Los agujeros negros forman parte de un reino abisal, oscuro y sin fondo. Habitan en las profundidades del conocimiento, en el límite de la comprensión. En un mundo aparte, donde el color desaparece, las luces se apagan y el tiempo se detiene. Y aunque han sido objeto de continuas especulaciones, hoy ya no son ciencia ficción. Xavier Barcons, del Instituto de Física de Cantabria (IFCA-CSIC), sabe dónde están y cómo podemos “verlos”, pues coordina la participación española en el satélite XMM-Newton, para la detección de fuentes de rayos X, de la Agencia Europea del Espacio. Por esta razón, ha estado presente en la trigésima edición de los “Encuentros Relativistas Españoles 2007”, organizados por el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) en el Puerto de la Cruz (Tenerife), del 10 al 14 de septiembre. Y allí habló precisamente de la interacción entre la Astronomía de rayos X y la Relatividad.
La concentración de masa en un agujero negro es tan extraordinaria, que el espacio queda considerablemente deformado. Algunas de las propiedades supuestas en la región que ocupa son tan contrarias a nuestra experiencia cotidiana que difícilmente llegamos a entenderlas. Las leyes de la física, tal y como las conocemos, ya no son aplicables.
Predicción de Einstein
Los agujeros negros fueron intuidos por primera vez a finales del siglo XVIII. El astrónomo inglés John Michell y el físico francés Pierre-Simon Marqués de Laplace sugirieron, casi simultáneamente, la idea de que si se combinara una gran masa y un radio pequeño sería posible obtener un cuerpo del cual la luz no podría escapar. Pero fue Albert Einstein el primero en sugerir la curvatura del espacio y que una gravedad muy grande, como la del Sol, desviaría la luz de las estrellas. Según esta hipótesis, demostrada durante el eclipse solar de 1919 por sir Arthur Eddington en Isla Príncipe, la posición aparente de las estrellas cambiaría cuando la luz emitida por ellas pasara al lado del Sol.
A escala cósmica, la presencia de una estrella muy densa genera una deformación en el espacio y provoca los efectos de una especie de sumidero, como el agua al caer por el desagüe de un baño. Por su intensa gravedad, los agujeros negros ejercen una influencia sobre la materia que los circunda. De ahí la búsqueda de sistemas dobles donde se pueda observar el comportamiento anómalo de la estrella normal, sobre todo si se producen alteraciones en la luz que llega al telescopio como pruebas de la aceleración de la estrella, que pierde materia a gran velocidad. “Además –explica Xavier Barcons-, cuando el gas de una estrella cae hacia un agujero negro emite, antes de ser absorbido, una enorme cantidad de energía en forma de rayos X. Y podemos observar esta radiación, aunque sólo se puede detectar con satélites artificiales, fuera de la atmósfera.” Así se descubrió el primer agujero negro -V404 Cyg-, una fuente de rayos X que posteriormente fue identificada por el Telescopio William Herschel, del Observatorio del Roque de los Muchachos, en La Palma.
De ahí la relación entre la Astronomíade rayos X y el tema de los Encuentros Relativistas Españoles. Xavier Barcons explica que “en las fuentes de rayos X más típicas y en las más abundantes del Universo estamos viendo efectos de la Relatividad General en acción: cómo actúa esta teoría en presencia de campos gravitatorios extremadamente fuertes, muchísimo mejor que en todas las pruebas que uno puede imaginarse o concebir en un laboratorio o en el Sistema Solar”.
“En realidad -añade- de lo que estamos hablando es de agujeros negros o estrellas de neutrones a los cuales está cayendo materia que hay por los alrededores, y esta materia antes de ser engullida por el agujero negro está orbitando a su alrededor, emitiendo luz que nosotros podemos observar en forma de rayos X. Esto nos permite determinar la cantidad de energía que tiene que perder esa luz para escapar del campo gravitatorio tan intenso del agujero negro, una predicción de la Relatividad General que solamente en estas circunstancias tan extremas podemos ver”. La conexión entre campos gravitatorios muy fuertes y efectos relativistas es evidente.
Núcleos activos de galaxias, agujeros negros estelares y estrellas de neutrones… ¿Hasta qué punto pueden contribuir a probar empíricamente la Teoría de la Relatividad General? “Siendo honesto –señala Xavier Barcons-, creo que en Astronomía nos va a ser muy difícil diseñar tests o pruebas de la Relatividad General, incluso medir lo parámetros o desechar teorías alternativas a la de Einstein. Lo tenemos complicado por un hecho muy sencillo: nosotros no tenemos laboratorios, sino fuentes astronómicas donde la materia que está allí haciendo de partícula de prueba y cayendo al agujero negro está como está, no podemos modificar sus condiciones iniciales, y entonces no sabemos muy bien cómo está. Sí tenemos un disco de acreción con una determinada geometría, pero no podemos decir que la partícula está aquí, que sigue este movimiento y que, por tanto, éste es el efecto que predice la Relatividad General. Lo que nosotros acabamos viendo es una convolución de dos cosas que nos gustaría comprobar o conocer: una es la Relatividad General y la otra es la disposición de la materia dentro de estos agujeros negros”
Sin embargo, “para lo que sí nos sirve –añade Barcons- es para ver cómo la Relatividad General se pone en acción, cómo hay efectos que nosotros tenemos que adscribir a esta teoría porque no tenemos otra forma de explicarlo desde el punto de vista astronómico. Es decir, que aunque nosotros no podamos proporcionar un test ni una medida fina de los parámetros de la teoría de la Relatividad General, lo que sí podemos hacer es verificar que esta teoría se cumple incluso en zonas extremas donde el campo gravitatorio es muy fuerte.”
Ondas gravitatorias
Los agujeros negros, como otras fuentes de rayos X, también pueden detectarse registrando las ondas gravitatorias producidas por la deformación del espacio que causan en esa peculiar región del Universo. Y aunque aún no se ha logrado la detección de estas ondas con los actuales detectores, los científicos están seguros de que tarde o temprano se logrará. Xavier Barcons comenta al respecto las posibilidades que puede abrir la combinación de dos misiones de la ESA actualmente en estudio. “Una es LISA, el detector de ondas gravitatorias que lleva desarrollándose desde hace tiempo, y otra es XEUS, una misión espacial de rayos X también proyectada desde hace más de 10 años. Si conseguimos que coincidan las operaciones de una y otra durante un tiempo, obtendremos mucha información acerca de estas fuentes. Las ondas gravitatorias nos pueden dar datos de lo que los relativistas llaman prácticamente el ‘horizonte de sucesos’, que es la superficie más allá de la cual nada sale del agujero negro. Pero con los rayos X nosotros podemos ver un poco más hacia fuera que un detector de ondas gravitatorias. De hecho, con LISA será muy difícil saber de dónde vienen las ondas gravitatorias que se detectan. La combinación de los dos instrumentos los hará más potentes, siempre teniendo en cuenta que las ondas gravitatorias provienen todavía más cerca del agujero negro de lo que nosotros estamos estudiando”.
Y la situación puede cambiar de la noche al día. Podríamos pasar de no detectar nada a detectar demasiadas fuentes. “En el caso de las ondas gravitatorias –apunta Barcons-, ése puede ser un problema para LISA, y es que no conocemos cuál es el fondo de ondas gravitatorias. En el proyecto LISA tienen lo que llaman los ‘calibradores’, fuentes que tienen que emitir ondas gravitatorias de forma muy copiosa para que sean muy obvias a la detección. Pero lo que no sabemos es cuántas ondas gravitatorias hay flotando en el Universo. Por encima de este nivel tendremos que hacer nuestras detecciones. Dependiendo de dónde esté ese nivel, podremos detectar más o menos. Si está bajo, podremos detectar muchas más fuentes. Y desde luego en muchos casos será crítica la ayuda de los rayos X, de la acreción, de la caída de la materia dentro de los agujeros negros.”
Catálogo de fuentes
Xavier Barcons tenía razones para estar satisfecho en la reunión de relativistas: la reciente publicación del mayor catálogo de fuentes astronómicas de rayos X (hasta 192.000) confeccionado utilizando el satélite XMM-Newton en el que él participa como coordinador español. “Éste era uno de los objetivos de la misión XMM-Newton porque, entre otras características, este observatorio de rayos X tiene una propiedad, y es que tiene un campo de visión muy grande. Cuando se hace una observación de una estrella, de una galaxia o de un cúmulo, el amplio campo de visión del satélite hace que, a la vez, y gratis, estés detectando entre 30, 50 y 100 fuentes astronómicas de rayos X, la mayoría de las cuales no se conocían antes”. Pero Barcons puntualiza que, ahora, lo que se ha publicado es la entrega con los seis primeros años de observaciones de XMM-Newton: casi 200.000 fuentes de rayos X nuevas. “Para que nos hagamos una idea –aclara-, antes del lanzamiento de XMM-Newton se conocían unas 60.000 fuentes de rayos X. Así que hemos más que triplicado el número anterior.”
Otra cuestión importante que este investigador destaca es que, junto a este catálogo, se han sacado “un montón de entradas”. “No solamente estamos dando una posición y un brillo en el cielo –advierte-, sino que hay una serie de propiedades que nosotros estamos dando ya catalogadas para que cualquier persona que quiera estudiar una de estas fuentes tenga ya de forma inmediata una serie de características de las fuentes. Ahora, a partir de aquí empiezan una serie de proyectos de investigación que antes no podíamos hacer. Y en mi grupo, por ejemplo, acabamos de contratar a una persona para que empiece un programa de explotación científica, concretamente de lo que a nosotros más nos interesa, de fuentes oscurecidas, etc.”
Carnet para estrellas
Pese a tratarse de un catálogo exclusivamente de fuentes de rayos X, Barcons y su grupo están a punto de publicar una selección de más de 300 fuentes de este catálogo que han sido estudiadas con todo detalle. “De hecho –comenta-, este estudio lo empezamos con un proyecto que hicimos en el Observatorio del Roque de los Muchachos en el período 2000-2001, donde identificamos aproximadamente la mitad o algo más de estas fuentes.” Este proyecto de Tiempo Internacional permitió obtener con los telescopios de La Palma imágenes en los rangos visible e infrarrojo y espectros de amplias muestras de estas fuentes hasta ahora desconocidas. “Después –continúa Barcons- hemos seguido trabajando en este proyecto en otros observatorios: hemos trabajado en ESO, estamos incluso en el Cáucaso, ahora haciendo alguna observación, en Calar Alto… y al final lo que hemos hecho ha sido un minicatálogo, una selección de 319 fuentes. Hemos obtenido toda clase de datos en el óptico, imágenes y espectroscopía óptica… Hemos podido identificar y darle un carnet de identidad a cada una. La idea que tenemos en mente, que ya veremos hasta qué punto la podemos implementar, es usar esto como banco de pruebas para, de alguna forma, intentar darle también un carnet de identidad a estas 200.000 fuentes, aunque sea un carnet de identidad borroso: ‘bueno esto a lo mejor es una galaxia activa, o es una galaxia activa con un 95% de probabilidad’, etc. Esto es lo que nosotros llamamos ‘identificación estadística’, un proceso que ahora podemos emprender porque ya tenemos dos herramientas: por un lado, el catálogo sin identificar, y por otro, esta pequeña muestra, este minicatálogo de 319 fuentes ya identificado hasta más del 90%.”
Competencia en el espacio
Los dos son observatorios espaciales de rayos X. Los dos están revolucionando la Astrofísica en esta región del espectro electromagnético, inaccesible desde tierra. Chandra, de la NASA, rinde homenaje al Premio Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar, quien estableció el límite de masa por encima del cual una estrella colapsaría indefinidamente. XMM-Newton, de la ESA, también es un tributo a un gran físico, si bien las siglas proceden del inglés X-ray Multi-mirror Mission. ¿Existe competencia entre estos dos observatorios? “En el fondo algo hay”, reconoce Barcons. “Existe competencia entre los astrónomos americanos y los europeos. Pero, en realidad, Chandra y XMM-Newton se complementan muy bien”. No obstante, a este investigador le resulta curioso que hayan tenido un desarrollo tan distinto, pese a lanzarse en el mismo año y con tan sólo una diferencia de seis meses. “Chandra tuvo al principio una explosión de resultados científicos mucho más potente que XMM-Newton. ¿Por qué? Pues porque Chandra es un telescopio que está diseñado para hacer imágenes que toma con una resolución sin precedentes en rayos X. Lo que más se acercaba anteriormente era de unos 10-15 segundos de arco de resolución, Chandra observa el cielo con 0,5 segundo de arco. Aquello era la novedad y provocó que se obtuvieran gran cantidad de resultados y que se estudiaran muchas nuevas fuentes como nunca antes se había hecho. Pero, al final, en las distancias largas, gana el XMM-Newton. Con este satélite se han publicado más artículos con más impacto porque XMM-Newton es una máquina que recoge fotones de forma mucho más eficiente que Chandra. Así que con Chandra hemos hecho la ‘astro’ y con XMM la “física” de la Astrofísica de rayos X. Y ahora mismo estamos abriendo muchas ramas de este campo que ni siquiera sospechábamos que pudieran estar allí.”
“Ésa es la razón –añade Barcons- por la que este satélite esté recibiendo una cantidad de solicitudes de tiempo impresionante y de que se estén publicando del orden de 350 artículos con datos de XMM-Newton cada año, la mayoría con espectroscopía. Es decir, estamos haciendo la física de la astrofísica de los rayos X.” Por otro lado, también hay algunos programas conjuntos entre Chandra y XMM-Newton. “Hay proyectos –explica Barcons- que necesitan tener una resolución angular muy buena y complementarse con una espectroscopía también muy buena. De hecho, las dos agencias contemplan esa posibilidad.”
La energía oscura
Xavier Barcons considera que la energía oscura es “un modelo cosmológico que funciona” y que “a falta de otro mejor, debemos usar éste”. Pero cree que tardaremos unas décadas en saber de qué estamos hablando exactamente, aunque “en los próximos 10, 15 ó, como mucho, 20 años, habremos aprendido a caracterizar mejor esa componente del Universo”. Y añade: “Ahora mismo, realmente lo único que sabemos es que tenemos un agujero allí y que el Universo está en aceleración. Pero en unos años sabremos cómo ha evolucionado esta energía con los últimos estadios de la expansión del Universo. Para ello tenemos una predicción: que el Universo está acelerado ahora, pero en la segunda mitad de su vida; en la primera mitad estaba desacelerado. Y esto lo tenemos a tiro probarlo, no es algo infranqueable. En los próximos 15 años sabremos con precisión cuál es la ecuación de estado de la energía oscura para saber si realmente es una energía oscura u otra cosa parecida. Insisto, en las próximas dos décadas sabremos muchas más cosas, no sé si tanto para decir ‘sí, es una energía oscura’, o ‘no’, pero aprenderemos mucho.”
En cuanto a si siguen siendo válidas las teorías de Einstein, Barcons está convencido de que, hoy en día, nadie, o casi nadie, cuestiona la teoría de la Relatividad General. “Sin que sea necesariamente la teoría última de la gravedad –advierte-, nos es más que suficiente para lo que tenemos actualmente. Todos los tests que hay verifican, comprueban y ratifican que la teoría está bien, con toda la precisión a la que se pueda llegar. Y ya bastante complicada es como para inventarnos cosas más complejas que no vendrían a cuento. Yo creo que nunca se sabe cuál es la teoría última de la naturaleza y mi visión personal es que no lo vamos a saber nunca. Pero, para los propósitos actuales y en un futuro muy, muy largo, creo que la teoría de la Relatividad General es la teoría de la Gravitación y punto.”
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