Els forats negres protagonitzen el Nobel de Física, que guanyen Penrose, Genzel i Ghez

El físic britànic Roger Penrose, que va demostrar que l'existència dels forats negres era una predicció de la teoria general de la relativitat, ha estat distingit amb el Premi Nobel de Física 2020.

Penrose comparteix el premi amb l'alemany Reinhard Genzel i amb la nord-americana Andrea Ghez, guardonats pel descobriment d'un objecte compacte supermassiu al centre de la nostra galàxia.

Roger Penrose va néixer el 1931 a Colchester i és professor emèrit de la Universitat d'Oxford. Li han atorgat la meitat del premi.

L'altra meitat se la reparteixen a parts iguals Genzel i Ghez. Reinhard Genzel va néixer el 1952 a Bad Homburg vor der Höhe. Dirigeix l'Institut Max Planck de Física Extraterrestre i és també professor a la Universitat de Califòrnia a Berkeley.

Andrea Ghez va néixer el 1965 a Nova York i és investigadora i professora a la Universitat de Califòrnia a Los Angeles.

Uns elements misteriosos

Els forats negres són els elements més estranys de l'univers. Són tan enigmàtics i curiosos que el terme ha entrat a l'imaginari popular i s'utilitza en contextos diversos.

En el camp de la física, un forat negre és un objecte amb una massa tan elevada que la força gravitatòria que exerceix impedeix que res s'escapi de la seva influència, ni tan sols la llum. Serien el punt final de la vida d'un estel de molta massa, que cau.

Això ja ho van intuir a finals del segle XVIII el filòsof i matemàtic britànic John Michell i el matemàtic, físic i astrònom francès Pierre Simon de Laplace, que van proposar l'existència d'estels foscos. Raonaven que hi podia haver cossos tan densos que serien invisibles, perquè ni tan sols la velocitat de la llum seria suficient per escapar-se de la seva atracció.

Deducció de la teoria de la relativitat

Però aquesta era una simple idea, per bé que encertada i brillant. Hem d'esperar al segle XX perquè hi hagi propostes teòriques basades en la física i les matemàtiques. El 1915, Albert Einstein va publicar la seva Teoria General de la Relativitat, que es pot considerar una teoria general de la gravetat, força que governa l'univers.

Segons Einstein, la gravitació fins i tot modifica l'espai-temps. Podem imaginar una gran massa damunt d'un llençol tibant, que seria l'espai temps. La massa enfonsa el llençol i així un objecte que es trobi en un punt més o menys proper caurà cap a aquest objecte.

Una massa molt gran crearia, doncs, un forat negre. Però si bé Einstein apareix en els motius del Nobel donat a Penrose, ell mateix no creia en els forats negres.

Tot i així, només unes setmanes després de la publicació el treball d'Einstein, ja es va començar a deduir l'existència d'aquests objectes. L'astrofísic alemany Karl Schwarzschild va demostrar que algunes solucions de les equacions de la teoria de la relativitat explicaven com un forat negre distorsionava l'espai-temps.

Però es creia que eren construccions purament teòriques, possibles només en situacions ideals que no es donaven en el món real.

La contribució de Penrose

Fins que als anys 60 es van descobrir els quàsars, nom que prové de la contracció d'objecte "quasi stellar". Són els objectes més brillants de l'univers i es van observar per primer cop el 1963.

La llum que emeten és tan intensa com la de centenars de galàxies juntes. Per als astrofísics, el seu origen era un enigma. Però van concloure que només hi havia una manera que emetessin tanta radiació tot i ser molt més petits que una galàxia: havia de ser matèria que estava sent absorbida per un forat negre.

I aquí entra en escena Roger Penrose. Va crear el concepte de "matèria capturada" i amb l'aplicació de complexes eines matemàtiques va demostrar que un forat negre constituïa una singularitat, que passada la seva frontera acabaven l'espai i el temps.

El seu article es va publicar el 1965 i encara es considera la contribució més important a la teoria de la relativitat general.

El forat negre i la libèl·lula

Penrose també va provar que un cop s'ha iniciat el col·lapse que du a un forat negre, res no el pot aturar. D'un forat negre no en surt res.

El físic i premi Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar ho va explicar de forma més poètica. Va narrar la història d'una larva de libèl·lula, que es troba sota l'aigua. Promet als seus amics que quan surti de l'aigua tornarà per explicar-los com és el món de fora. Però quan es converteix en libèl·lula i surt volant, ja no pot tornar enrere. Un cop alguna cosa entra en un forat negre, passa el mateix. El camí només es pot recórrer en un sentit.

Tot i això, la complexitat de la física ha permès generar la idea que alguna cosa en pot escapar. El 1974, Stephen Hawking va proposar que en el mateix horitzó del forat negre, a la mateixa frontera, es podia escapar el que s'ha anomenat radiació de Hawking.

Això significa que els forats negres van perdent energia i massa i acaben dissipant-se, evaporant-se. Però el ritme és tan i tan lent que en el millor dels casos caldria l'edat de l'univers perquè es produís aquest efecte final.

Observant el centre de la Via Làctia

Per la seva banda, Reinhard Genzel i Andrea Ghez han contribuït, de manera independent, a descobrir que al centre de la nostra galàxia hi ha, amb tota probabilitat, un forat negre, tal com se suposava des dels anys 60 del segle passat.

La Via Làctia té un radi d'uns 100.000 anys llum i conté centenars de milions d'estels. Els equips dels dos astrofísics han estudiat amb detall el centre de la galàxia.

Allà hi ha una font molt potent d'ones de ràdio, anomenada Sagitari A. A partir dels anys 90, els dos astrofísics i els seus equips van poder utilitzar telescopis molt grans per poder estudiar amb molt de detall aquella regió. Genzel va fer les observacions des dels telescopis de La Silla i de Paranal, a Xile. Ghez va fer sevrir el telescopi Keck, a Mauna Kea (Hawaii).

Tots dos van identificar una trentena d'estels molt brillants i que es movien molt ràpidament. Un, anomenat S2 o S-O2, fa una òrbita completa al voltant del centre de la galàxia en només 16 anys –en comparació, el Sol, que es troba molt allunyat del centre, triga 200 milions d'anys.

Gràcies a aquest període tan breu, els astrofísics han pogut caracteritzar totalment la seva òrbita.
 

Aquest moviment tan accelerat només es pot explicar per l'existència d'un objecte supermassiu en el centre de la Via Làctia. I per als astrofísics, l'única opció possible és que sigui un forat negre. Tindria una massa equivalent a la de 4 milions de sols, però concentrada en un volum equivalent al del nostre sistema solar.

Tot i aquestes xifres impressionants, el "nostre" forat negre és més aviat modest. A la galàxia Messier 87 (M87), situada a 55 milions d'anys llum d'aquí, hi ha un forat negre més de mil vegades més pesant que el de la Via Làctia.

A part de fer el primer pas per demostrar la possibilitat real dels forats negres, Penrose s'ha distingit també pel seu vessant assagístic. El 1989 va publicar "La nova ment de l'emperador: sobre ordinadors, ments i les lleis de la física". Entre les tesis que hi exposava, que la física quàntica juga un paper essencial per explicar el funcionament del cervell i la consciència.