Antes de convertirse en «el padre de la bomba atómica», J. Robert Oppenheimer hizo una contribución significativa a la ciencia de los agujeros negros.
Oppenheimer siempre, para bien o para mal, estará asociado con el increíble poder destructivo de la bomba atómica y la imagen de la nube en forma de hongo, un símbolo de destrucción casi bíblico. Esa asociación solo se fortalecerá a la vista del público con el lanzamiento de hoy (21 de julio) de «Oppenheimerla muy esperada película biográfica de Christopher Nolan sobre el físico.
Pero antes de viajar a Los Álamos, Nuevo México, en 1942 para contribuir al desarrollo de la bomba atómicaOppenheimer fue un físico teórico centrado en la física cuántica.
En 1939, él y su colega de la Universidad de California, Berkeley, Hartland S. Snyder, publicaron un artículo pionero titulado «Sobre la contracción gravitatoria continuaque utilizó las ecuaciones de la teoría de la gravedad de Albert Einstein, relatividad generalpara mostrar cómo podrían nacer los agujeros negros.
«Oppenheimer propuso el primer modelo de colapso para describir cómo una estrella podría colapsar en un agujero negro«, dijo a Space.com Xavier Calmet, profesor de física en la Universidad de Sussex en Inglaterra. «Este modelo explica la formación de agujeros negros como un proceso astrofísico dinámico, la etapa final de la evolución de estrellas lo suficientemente pesadas. Este modelo todavía se usa hoy en día».
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Calmet dijo que recientemente usó el modelo él mismo, en un artículo que describe el colapso de los agujeros negros al considerar gravedad cuántica.
«Este modelo es muy importante porque se puede resolver analíticamente: la resolución de las ecuaciones se puede hacer con lápiz y papel y no requiere trabajo numérico. Por lo tanto, toda la física es fácilmente rastreable», dijo. «Sin embargo, a pesar de su simplicidad y tal vez incluso de su crudeza, es lo suficientemente complejo como para describir muchas de las características de una estrella que colapsa».
Irónicamente, mientras Oppenheimer y Snyder trabajaban en el artículo, que dependía en gran medida de la teoría de la relatividad general de 1915, el padre de esa teoría, Einsten, estaba completando él mismo investigación destinado a demostrar que los agujeros negros no podrían existir.
La historia demostraría que Oppenheimer tenía razón sobre los agujeros negros, por supuesto.
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Oppenheimer empuja el límite
Ocho años antes de la teoría de Oppenheimer sobre el colapso estelar y el nacimiento de agujeros negros, otro físico teórico estaba pensando en lo que sucede cuando las estrellas se quedan sin combustible para fusión nuclear.
Cuando se agota este combustible, una estrella ya no puede sostenerse contra el colapso gravitatorio. Mientras se desprenden las capas exteriores de la estrella, su núcleo se contrae rápidamente, dejando un remanente estelar exótico. La naturaleza del remanente depende de la masa del núcleo estelar.
El físico indio-estadounidense Subrahmanyan Chandrasekhar se dio cuenta de que, para núcleos estelares con una masa inferior a 1,4 veces la de el solel colapso gravitatorio se detendría debido a los efectos cuánticos que evitan que las partículas se «aplasten» demasiado juntas.
Esto vendría a ser conocido como el Límite de Chandrasekhary cualquier estrella debajo de ella, a menos que tenga un compañero estelar que la alimente con material, está condenada a terminar su existencia como un remanente estelar humeante llamado remanente estelar. enano blanco. Ese será el destino de nuestra estrella, el sol, después de que agote el hidrógeno de su núcleo en unos 5.000 millones de años.
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Para los núcleos estelares al menos 1,4 veces más masivos que el sol, hay suficiente presión y, por lo tanto, calor generado durante el colapso gravitacional que pueden desencadenar más episodios de fusión nuclear, con el helio creado por la fusión del hidrógeno forjando elementos más pesados como nitrógeno, oxígeno y carbono.
Las estrellas más masivas sufren una serie de estos colapsos y episodios de fusión nuclear. Pero Oppenheimer y sus alumnos querían saber a dónde conduce este camino de colapso gravitacional y, por lo tanto, cuál es el estado final de las estrellas más grandes del universo.
Esta respuesta ya la había dado un físico alemán en 1916. Oppenheimer solo tenía que averiguar cómo llegar allí.
Los dos nacimientos de los agujeros negros
En 1915, mientras servía en el frente con el ejército alemán durante la Primera Guerra Mundial, el astrónomo Karl Schwarzschild consiguió una copia de la teoría de la relatividad general de Einstein. Sorprendentemente, y para sorpresa de Einstein, bajo estas condiciones increíblemente duras, Schwarzschild logró calcular una solución matemática exacta a las ecuaciones de campo de la relatividad general.
En estas soluciones acechaban dos cosas inquietantes: lugares conocidos como «singularidades» donde la física tal como la conocemos se desmorona por completo. Estas singularidades indicaban la existencia de objetos con una gravedad tan intensa que podían «tragarse» la luz.
Una de las singularidades se consideró una singularidad coordinada, que podría eliminarse con una pequeña manipulación matemática inteligente. Esta singularidad coordinada se conocería como el radio de Schwarzschild, el punto en el que la gravedad de un cuerpo se vuelve tan grande que la velocidad necesaria para escapar de sus garras es mayor que la velocidad de la luz.
Esta superficie unidireccional que atrapa la luz se llama «horizonte de eventosy representa el límite exterior del agujero negro.
La otra singularidad, la singularidad verdadera o gravitatoria, no podía tratarse matemáticamente. Nada podía eliminarlo, por lo que fue, y sigue siendo, el punto en el que la física se derrumba por completo: el corazón del agujero negro.
Ese fue el nacimiento teórico del concepto de agujero negro, pero no dijo nada sobre la creación de estos titanes cósmicos, solo que pueden existir.
Mientras Einstein se esforzaba en 1939 para destruir esta singularidad gravitacional y, por lo tanto, el concepto de agujero negro, Oppenheimer investigaba cómo podrían llegar a existir tales objetos.
Trabajando con suposiciones simples que ignoran los efectos cuánticos y no consideran la rotación, Oppenheimer puso a trabajar a Snyder. Y esto valió la pena cuando este último investigador descubrió que lo que parece sucederle a una estrella que colapsa depende del punto de vista del observador.
Snyder teorizó que, a cierta distancia de la estrella que colapsa, la luz de una fuente cercana al horizonte de eventos tendría su longitud de onda alargada por la gravedad, un proceso llamado corrimiento al rojocon cada vez más rojo.
Al mismo tiempo, la frecuencia de esta luz se reduce desde la perspectiva del observador. Esta reducción de frecuencia continúa hasta que, para el observador distante, la luz se «congela» efectivamente.
Oppenheimer y sus colaboradores se dieron cuenta de que la historia es bastante diferente para un observador lo suficientemente desafortunado como para caer con la superficie de la estrella que colapsa. Un observador en esta posición caería más allá del horizonte de eventos sin notar nada significativo al respecto.
Por supuesto, en realidad, un observador sería «espaguetizado» por las intensas fuerzas de las mareas causadas por la diferencia en la atracción gravitacional de la parte superior e inferior de su cuerpo. Esto los mataría antes de que lleguen al horizonte de sucesos, al menos para los agujeros negros más pequeños, en los que el radio de Schwarzschild está cerca de la singularidad gravitacional.
Este concepto se denominó inicialmente como una «estrella congelada» debido a la aparente congelación de la luz en el horizonte de sucesos. No recibiría su nombre más familiar y ágil hasta 1967, cuando el físico John Wheeler de la Universidad de Princeton acuñó el término «agujero negro» durante una conferencia.
Oppenheimer y sus colegas pueden haber tomado un camino diferente al de Schwarzschild, pero aun así, los dos equipos de físicos llegaron al mismo destino: el concepto de un cuerpo estelar tan masivo que su gravedad atrapa la luz y provoca un corrimiento al rojo infinito. Schwarzschild tenía la teoría, pero Oppenheimer y sus colegas fueron los primeros científicos que realmente entendieron el nacimiento físico de un agujero negro.
Tres años después, Oppenheimer viajaría a Los Álamos, cimentando su lugar en la historia y en la percepción del público. Pero muchos, especialmente los científicos, lo recuerdan como el padre de los agujeros negros.
«Oppenheimer hizo contribuciones muy significativas a la física de los agujeros negros ya la física en general», concluyó Calmet. «Si bien el público en general puede asociar su nombre con la bomba y el Proyecto Manhattan, la comunidad científica aprecia mucho sus contribuciones a la física y la astrofísica.
«Fue uno de los principales físicos durante su vida y fue extremadamente influyente, y su trabajo fundamental sigue siendo relevante hoy».
