares” y poco a poco se fue abreviando hasta ser conocidos como “quásares”.

Estos objetos parecían exhibir demasiada energía en un espacio demasiado pequeño.

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Aunque parecía imposible, cada nueva observación apuntaba hacia la idea de que los cuásares eran galaxias antiguas en proceso de colapsar en singularidades.

Los científicos se vieron obligados a preguntarse si las singularidades eran tan improbables como todos pensaban.

¿Fue esta predicción de la relatividad de Einstein algo más que una fantasía matemática?

En Austin, Princeton y Moscú, en Cambridge y Oxford, en Sudáfrica, Nueva Zelanda, India y otros lugares, cosmólogos, astrónomos y matemáticos se lanzaron a buscar una teoría definitiva que pudiera explicar la naturaleza de los quásares.

La mayoría de los científicos abordaron el desafío tratando de identificar cuáles eras las circunstancias altamente especiales bajo las cuales podría formarse una singularidad.

Penrose, entonces profesor del Birkbeck College de Londres, adoptó un enfoque diferente.

Su instinto natural siempre había sido el de buscar soluciones generales, principios subyacentes y estructuras matemáticas esenciales.

Pasó muchas horas en Birkbeck, trabajando en un gran pizarrón cubierto de curvas y giros de diagramas de su propio diseño.

La solución del equipo ruso

En 1963, un equipo de teóricos rusos dirigido por Isaac Khalatnikov publicó un aclamado artículo que confirmaba lo que la mayoría de los científicos todavía creían: las singularidades no eran parte de nuestro universo físico.

En el universo, dijeron, las nubes de polvo o las estrellas que colapsan se expandirán de nuevo mucho antes de que alcancen el punto de singularidad. Tenía que haber alguna otra explicación para los quásares.

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Penrose se mostró escéptico.

“Tenía la fuerte sensación de que con los métodos que estaban usando, era poco probable que hubieran llegado a una conclusión firme al respecto”, dice.

“Me pareció que el problema necesitaba ser visto de una manera más general de lo que estaban haciendo. Tenían un enfoque algo limitado”.

Pero aunque rechazaba los argumentos, todavía no había desarrollar una solución general para el problema de la singularidad.

Hasta la visita de su amigo Ivor Robinson.

Aunque Robinson también estaba investigando el problema de la singularidad, la pareja no lo discutió durante su conversación ese día de otoño de 1964 en Londres.

Sin embargo, durante el breve silencio de ese caótico cruce de calles, Penrose se dio cuenta de que los rusos estaban equivocados.

Toda esa energía, movimiento y masa encogiéndose juntos crearía un calor tan intenso que la radiación estallaría en todas las longitudes de onda y en todas direcciones.

Cuanto más pequeño y rápido se volviera, más brillante se volvería.

Mapeó mentalmente sus dibujos de la pizarra y los bocetos diarios de ese objeto distante, buscando en su mente el punto en el que los rusos predijeron donde esta nube volvería a explotar.

No existía tal punto.

La revelación

En su mente, Penrose vio por fin cómo el colapso continuaría sin obstáculos.

Fuera del centro de densificación, el objeto brilla con más luz que todas las estrellas de nuestra galaxia.

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Y en el fondo, la luz se dobla en ángulos dramáticos, el espacio-tiempo se deforma hasta que todas las direcciones convergen una sobre otra.

Llegaría un punto sin retorno.

La luz, el espacio y el tiempo se detendrían por completo: un agujero negro.

En ese momento, Penrose supo que una singularidad no requería circunstancias especiales.

En nuestro universo, las singularidades no eran imposibles, eran inevitables.

Cuando acabó de cruzar la calle, retomó su conversación con Robinson e inmediatamente se olvidó de lo que había estado pensando.

Se despidieron y Penrose volvió a las nubes de tiza y los montones de papeles de su oficina.

El resto de la tarde transcurrió con normalidad, excepto que Penrose se encontraba de un humor desmedido.

No podía entender por qué.

Comenzó a revisar su día, investigando qué podría estar impulsando su euforia.

Su mente regresó a ese momento de silencio al cruzar la calle.

Y todo volvió de nuevo. Había resuelto el problema de la singularidad.

Comenzó a escribir ecuaciones, probar, editar, reorganizar.

El argumento aún se le resistía, pero todo funcionó.

Un colapso gravitacional requería, en papel, solo algunas condiciones de energía muy generales y fáciles de cumplir, para caer en una densidad infinita.

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Penrose supo en ese momento que tenía que haber miles de millones de singularidades esparcidas por el cosmos.

Era una idea que cambiaría nuestra comprensión del universo y daría forma a lo que sabemos hoy sobre él.

En dos meses, Penrose comenzó a dar charlas sobre el teorema.

A mediados de diciembre, presentó un artículo a la revista académica Physical Review Letters, que se publicó el 18 de enero de 1965, solo cuatro meses después de cruzar la calle con Ivor Robinson.

La respuesta no fue exactamente la que esperaba.

El Teorema de la Singularidad de Penrose fue debatido, refutado e impugnado.

El debate alcanzó su punto crítico en el Congreso Internacional sobre Relatividad General y Gravedad en Londres que tuvo lugar en Londres ese año.

“No fue muy amigable. Los rusos estaban bastante molestos y la gente se mostraba reacia a admitir que ellos se habían equivocado”, dice Penrose.

La conferencia terminó sin que se resolviera el debate.

Pero no mucho después, se supo que la publicación de los rusos tenía errores en sus cálculos: las matemáticas tenían fallas fatales y su tesis ya no era sostenible.

“Hubo un error en la forma en que lo estaban haciendo”, dice Penrose.

A finales de 1965, el Teorema de la Singularidad de Penrose estaba ganando terreno en todo el mundo.

Su especial destello de intuición se convirtió en una fuerza impulsora de la cosmología.

Había ido más allá de explicar qué era un quásar: había revelado una verdad importante sobre la realidad subyacente de nuestro Universo.

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Cualquier modelo que se le ocurriera a la gente a partir de entonces tenía que contemplar las singularidades, lo que significaba incluir ciencia que va más allá de la relatividad.

Las singularidades también comenzaron a filtrarse en la conciencia pública, en parte gracias a que se las conoció de manera evocadora como “agujeros negros”, un término utilizado públicamente por primera vez por la periodista científica estadounidense Ann Ewing.

Stephen Hawking se basó en el Teorema de Penrose para cambiar las teorías sobre el origen del universo después de que ambos trabajaron juntos en singularidades.

Las singularidades se volvieron fundamentales para todas las teorías sobre la naturaleza, la historia y el futuro del Universo.

Los físicos experimentales identificaron otras singularidades, incluida la que se encuentra en el corazón del agujero negro hipermasivo que está en el centro de nuestra propia galaxia y que fue descubierta por Reinhard Genzel y Andrea Ghez, quienes compartieron el Premio Nobel de Física con Penrose este año.

El propio Penrose pasó a desarrollar una teoría alternativa a la del Big Bang conocida como Cosmología Cíclica Conformada, cuya evidencia podría provenir de las señales remanentes de los agujeros negros antiguos.

En 2013, la ingeniera e informática Katie Bouman dirigió un equipo de investigadores que desarrollaron un algoritmo que esperaban que permitiera fotografiar agujeros negros.

En abril de 2019, el telescopio Event Horizons utilizó ese algoritmo para capturar las primeras imágenes de un agujero negro, proporcionando una confirmación visual dramática de las que, en algún momento, habían sido las controvertidas teorías de Einstein y Penrose.

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Aunque Penrose, que ahora tiene 89 años, se complace de haber sido galardonado con el más alto honor en física, el Premio Nobel, hay algo que le preocupa.

“Me siento raro. He estado tratando de adaptarme. Es muy halagador y un gran honor y lo aprecio mucho”, me dice unas horas después de recibir la noticia.

“Pero, por otro lado, estoy tratando de escribir tres artículos (científicos) diferentes al mismo tiempo, y esto hace que sea más difícil que antes”.

El teléfono, explica, no ha dejado de sonar con gente felicitándolo y periodistas pidiendo entrevistas.

Y todo ese clamor no lo deja concentrarse en sus últimas teorías.

*Patchen Barss es un periodista científico de Toronto que está escribiendo una biografía de Roger Penrose.

Los ingredientes se conjuntaron ante los ojos de los científicos; es decir, ante una cadena de observatorios astronómicos, que detectaron un evento de disrupción de marea (TDE, en inglés) que ocurrió a “solo” 215 millones de años luz de la Tierra.

“Es el destello más cercano de su tipo registrado hasta ahora”, dijeron científicos de la Real Sociedad Astronómica británica que anunciaron los resultados de su investigación el lunes.

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El TDE aporta esos ingredientes por los cuales un objeto cósmico, como una estrella, “sufre” un proceso de espaguetización (y por sufrimiento se entiende algo realmente catastrófico).

“La idea de que un agujero negro ‘succione’ una estrella cercana suena a ciencia ficción. Pero esto es exactamente lo que sucede en un evento de interrupción de las mareas”, dice el autor principal del estudio, el doctor Matt Nicholl.

“Pudimos investigar en detalle qué sucede cuando un monstruo así se come una estrella”, añade.

El estudio arroja nueva luz a la investigación de los TDE y cómo se comporta la materia en entornos del universo como ese.

“Es relevante porque aún tenemos muchas interrogantes sobre cómo se comporta la materia en la cercanía de un agujero negro y sobre todo en un campo gravitacional tan intenso”, dice a BBC Mundo el astrofísico Ezequiel Treister al dar su punto de vista sobre la investigación.

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“Esto se vuelve un excelente laboratorio para estudiar este comportamiento”.

¿Cómo se explica la espaguetización?

Treister explica que la espaguetización comienza cuando una estrella se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo.

“La atracción gravitacional producida por el agujero negro hace que la estrella pierda su forma, su estructura, para terminar siendo destruida y absorbida por el agujero negro. Eso genera el fenómeno de evento de disrupción de marea”, indica.

La materia se estira por las fuerzas gravitatorias de manera que termina pareciendo un fideo. Comienza a estirarse y estirarse.

“Cuando la estrella termina de caer en el agujero negro, se producen un montón de efectos. Una gran cantidad de energía puede impactar la galaxia y el entorno que rodea al agujero”, añade Treister, quien es profesor en el Instituto de Astrofísica de la Pontificia Universidad Católica de Chile.

Desde la Tierra se puede detectar el fenómeno por la “llamarada de energía” que se produce cuando una estrella se destruye.

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Y suelen ser raros y difíciles de estudiar, porque se genera una “cortina” de polvo y escombros que hace difícil su observación.

Pero lo visto por los científicos liderados por Nicholl fue diferente.

Justo a tiempo

En el caso del evento TDE identificado como AT2019qiz, los ingredientes para la espaguetización se conjuntaron en un momento muy oportuno.

Además de que el evento visto por los investigadores ocurrió a unos 200 millones de años luz de la Tierra, pudo ser estudiado con un detalle “sin precedentes” porque se detectó poco tiempo después de que fuera destrozada la estrella que lo generó.

Para lograrlo echaron mano durante seis meses de una cadena de observatorios alrededor del mundo: el Very Large Telescop del Observatorio Europeo del Sur, el Telescopio de Nueva Tecnología, el Observatorio Las Cumbres, y el observatorio espacial Swift.

“Varios análisis del cielo descubrieron emisiones del nuevo evento de interrupción de las mareas muy rápidamente después de que la estrella se desgarrara”, explica Thomas Wevers al dar a conocer el estudio a través de la Universidad de Birmingham (Reino Unido).

“Inmediatamente apuntamos un conjunto de telescopios terrestres y espaciales en esa dirección para ver cómo se producía la luz”, añade el miembro del Observatorio Europeo del Sur.

La estrella que lo produjo tenía una masa similar a la del Sol. Nicholl explica que perdió la mitad de esa masa al interactuar con el agujero negro que es “un millón de veces más masivo”.

“Debido a que lo detectamos temprano, pudimos ver la cortina de polvo y escombros que se levantaron cuando el agujero negro lanzó un poderoso flujo de material con velocidades de hasta 10.000 kilómetros por segundo“, apuntó Kate Alexander, quien colaboró en el estudio desde EE.UU.

El excepcional caso del AT2019qiz podría ser una “piedra de Rosetta” para interpretar las observaciones futuras de los eventos TDE.

Treister explica que el desarrollo de una red global de observatorios, tanto en tierra -con el caso destacado de los ubicados en Chile- como en el espacio, ha permitido a los científicos dar un salto “exponencial” en la investigación de estos fenómenos.

“Esto es clave y relativamente nuevo en el sentido de que para poder realmente entender todo lo que ocurre en este proceso, uno debe de combinar observaciones distintas y por lo tanto echar mano de varios observatorios”, señala.

“La capacidad de coordinación y el uso de varios observatorios para seguir estos eventos cuando se da la alerta es fundamental”.

Un equipo internacional de astrónomos ha detectado una rara explosión de luz proveniente de una estrella desgarrada por un agujero negro supermasivo, un fenómeno conocido como “disrupción de marea” y que es el más cercano observado hasta ahora.

La observación fue posible con los telescopios del Observatorio Europeo Austral (ESO) y de otras organizaciones de todo el mundo y el evento sucedió a poco más de 215 millones de años luz de la Tierra.

“La idea de un agujero negro ‘succionando’ a una estrella cercana suena como a ciencia ficción. Pero es exactamente lo que sucede en un evento de disrupción de marea”, según declaró Matt Nicholl, profesor e investigador de la Real Sociedad Astronómica en la Universidad de Birmingham, el Reino Unido, y autor principal del nuevo estudio.

El ESO indicó en un comunicado que estos eventos de disrupción de marea, donde una estrella experimenta lo que se conoce como espaguetificación al ser absorbido por un agujero negro, “son poco comunes y no siempre son fáciles de estudiar”.

Con el fin de estudiar en detalle lo que sucede cuando una estrella es devorada por un monstruo de este tipo, el equipo de investigación apuntó el telescopio VLT (Very Large Telescope ) y el NTT (New Technology Telescope) de ESO hacia un nuevo destello de luz que tuvo lugar el año pasado cerca de un agujero negro supermasivo.

En teoría los astrónomos saben lo que debería pasar en una situación así; según Thomas Wevers, otro de los investigadores que participaron en la observación, “cuando una desafortunada estrella vaga demasiado cerca de un agujero negro supermasivo del centro de una galaxia, el tirón gravitacional extremo del agujero negro desgarra a la estrella, arrancándole finas corrientes de material”.

A medida que algunas de las finas hebras de materia estelar caen en el agujero negro durante este proceso, denominado espaguetificación, se libera una brillante llamarada de energía que los astrónomos pueden detectar.

Aunque potente y brillante, hasta ahora los astrónomos han tenido problemas para investigar estas ráfagas de luz que a menudo se ven oscurecidas por una cortina de polvo y escombros: ahora han sido capaces de arrojar luz sobre el origen de esta cortina.

“Descubrimos que, cuando un agujero negro devora una estrella, puede lanzar una poderosa explosión de materia hacia afuera que obstruye nuestra vista”, explica por su parte Samantha Oates, de la Universidad de Birmingham.

3/ Researchers have had trouble investigating these events in the past as they are often obscured by a curtain of dust and debris.
Credit: @ESO /Digitized Sky Survey 2/N. Risinger (https://t.co/2Zlf8bC43V) pic.twitter.com/jUSYuz8dw0

— ESO (@ESO) October 12, 2020

Agrega que esto sucede porque la energía liberada cuando el agujero negro se alimenta del material estelar impulsa los escombros de la estrella hacia afuera.

El descubrimiento fue posible porque el evento de disrupción de marea que el equipo estudió, AT2019qiz, se detectó poco tiempo después de que la estrella fuera destrozada.

“En realidad, gracias a que lo detectamos pronto, pudimos ver la cortina de polvo y escombros formándose a medida que el agujero negro lanzaba un potente chorro de material con velocidades de hasta 10.000 kilómetros por segundo”, explica Kate Alexander, investigadora postdoctoral (NASA Einstein Fellow) en la Universidad de Northwestern (Estados Unidos).

“Este ‘vistazo tras el telón’ fue nuestra primera oportunidad para identificar el origen del material que oscurece y seguir en tiempo real cómo envuelve al agujero negro”, añade Alexander.

Durante un período de 6 meses, a lo largo de los cuales la llamarada creció en luminosidad y luego se desvaneció, el equipo llevó a cabo observaciones de AT2019qiz, ubicada en una galaxia espiral, en la constelación de Eridanus.

“Varios sondeos detectaron la emisión del nuevo evento de disrupción de marea muy poco tiempo después de que la estrella fuera destrozada”, declara Wevers, que indica que inmediatamente se apuntaron al conjunto de telescopios terrestres y espaciales en esa dirección para ver cómo se producía la luz.

En los meses sucesivos se llevaron a cabo múltiples observaciones del evento con otras instalaciones; la celeridad y las extensas observaciones en luz ultravioleta, rango óptico, rayos X y ondas de radio, revelaron, por primera vez, una conexión directa entre el material que fluye de la estrella y el brillante destello emitido a medida que es devorada por el agujero negro.

“Las observaciones mostraron que la estrella tenía aproximadamente la misma masa que nuestro propio Sol y que el monstruoso agujero negro, que es más de un millón de veces más masivo, le había hecho perder aproximadamente la mitad de esa masa”, según Nicholl.

El equipo de astrónomos cree que AT2019qiz podría incluso actuar como una “piedra Rosetta” para interpretar futuras observaciones de eventos de disrupción de marea.

Por otro lado el ELT (Extremely Large Telescope) de ESO, cuyo inicio de operaciones se prevé para esta década, permitirá a los investigadores detectar eventos de disrupción de marea cada vez más débiles y de evolución más rápida con el fin de resolver más misterios de la física de los agujeros negros. EFE

Así fue la onda gravitacional que surgió tras la fusión dos agujeros negros, la más potente jamás observada.

La señal dejada por este evento viajó unos 7.000 millones de años para llegar a la Tierra, pero todavía fue lo suficientemente potente como para hacer que detectores láser en EE.UU. e Italia la sintieran en mayo del año pasado.

Según investigadores, la colisión de estos agujeros negros produjo una entidad con una masa 142 veces mayor que la de nuestro Sol.

Su magnitud es considerable. La ciencia ha rastreado durante mucho tiempo la presencia de agujeros negros en el cielo que han sido un poco más pequeños o incluso más grandes. Pero este nuevo hallazgo estrena una nueva clase de agujeros negros de tamaño intermedio que están en el rango de entre 100 y 1.000 masas solares.

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Se trata de un análisis realizado por LIGO, de EE.UU., y Virgo, de Italia, una colaboración internacional que opera tres sistemas de detección de ondas gravitacionales súper sensibles en Estados Unidos y Europa.

¿Qué es un agujero negro?

• Un agujero negro es una región en el espacio donde la materia ha colapsado sobre sí misma debido a la gravedad.
• La fuerza gravitacional es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar.
• Los agujeros negros emergen del colapso gravitacional de una estrella grande.
• Algunos son verdaderamente gigantes, miles de millones de veces más grandes que el Sol.
• Se desconoce cómo se formaron estos cuerpos, encontrados en los centros de las galaxias.
• Los agujeros negros son detectados por el impacto que tienen en su entorno
• Producen ondas gravitacionales observables a medida que se juntan en espiral.

Los interferómetros láser de LIGO y Virgo “escuchan” las vibraciones del espacio-tiempo que son generadas por eventos cósmicos verdaderamente cataclísmicos, y el 21 de mayo de 2019 se activaron por una señal aguda que duró solo una décima de segundo.

Los algoritmos informáticos determinaron que la fuente de la señal fueron los momentos finales de dos agujeros negros que estaban en espiral, uno con una masa 66 veces mayor que la del Sol y el otro 85 más grande.

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La distancia de esta fusión fue estimada en el equivalente a 150.000 millones de billones de kilómetros.

“Es increíble, de verdad”, dijo el profesor Nelson Christensen, del Observatorio de Côte d’Azur, en Francia.

“Esta señal se propagó durante siete mil millones de años. Así que este evento ocurrió justo a mitad de la creación del Universo, y es ahora que movió mecánicamente nuestros detectores aquí en la Tierra”, le explicó a la BBC.

Ondas gravitacionales – Ondas en el espacio-tiempo

• Las ondas gravitacionales son una predicción de la teoría de la relatividad general.
• Pasaron décadas para que se pudiera desarrollar la tecnología para poder detectarlas directamente.
• Son ondas en el espacio-tiempo generadas por eventos violentos.
• La aceleración de masas produce ondas que se propagan a la velocidad de la luz
• Las fuentes que pueden ser detectadas incluyen la fusión de agujeros negros y las estrellas de neutrones
• LIGO-Virgo dispara láseres por medio de largos túneles en forma de L, y las ondas alteran la luz
• La detección de ondas abre paso a investigaciones completamente nuevas en el Universo

La implicación de un cuerpo que mide 85 masas solares en la colisión ha hecho que los científicos mantengan la guardia porque la comprensión que tienen de cómo se forman los agujeros negros a partir de la muerte de una estrella no explica que algo de esta escala pueda suceder.

Al agotar su combustible nuclear, las estrellas experimentan un colapso del núcleo que da paso a la creación de un agujero negro, pero solo si son lo suficientemente grandes.

Pero la física que se supone que opera dentro de las estrellas sugiere que la producción de agujeros negros con el rango de masa de entre 65 y 120 masas solares es imposible.

Las estrellas moribundas que podrían producir tales entidades en realidad se desgarran y no dejan nada atrás.

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Si la ciencia es correcta en este punto, entonces la explicación más probable de la existencia de un objeto de 85 masas solares es que sea el resultado de una unión de agujeros negros incluso anterior.

Y esto, según el profesor Martin Hendry, de la Universidad de Glasgow, en Reino Unido, tiene implicaciones sobre la evolución del Universo.

“Estamos hablando aquí de una jerarquía de fusiones, una posible vía para hacer agujeros negros cada vez más grandes”, explicó.

“Entonces, ¿quién sabe? Este agujero negro de 142 masas solares puede haberse fusionado con otros agujeros negros gigantescos, como parte de un proceso de acumulación que llega a formar agujeros negros supermasivos que se cree que están en el corazón de las galaxias”.

La colaboración entre LIGO y Virgo reportó sobre el evento del 21 de mayo de 2019 (catalogado como GW190521) en dos artículos académicos.

Uno está en la revista Physical Review Letters y describe el hallazgo. El segundo se puede encontrar en The Astrophysical Journal Letters y analiza las propiedades físicas de la señal y las implicaciones científicas.

El GW190521 es uno de los más de 50 activadores de ondas gravitacionales que se están investigando actualmente en los laboratorios de láser.

El ritmo de la investigación ha aumentado rápidamente desde que la colaboración detectó las primeras ondas gravitacionales, que les hizo ganar un Premio Nobel en 2015.

“Estamos aumentando la sensibilidad de los detectores y, sí, podríamos terminar detectando más de uno (agujero negro) cada día. ¡Vamos a tener una lluvia de agujeros negros!”, le dijo a la BBC la profesora Alessandra Buonanno, directora del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam (Alemania).

“Esto es hermoso porque aprenderemos mucho más sobre ellos”.

• Un láser es conectado a la máquina y su rayo se divide en dos viajando por dos vías diferentes
• Estas vías rebotan hacia adelante y hacia atrás y se amortiguan entre espejos
• Finalmente, las dos luces se reúnen y son enviadas a un detector
• Las ondas gravitacionales que atraviesan el laboratorio deben alterar la configuración
• La teoría sostiene que deberían estirar y comprimir muy sutilmente su espacio
• Esto debería mostrarse como un cambio en la longitud de los brazos de almacenamiento ligero
• El fotodetector captura la señal en el haz recombinado

Está a unos 1.000 años luz de distancia, lo que equivale a cerca de 9.500 billones de km, en la constelación Telescopium.

Eso suena a que es muy lejos, pero en la escala del universo es como si fuera justo nuestro vecino de al lado.

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El agujero fue hallado con un telescopio del Observatorio Europeo Austral (ESO, en inglés) en el Observatorio La Silla, en Chile.

“El agujero negro está más cerca de nuestro sistema solar que cualquier otro que se haya encontrado”, dijo el ESO en un comunicado.

Además, el agujero está ubicado en un sistema de dos estrellas que se pueden ver asimple vista, sin necesidad de telescopios ni binoculares.

Un hallazgo inusual

Los científicos del ESO descubrieron el agujero negro gracias a la forma en que interactúa con dos estrellas que lo rodean: una que orbita en torno a él y otra que los orbita a ambos, al agujero y a la estrella.

Normalmente, los agujeros negros se detectan por la forma en que interactúan violentamente con un disco de gas y polvo a su alrededor, llamado disco de acreción.

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A medida que trituran ese material, se emiten abundantes rayos X. Es esta señal de alta energía la que detectan los telescopios, no el agujero negro en sí.

Este hallazgo, sin embargo, es un caso inusual, ya que lo que permitió detectar al agujero fue el movimiento de las estrellas, que juntas conforman un sistema llamado HR 6819.

“Creemos que este puede ser el primer caso en el que se ha encontrado un agujero negro de esta manera. Y no solo eso, también es el más cercano de todos los agujeros negros”, dijo a la BBC Dietrich Baade, astrónomo emérito del ESO.

A simple vista

Uno de los aspectos fascinantes de esta historia es que desde el hemisferio sur, en una noche oscura y despejada, es posible ver el sistema estelar HR 6819 a simple vista.

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No se necesitan telescopios ni binoculares, aunque en este momento las condiciones no son favorables, porque HR 6819 está apenas emergiendo desde detrás del Sol.

Esta animación de la ESO simula un acercamiento al sistema HR 6819:

Los científicos habían comenzado el estudio de HR 6819 hace muchos años, cuando buscaban lo que se conoce como una estrella Be.

Una Be es un tipo de estrella que gira tan rápido que prácticamente sedestruye a sí misma.

La estrella más externa del HR 6819 es un buen ejemplo de ese desgarramiento.

Las observaciones del telescopio de la ESO en Chile revelaron que la estrella al interior del sistema HR 6819 orbita un objeto invisible cada 40 días.

Los astrónomos del ESO creen que ese objeto es precisamente el agujero negro, que podría tener una masa de al menos cuatro veces la de nuestro Sol.

Hasta ahora se han detectado solo unos 20 agujeros negros en nuestra Vía Láctea, casi todos ellos interactúan fuertemente con sus discos de acreción.

Por estadística, sin embargo, se calcula que hay muchísimos más agujeros negros en nuestra galaxia.

“En la Vía Láctea la idea es que debería haber unos 100 millones de agujeros negros“, le dice a la BBC Marianne Heida, investigadora de la ESO.

“Eso quiere decir que quizás hay algunos cuantos que estén aún más cerca”.

Y con el estudio de uno de esos eventos, unos astrónomos pudieron probar las consecuencias clave de las teorías del físico Alberto Einstein.

Uno de estos objetos es un verdadero coloso, se trata de un agujero que pesa 18.000 millones de veces la masa de nuestro Sol. Y el otro no es tan grande, “solo” unas 150 millones de veces la masa solar.

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Y los científicos lograron predecir sus interacciones con mucha precisión.

Lo hicieron al incluir sus efectos de deformación en el espacio-tiempo y al suponer que el agujero más grande tenía una “superficie” lisa.

La pareja de agujeros negros, de la galaxia conocida como OJ 287, se encuentra a unos 3.500 millones de años luz de la Tierra.

Un baile que se repite

Los científicos han seguido durante mucho tiempo el repentino brillo que se produce en este sistema y que ocurre dos veces cada 12 años.

El estallido de energía es equivalente a un billón de soles que se encienden a la vez en la galaxia anfitriona de los agujeros.

La mejor explicación para este comportamiento extraordinario es que el objeto más pequeño se estrella contra el disco de gas y polvo que se acumula en su compañero más grande de forma rutinaria, haciendo que el material alcance temperaturas muy altas.

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Pero estos eventos son irregulares. Tienen lugar cada dos cada 12 años, pero a veces pasa un año desde que ocurrió el anterior y otras veces hasta 10.

Esto habla de la complejidad de la órbita que dibuja el agujero más pequeño alrededor del grande, un factor que el equipo de investigación ha incorporado a un modelo altamente sofisticado.

“La órbita del agujero negro más pequeño tiene (un movimiento de) precesión. Es por eso que los tiempos de los impactos varían”, explicó el profesor Mauri Valtonen, de la Universidad de Turku, en Finlandia.

La precesión o movimiento de precesión está asociado al cambio de dirección en el espacio que experimenta el eje instantáneo de rotación de un cuerpo. Para dar una idea, es el movimiento de oscilación que realiza un trompo.

“Ya en 1996 teníamos un modelo que predecía más o menos lo que sucedería. Pero ahora somos cada vez más precisos“, le dijo Valtonen a la BBC.

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Uno de los parámetros importantes que toma en cuenta el modelo actualizado es la energía que irradia del sistema en forma de ondas gravitacionales.

La teoría de la relatividad general, muy simplificada, sostiene que la gravedad surge de la curvatura del espacio-tiempo. Baste imaginar el universo como un tejido tenso cuya forma geométrica varía en función de la masa de los cuerpos celestes que se disponen sobre él.

Bajo esta premisa, las órbitas de unos objetos sobre otros no repiten su trayectoria, como formulaba la gravitación definida por el físico Isaac Newton, sino que siguen un movimiento de precesión, lo que significa que la trayectoria cambia con cada giro.

En las condiciones supermasivas del OJ 287, las ondas tienen una influencia significativa en la forma en la que opera el sistema.

Una observación afortunada

La gran prueba para este último modelo tuvo lugar el 31 de julio del año pasado, cuando se identificó el fenómeno más reciente dentro de las 2,5 horas previstas por las ecuaciones.

El evento fue capturado por el telescopio infrarrojo Spitzer, de la agencia espacial estadounidense NASA.

Se trató de una observación afortunada ya que resultó que el OJ 287 estaba en el lado opuesto del Sol a la Tierra en ese momento y, por lo tanto, fuera de la vista de las instalaciones terrestres.

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Por otro lado, la lejanía de Spitzer de la Tierra (160 millones de km) lo colocó en una posición privilegiada.

“Cuando verifiqué por primera vez la visibilidad de OJ 287, me sorprendió descubrir que el Spitzer lo captó justo el día en que se pronosticaba tendría lugar el primer brillo”, describió Seppo Laine, científico del Instituto de Tecnología de California (Caltech) de EE.UU., quien supervisa las observaciones del Spitzer.

“Fue extremadamente afortunado que pudiéramos capturar el pico de este impacto con el Spitzer, porque ningún otro instrumento hecho por el hombre ha sido capaz de lograr esta hazaña en el momento específico”.

Teorema “sin pelo”

Otro detalle que tuvo en cuenta el modelo fueron las características físicas del agujero negro más grande. Específicamente, su rotación.

Varios científicos, incluido el fallecido Stephen Hawking, desarrollaron lo que se conoció como el teorema “sin pelo” de los agujeros negros.

Este esencialmente establece que la superficie, o “horizonte de sucesos”, de un agujero negro a lo largo de su eje de rotación es simétrica: no hay grumos ni protuberancias.

Se cree que la observación de OJ 287 es la mejor prueba hasta ahora del teorema “sin pelo”.

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El profesor Achamveedu Gopakumar, del Instituto Tata de Investigación Fundamental, en India, trabajó en el modelo sobre las ondas gravitacionales junto con el estudiante graduado Lankeswar Dey.

El profesor habló de su “euforia” al ver llegar los datos del Spitzer. Ahora está esperando que OJ 287 sea fotografiado por el telescopio Event Horizon (EHT), que captó la primera imagen de un agujero negro el año pasado.

“Con el EHT se hicieron observaciones tanto en 2017 como en 2018. Las otras campañas están suspendidas (debido al coronavirus) y esperamos tener tiempo durante la campaña 2021”, dijo a la BBC.