El premi Nobel pel descobriment del gran forat negre al centre de la Via Làctia

Si hem de seleccionar un descobriment científic que sigui el més significatiu de la dècada de 2011 a 2020 que ara s'acaba, tant en física com en astronomia elegiríem sens dubte les ones gravitatòries i els forats negres. La detecció d'ones gravitatòries ja va ser el motiu d'un Premi Nobel l'any 2017, en reconeixement de la fita assolida per la missió LIGO i la tecnologia de la interferometria làser que va permetre percebre les minúscules oscil·lacions de l'espai-temps quan l'ona gravitatòria es propaga a través de la Terra. Aquell Premi Nobel celebrava també el primer sondeig de la gravetat dels forats negres aprop del seu horitzó, allà on les velocitats dels objectes en caiguda lliure s'acosten a la de la llum i les lleis de la Relativitat General que regulen la gravetat es desvien en gran mesura del que hauria predit la teoria de Newton. Les ones gravitatòries ens han ofert la clau per observar la intimitat relativista dels forats negres en el seu acte més espectacular: la fusió de dos forats negres en un de sol.

Ara, al 2020, el Premi Nobel de Física atorgat a Roger Penrose, Reinhard Genzel i Andrea Ghez celebra novament la descoberta d'un forat negre que portem molt al fons del nostre cor. I el portem tan al fons, que en realitat és just al fons del tot de la nostra llar galàctica: al centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. En aquest cas, en lloc de les ones gravitatòries, hem fet servir mesures astronòmiques de precisió amb grans telescopis òptics a la Terra per seguir els moviments de les estrelles que més s'acosten al forat negre. La tecnologia clau ha estat la de l'òptica adaptativa, que ens permet corregir la turbulència de l'atmosfera terrestre per copsar en gran detall el niu d'estels que es mouen en la regió central de la Via Làctia.

Aquest Premi Nobel reconeix també el treball d'un físic teòric, Roger Penrose, que fou cabdal per poder predir l'existència de forats negres al nostre Univers. La història d'aquesta predicció comença just quan Albert Einstein formulà la teoria fonamental que ens hi va dur: la Teoria de la Relativitat General, que descriu la gravetat com una manifestació de la curvatura de l'espai-temps. L'any 1915, el físic Karl Schwarzschild trobava una solució de les equacions d'Einstein per la gravetat d'una massa puntual, qui, malauradament,  va morir al cap de pocs mesos d'una malaltia mentre era al front de guerra a Rússia.

La solució de Schwarzschild conté una singularitat de l'espai-temps, i una superfície que l'envolta que anomenem horitzó d'esdeveniments. Qualsevol partícula (material o de llum) que caigui a l'interior d'aquest horitzó ja no podrà escapar-ne mai més, i totes les trajectòries possibles la duran irremeiablement cap a la singularitat central, on el temps físic s'acaba quan les forces de marea esdevenen infinitament grans i converteixen tot objecte en un espagueti infinitament estirat en la direcció radial i esclafat en les direccions tangencials. La solució de Schwarzschild, però, no semblava gaire realista: suposava simetria esfèrica perfecta. Ja se sap que els físics, si hem de fer un model d'una vaca, comencem suposant que la vaca és esfèrica per poder simplificar els càlculs, però aquesta aproximació no sempre ens porta a prediccions realistes. La majoria de físics creien que una estrella real no podria acabar mai com aquella solució de Schwarzschild amb propietats tan estrambòtiques.

Més endavant, Robert Oppenheimer estudiava el destí dels estels més massius, que acaben la vida formant estels de neutrons que col·lapsen fins a densitats altíssimes. Una massa d'unes dues vegades la del Sol es concentra dins d'un radi de poc més de 10 kilòmetres, tan petit com unes poques vegades el radi de Schwarschild que correspon a aquesta massa. L'any 1939, Oppenheimer va deduir que a partir d'una certa massa màxima, l'estel de neutrons ja no podria aguantar més el seu propi pes i es veuria empès a col·lapsar en un objecte que podria ser com el de la solució de Schwarzschild. Un altre descobriment important va venir del matemàtic nouzelandès Roy Kerr, que al 1963 trobava una solució més completa de les equacions d'Einstein per la gravetat d'una massa col·lapsada: un forat negre que, a més de tenir una certa massa, gira amb un cert valor del moment angular. La solució ja no té simetria esfèrica i prediu diferències importants en el camp gravitatori en funció del gir del forat negre, però manté les sorprenents propietats d'un horitzó d'esdeveniments dins del qual cap partícula ni informació de cap mena pot eixir a l'Univers exterior, i d'una singularitat de l'espai temps a l'interior d'aquest horitzó.

Tot això ja donava una gran versemblança a la idea que aquestes solucions de la teoria d'Einstein potser es corresponien amb objectes reals, forats negres que podien existir a l'Univers. Però la confirmació teòrica del que implicaven aquestes solucions, i la predicció definitiva que els forats negres existeixen, vingué de la mà de Roger Penrose i Stephen Hawking que van demostrar al 1965 un important teorema sobre les singularitats en la teoria de la Relativitat.

Diu el seu teorema que aquestes singularitats, lluny de ser un artefacte de solucions especials que elegeixen els matemàtics per poder simplificar els seus càlculs, són en realitat una conseqüència inevitable del col·lapse gravitatori de la matèria quan s'arriba més enllà d'un cert estat de compressió; en concret, quan la velocitat d'escapada necessària per poder fugir de la gravetat d'un estel des de la seva superfície s'acosta a la velocitat de la llum.

Fou també durant la dècada dels 60 que les observacions astronòmiques començaven a descobrir objectes que podien ser una manifestació de fenòmens físics associats a forats negres. Al 1963, Maarten Schmidt descobria els primers quàsars, unes fonts lluminoses que semblaven estels però que, quan se'n prenia un espectre, se'n deduïa una distància enorme per la seva brillantor en el cel. La lluminositat implicada era quelcom prodigiós mai vist abans: els quàsars són nuclis galàctics que poden arribar a emetre més de mil vegades la llum de tota una galàxia com la Via Làctia. L'espai d'on sorgeix l'emissió de llum més intensa que observem en tot l'Univers és tan petit (semblant a la mida del nostre Sistema Solar), que l'únic mecanisme concebible per produir aquesta ingent quantitat d'energia és l'acreció de matèria cap a un forat negre de gran massa, una massa milions de vegades superior a la del Sol. Encara que un forat negre no pot emetre cap llum des de l'interior de l'horitzó, si la matèria del seu voltant cau cap al forat negre i s'acosta prou a l'horitzó, s'accelera en la seva caiguda fins a velocitats properes a la de la llum i pot emetre una gran lluminositat des de l'espai proper però exterior a l'horitzó. Quan la matèria xoca, es frena i forma un disc d'acreció, bona part de la seva massa en repòs és convertida en energia lumínica i emesa cap a l'Univers distant.

Els astrònoms no van trigar a descobrir que els quàsars havien tingut una època d'activitat molt elevada en el passat de la història de l'Univers, però que actualment la majoria estan apagats. El gran forat negre en el nucli d'una galàxia que va fer viure un quàsar en el passat pot quedar, per tant, adormit i amagat quan les condicions físiques de la galàxia que l'envolta fan que deixi de caure-hi grans quantitats de matèria interestel·lar. Diverses observacions astronòmiques, sobretot les obtingudes pel Telescopi Espacial Hubble explorant les velocitats dels estels en nuclis galàctics propers, van anar indicant que els nuclis de la majoria de galàxies grans allotjaven probablement forats negres de gran massa. Entre elles, la galàxia d'Andròmeda (la nostra veïna) i la Via Làctia.

Per determinar la presència d'un objecte massiu en el centre d'una galàxia, hem de mesurar la velocitat d'estels que orbiten a diverses distàncies. El nostre Sol orbita a 26 mil anys-llum del centre de la Via Làctia i, movent-se a uns 240 kilòmetres per segon, triga uns 200 milions d'anys a fer la volta. La gravetat que manté el Sol en la seva òrbita és la que prové de la massa de la Via Làctia (no només la del forat negre central, molt petita en comparació). Si mirem estels més propers al centre de la galàxia, fins a una distància d'uns 5 anys-llum, les velocitats en les seves òrbites són similars a la del Sol, cosa que indica que la massa que les atrau està distribuïda per l'espai de forma similar als propis estels de la Via Làctia. Però si ens fixem en estels a menys de 5 anys-llum del centre, veiem que les seves velocitats orbitals són més grans com més aprop són del centre. La massa que les manté en òrbita es dedueix de la mesura de les seves velocitats i radis orbitals: és una massa constant d'un objecte situat al centre.

És a través d'observacions com aquestes que els equips científics de Reinhardt Genzel i Andrea Ghez han aconseguit, amb l'ús dels grans telescopis europeus a Xile i dels nord-americans a Hawaii, acumular al llarg dels últims 25 anys que s'evidencia que al centre de la Via Làctia hi ha un forat negre de 4,2 milions de masses solars. Per poder observar els estels que es mouen en la zona central de la Via Làctia, cal detectar llum infraroja atesa la gran quantitat de pols que ens tapa la visió del centre galàctic. En l'infraroig, l'absorció per pols és menor que per la llum visible, i una part de la llum infraroja aconsegueix travessar la pols i arribar fins als nostres telescopis. Al principi, les observacions ens mostraven només una llum esborronada prop del centre galàctic, provinent d'una gran concentració d'estels que no podíem veure bé amb la resolució de les imatges òptiques tal com s'obtenen des de la superfície de la Terra. Però la millora progressiva de la tecnologia de l'òptica adaptativa al llarg dels anys ha permès poder resoldre aquesta llum infraroja en centenars d'estels i poder seguir les seves òrbites. Aquesta recerca ha demostrat que les velocitats de les estrelles impliquen que la massa que els atrau és la d'un objecte massiu central i enormement concentrat, com ho pot ser només un forat negre. L'estel més proper al centre que s'ha observat en detall, anomenat S2, té un període orbital al voltant del forat negre de només 16 anys i arriba a acostar-s'hi fins a només 120 Unitats Astronòmiques (o 120 vegades la distància de la Terra al Sol). Observacions detallades dels últims anys han permès determinar, a més de la massa exacta del forat negre, que l'òrbita de l'estel S2 precessiona tal com prediu la Relativitat, igual com ho fa el planeta Mercuri en la seva òrbita al voltant del Sol, cosa que fou la primera prova observacional reeixida de la teoria d'Einstein de la gravetat.

Les observacions del centre galàctic han fet un salt gegantí amb el nou instrument anomenat GRAVITY que s'ha instal·lat en els telescopis de l'Observatori Europeu del Sud, als Andes xilens. Mitjançant la tècnica d'interferometria que combina la llum de quatre telescopis, s'ha aconseguit revelar el moviment de la matèria en forma de plasma que s'acreta cap al forat negre mentre emet flamarades en l'infraroig, quan ja arriba a l'òrbita estable més petita que rodeja el forat negre a una distància de menys d'una Unitat Astronòmica, just abans d'abocar-se definitivament cap a l'horitzó d'esdeveniments on desapareix per sempre més. Això demostra definitivament que l'objecte central de la Via Làctia que lliga els estels en les seves òrbites fins a 5 anys-llum de distància i engolleix el plasma que té més aprop és un forat negre de 4.2 milions de masses solars.

En els propers anys, les mesures poden millorar encara més amb l'observació d'altres estels que s'estan trobant encara més aprop del forat negre: el més proper, descobert tot just l'any passat, té un període de només 10 anys i s'acosta en el pericentre fins a només 18 Unitats Astronòmiques del forat negre. Així mateix, les observacions de les flamarades emeses pel plasma que s'acreta al forat negre ens aportaran nova informació. En concret, el descobriment més preuat seria que es pogués detectar algun efecte en les òrbites prou properes al centre per distingir un forat negre de Schwarzschild perfectament esfèric, d'un forat negre de Kerr en què el camp gravitatori gira i obliga la matèria que cau a acompanyar-lo en el seu gir.

El Premi Nobel del 2020 commemora uns descobriments que han canviat per sempre la comprensió del nostre Univers: els forats negres han deixat de ser elucubracions teòriques amb propietats fantàstiques. Ara ja són objectes reals del nostre Univers, amb els quals podem observar fenòmens que ens menen cap als límits de les lleis físiques conegudes. Les paradoxes que ens plantegen els forats negres sobre la informació que desapareix quan cau alguna cosa a través de l'horitzó són preguntes cabdals sobre fets reals que observem cada dia. Si alguna crítica podem fer a la concessió d'aquest Premi Nobel és que potser arriba massa tard, i que ens hauria agradat que hagués pogut ser compartit també per Stephen Hawking, el gran físic que ens va deixar el 2018 i que més ha sabut indagar en els secrets dels forats negres.