Agujero Negro. Cómo Una Idea Abandonada Por Newton, Odiada Por Einstein y Retomada Por Hawking Vuelve A Enamorarnos — Marcia Bartusiak / Black Hole: How an Idea Abandoned by Newtonians, Hated by Einstein, and Gambled On by Hawking Became Loved by Marcia Bartusiak

Es emocionante mirar al cielo y recordar que muchos de esos puntos de luz son en realidad estrellas tan grandes como nuestro Sol y que muchas de ellas también tienen sistemas planetarios. Están tan lejos y, sin embargo, a través de la ciencia de la astronomía podemos aprender mucho sobre ellos. La observación es una de las principales herramientas de la ciencia, pero no es su única herramienta. La extrapolación basada en lo que ya se conoce puede llevar a algunas ideas bastante locas. Una de esas ideas locas es el título del último libro de Marcia Bartusiak – AGUJERO NEGRO
Fue el filósofo natural John Mitchell quien primero teorizó sobre la existencia de lo que se conoció en el siglo XX como agujeros negros. Basándose en los conocimientos sobre la gravedad que hicieron famoso a Isaac Newton, Mitchell preguntó cómo se comportaría la luz en cada vez más estrellas masivas. Al observar estrellas en un sistema binario, Mitchell postuló que no solo se podía detectar el tirón obvio de las estrellas entre sí, sino que también se podía determinar si ese tirón afecta la luz que emana de esas estrellas. “Mide la velocidad de un haz de luz estelar que ingresa a un telescopio, y listo, adquieres un medio para pesar la estrella”.
Entonces Mitchell fue extremo. ¿Cuál es el tamaño que necesitaría una estrella para no emitir ninguna luz? ¿Qué tan grande debería ser un objeto así para que los rayos de luz que irradia regresen a su superficie? Bartusiak señala que “aquí es donde surge la posibilidad del ‘agujero negro'”. Y la intuición de Mitchell marca los primeros pasos que se han dado en el extraño mundo del agujero negro.
Los agujeros negros pueden ser lugares terribles para acercarse, pero puedo asegurarle que el AGUJERO NEGRO de Bartusiak no se parece en nada a esas estrellas derrumbadas que chupan la luz. Pero es un libro difícil de anotar y es posible que te encuentres leyendo capítulo tras capítulo tras capítulo. Y dado que el texto principal del libro solo comprende unas ciento noventa páginas, ¡puede completar el libro antes de que lo sepa! Si no fuera por el hecho de que esbocé cada capítulo después de leerlos, habría completado AGUJERO NEGRO en aproximadamente dos días.
AGUJERO NEGRO se lee como una narración, esencialmente comenzando con Mitchell y sus predecesores científicos y progresando hasta el presente con el trabajo de hombres como Kip Thorne y Stephen Hawking. Tal vez las secciones más interesantes se pueden encontrar en el capítulo cuatro que se titula, “Debería haber una ley de la naturaleza para evitar que una estrella se comporte de esta manera absurda”. Bartusiak explica la resistencia a los agujeros negros de científicos famosos como Arthur Eddington. . El científico británico se había dedicado a “intimidar [a Subrahmanyan Chandrasekhar] para proteger un esquema matemático fantasioso en el que había estado trabajando durante ochenta años”, cuyo esquema consistía esencialmente en mantener la mecánica cuántica y la relatividad lejos una de la otra. Esto era típico de Eddington, una desafortunada marca negra en su ilustre carrera. Puede recordar que fue Eddington quien participó en esa expedición para demostrar la teoría de la relatividad general de Einstein al fotografiar el sol durante un eclipse. Es desafortunado que un hombre tan brillante sea tan resistente al progreso científico que hombres como Chandra estaban haciendo.
Si está buscando un trabajo técnico sobre agujeros negros, este libro no lo es. Tampoco deberíamos esperar que sea así. En cambio, este libro nos da historia y, al hacerlo, revela cómo funciona la ciencia: verrugas y todo. Bartusiak nos ha dado una idea del método científico y sus usuarios. En el camino aprendemos que los hombres brillantes pueden ser mezquinos, las corazonadas se convierten en modelos bastante precisos, y que todos estamos mejor debido al trabajo duro y deliberado de los científicos reflexivos que buscan comprender el mundo.

Bartusiak traza la concepción de la idea de los agujeros negros a un don de Cambridge llamado Joh Mitchell que preguntó si un objeto podía ser tan denso que incluso la luz no escaparía a su atracción gravitatoria. Esta idea quedó enterrada en la literatura científica hasta principios del siglo 20, cuando los astrónomos comenzaron a hacer preguntas sobre la constitución de las estrellas. Fue un joven astrofísico indio Subrahmanyan Chandrasekhar quien primero pensó en el colapso gravitacional en su camino a la escuela de postgrado en Inglaterra. Bartusiak describe bien las batallas de Chandrasekhar con el antiguo grupo de astrónomos ingleses para lograr que sus ideas sean aceptadas. Estaba tan frustrado en sus esfuerzos que cambió a estudiar otros temas antes de que finalmente obtuviera el Premio Nobel por su trabajo décadas más tarde.
Los siguientes actores en el escenario fueron el volátil Fritz Zwicky y el brillante Lev Landau y Robert Oppenheimer. Landaa y Zwicky presentaron los primeros contornos de lo que se llama una estrella de neutrones, mientras que Oppenheimer fue realmente el primer científico que preguntó qué sucede cuando una estrella se colapsa por completo hasta cierto punto, lo que más tarde se denominó una singularidad. Curiosamente, tanto Oppenheimer como Einstein, cuya teoría general de la relatividad brilla en todo su esplendor en los agujeros negros, o se negaron a aceptar su realidad o mostraron una total falta de interés en ellos en sus últimos años. Después de su trabajo pionero, Oppenheimer ni siquiera entretuvo el tema. La historia de los agujeros negros es una buena instancia de revolucionarios científicos que se vuelven conservadores.
Como Bartusiak narra, le correspondió a una raza joven de científicos brillantes dirigidos por John Wheeler en los EE. UU., Dennis Sciama en el Reino Unido y Yakov Zeldovich en la URSS para descifrar los detalles de la astrofísica del agujero negro. A su vez, inspiraron a toda una generación de estudiantes como Kip Thorne, Roger Penrose y Stephen Hawking, quienes contribuyeron a la disciplina. El libro de Bartusiak también tiene una narración legible de los descubrimientos experimentales en radiografía y radioastronomía que convirtieron los agujeros negros de la especulación en realidad. Como el libro lo deja claro, la importancia de la astronomía observacional y los desarrollos en electrónica en el descubrimiento de estos objetos maravillosos no puede subestimarse.
El libro termina con una breve descripción del trabajo de Hawking sobre los agujeros negros que llevó a la propuesta de la llamada radiación Hawking, radiación energética engendrada por los principios de la mecánica cuántica que puede permitir que las partículas escapen de la superficie de un agujero negro. Me decepcionó que Bartusiak no presta más atención a esta frontera emocionante, especialmente con respecto a la fusión de ideas de la teoría de la información y la informática con la termodinámica y la mecánica cuántica que se ha publicado en los últimos años. En general, el volumen de Bartusiak es una buena introducción a la historia y la física de los agujeros negros. Mi única preocupación es que cubre muy poca información que no haya sido documentada en otros libros. “Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy” de Kip Thorne sigue siendo la referencia estándar en el campo y cubre todos estos descubrimientos y de manera mucho más completa e interesante, mientras que “The Perfect Theory” de Pedro Ferreira, que este año pisotea el mismo terreno de descubrimientos experimentales. Este no es un mal libro, pero salió un poco tarde: si realmente quieres leer un libro sobre agujeros negros, creo que debería ser de Thorne.

Como ha escrito el reconocido Kip Thorne, experto en hoyos negros y teórico del Caltech: «Como los unicornios y las gárgolas, los agujeros negros parecen estar más en los territorios de la ciencia ficción y la mitología antigua que en el Universo real».
La idea de agujero negro es, de hecho, bastante sencilla. Tiene una masa y tiene un giro. En cierto sentido es una entidad tan elemental como un electrón o un cuark. Pero lo que confundió a los físicos por tanto tiempo fue su naturaleza básica: es materia exprimida hasta un punto. Su batalla contra semejante resultado fue más filosófica que científica, creían profundamente que la naturaleza no podía (¡no debía!) actuar de forma tan enloquecida. Para un puñado de físicos significó nadar contra corriente durante ese último medio siglo e impulsar la idea, loca o no.

Los planetas circulan alrededor del Sol no porque estén sujetos por cadenas invisibles, como Newton supuso, sino porque están simplemente atrapados en el hueco natural ahondado por la estrella.
Esto es verdad también para cuerpos celestes más pequeños. La Tierra, por ejemplo, no está sujeta a un satélite en órbita a través de un fantasmal cable de remolque. Más bien, el satélite está recorriendo en línea «recta» –recta dentro de su propio marco referencial– las cuatro dimensiones del espacio-tiempo, imposibles de visualizar completamente con nuestra mente tridimensional. Pero podemos intentarlo con dos dimensiones.
Para el siglo XX, una nueva astronomía surgió en un lugar muy poco común: entre las plantaciones de papa de la región central de Nueva Jersey. En la década de 1930, Karl Jansky instaló un receptor de radio único cerca de la población rural de Holmdel y, al hacerlo, se convirtió en la primera persona en arrebatar a la astronomía de su dependencia del espectro óptico, más allá de la estrecha zona de radiación electromagnética visible para el ojo humano. Su primer paso, provisional, condujo en última instancia hacia una nueva y luminosa era de la astronomía, la que se desarrolla en la actualidad. Pero como suele suceder en la historia de la astronomía, Jansky comenzó sus investigaciones por una razón totalmente diferente.

El giro de un agujero negro es una de las claves de su fuerza. Pensemos en un patinador sobre hielo con los brazos extendidos, que luego los atrae hacia su tronco para girar más y más rápido. Es, simplemente, el resultado de conservar el momento angular: al disminuir la anchura de un objeto en rotación, aumenta su espín. Una gran estrella giratoria que de repente colapsa hasta un pequeño agujero negro lleva esto al extremo; el hoyo negro termina girando a velocidades gigantescas. Así, Kerr no tardó en reconocer que el agujero negro desarrolla dos superficies. El límite interior está en el horizonte de sucesos estándar, cualquier materia o la luz que lo atraviese ya no podrá salir. Pero hay un límite exterior, esférico pero aplanado, de modo que toca los polos del hoyo. Cualquier luz o materia que penetra la zona entre ambos límites es impulsada a girar a gran velocidad, y si queda colocada en el lugar preciso… tiene oportunidad de huir. La vía de escape es a través de las líneas de campo magnético que guían a la materia directamente hacia afuera del agujero negro por los polos norte y sur.
Para los más firmes opositores del colapso gravitacional, la rotación siempre había sido una última esperanza, la potencial salvadora de una estrella ante el olvido total. Pero demostró no ser así. Aunque la rotación añade a un agujero negro nuevas e interesantes propiedades, en absoluto impide su formación. Por otra parte, otros científicos –entre ellos Stephen Hawking, Brandon Carter y David Robinson– probaron posteriormente que la solución de Kerr lleva al único agujero negro posible. Chandrasekhar consideró ese descubrimiento como «la experiencia más conmovedora» de su vida científica, la constatación de que la solución de Kerr «ofrece la totalmente exacta representación de un número incalculable de agujeros negros masivos, pobladores del universo. . . que un descubrimiento motivado por la búsqueda de lo matemáticamente bello debe encontrar su exacta réplica en la naturaleza».
Los pulsares fueron descubiertos en 1967, su existencia fue un secreto bien guardado hasta 1968: el anuncio se dio hasta febrero de este año, cuando el artículo sobre su descubrimiento fue finalmente publicado en la revista Nature. La conferencia en el Instituto Goddard tuvo lugar hasta mayo. Tal vez Wheeler se confundió creyendo que tuvo lugar en 1967. Hubo un encuentro sobre supernovas en el Goddard en noviembre de 1967, pero el nombre de Wheeler no figura en las actas de registro.

La noción del agujero negro como una estrella congelada afectó las creencias astrofísicas durante mucho tiempo. Supusieron que un hoyo negro no influiría en nuestro Universo actual. Desde nuestro marco de referencia en el tiempo, esa estrella era esencialmente un objeto petrificado, así que por qué nos debería afectar. «Mientras este punto de vista prevalecía», señalaron Richard Price y Kip Thorne en un libro sobre los agujeros negros, «los físicos no se dieron cuenta de que los hoyos negros pueden ser objetos dinámicos, cambiantes, contenedores y liberadores de energía».
Los astrónomos comenzaban a asumir y comprender: en primer lugar, los cuásares; después, el descubrimiento de agujeros negros estelares dentro de nuestra propia galaxia.
Es probable que una potencia sumamente notoria se obtenga de la energía de rotación del agujero negro galáctico supermasivo. En tal caso, este funciona como dínamo de proporciones cósmicas. En este escenario, las líneas de fuerza magnética, originadas en el disco de gas, se introducen en la superficie exterior del hoyo negro y se enredan a su alrededor con su rotación. Como consecuencia de lo increíble de este giro, las líneas magnéticas se disparan por los polos norte y sur del agujero, enrolladas como serpentinas alrededor de poste. Se forman entonces dos canales estrechos y potentes. Al igual que una turbina gigantesca en una planta de energía galáctica, estos campos rotativos generan gran cantidad de energía eléctrica, con haces de partículas que salen disparadas a lo largo de cada canal a una velocidad cercana a la luz (modelo que en 1977 crearon el teórico de origen británico, Roger Blandford, ahora en la Universidad de Stanford, y Roman Znajek). De esta manera la energía se extrae de la rápida rotación del agujero. Es el mecanismo más eficiente que hasta ahora se conoce en el Universo para la conversión de materia en energía.
El giro también permite al agujero negro actuar como un giroscopio, instrumento capaz de mantener una orientación fija. Así es como los chorros cósmicos pueden mantenerse apuntando hacia la misma dirección durante largos periodos de tiempo, invariables. Si bien este modelo ha sido modificado y ajustado por décadas por muchos técnicos e investigadores, sus raíces se hallan en la solución de Roy Kerr a las ecuaciones de relatividad general de Einstein: fue el primero en demostrar el comportamiento de un objeto en rotación en el espacio-tiempo.

Hay una razón por la que la gravedad ha sido esa tercera en discordia. Donde todas las demás fuerzas implican partículas que siguen las reglas probabilísticas del mundo cuántico –lo que les permite estar integradas dentro de un gran esquema matemático único–, la relatividad general es geométrica (al menos como Einstein la formuló): curvaturas en el espacio-tiempo. Es como si la naturaleza hubiera establecido dos conjuntos distintos de reglas: uno para la gravedad, y otro para todas las demás fuerzas. Las herramientas que funcionan tan bien en un terreno son difíciles de aplicar en el otro. La gravedad y la mecánica cuántica no comparten fácilmente el mismo vocabulario matemático.
A pesar de estas dificultades, en las décadas de 1950 y 1960 varios investigadores consideraron que la mejor manera de energizar un campo como el de la relatividad general y sacarlo de un letargo que duró décadas, era retomando un esfuerzo, iniciado en la década de 1930, por atraer los efectos cuánticos a la relatividad general.
Pero hay un gran problema al reformular la gravedad de esta manera. Las teorías que tratan a las fuerzas como partículas asumen que todos los eventos del mundo subatómico tienen lugar sobre un fondo fijo, inmutable, de espacio y tiempo. El espacio-tiempo es el escenario en el que los actores, las partículas (como los fotones) se desplazan de un lado para otro. El espacio-tiempo no participa. Pero en la relatividad general la distinción entre escenario y actor no existe. Según Einstein, la gravedad es la propia geometría del espacio-tiempo. Así, el gravitón es a la vez actor y escenario. Un gravitón entra en el escenario del espacio-tiempo, pero al hacerlo lo dobla y deforma como si fuera una gelatina. Los teóricos que buscan la solución a este enigma, lejos están de alcanzarla de forma completa y unificada.
Pero el agujero negro ofreció los medios para obtener una nueva perspectiva sobre este problema. Sucedió cuando dos prometedores jóvenes físicos extendieron su análisis sobre las características de un agujero negro. Stephen Hawking fue uno de ellos. Diagnosticado a los 21 años con esclerosis lateral amiotrófica, o enfermedad de Lou Gehrig.
En primer lugar, demostró que el Big Bang no solo parecía haber surgido de un punto infinitamente denso de masa-energía, sino que esa era la única vía. Y entonces, descubrió un vínculo fundamental entre gravedad y mecánica cuántica, dos campos completamente incompatibles hasta entonces. Como relató en su exitoso libro Breve historia del tiempo, esta visión particular se le ocurrió cuando iba a acostarse. «Una tarde en noviembre [1970]… empecé a pensar en los agujeros negros mientras me metía en la cama. Mi discapacidad hace que este proceso sea muy lento, así que tuve bastante tiempo».
Pensando en estos asuntos, con el tiempo demostró que el horizonte de sucesos de un agujero negro debe siempre ir en aumento, jamás decrecer, cuando la materia se precipita en él. Esto puede parecer obvio, pues por definición, un agujero negro al parecer nunca devuelve nada, pero hasta entonces no era muy claro en términos matemáticos.
Como Hawking señaló: «No existía una definición precisa sobre qué parte del espacio-tiempo yacía dentro de un agujero negro, y cuál, afuera». Él lo definió. Anunció su descubrimiento el mes siguiente, en el V Simposio de Astrofísica Relativista de Texas, celebrado ese año en Austin. La sesión sobre la investigación del agujero negro fue inesperadamente popular, y atrajo a tanta gente que los organizadores tuvieron que moverla a un auditorio más grande.
El hecho de que la superficie de un agujero negro siempre debe aumentar se parecía mucho a la ley de la entropía de la física clásica. La entropía es la medición del desorden de un sistema, lo revuelto que está. Cuanto mayor es la entropía, mayor es el desorden. Si las cosas se dejan por sí solas, la entropía siempre se incrementa. Un sólido cubo de hielo se derretirá hasta formar un charco impreciso, pero sin un refrigerador a mano para proporcionar energía, el agua no puede volver a ser hielo por sí sola. Queda como un charco de forma irregular. Del mismo modo, un agujero negro solo puede aumentar el tamaño de su horizonte de eventos cuando traga más materia. Nunca puede disminuir su contorno.
La actitud de Hawking cambió cuando empezó a mirar al agujero negro desde una perspectiva diferente: desde el punto de vista de un átomo. Sus reflexiones se dispararon durante una visita a Moscú en el otoño de 1973, donde habló con Yakov Zel’dovich y su estudiante Alexander Starobinsky. Sugirieron que en circunstancias especiales –o sea, cuando un agujero negro gira– esa energía rotatoria debe transformarse en radiación, y por lo tanto, generar partículas. Esta emisión continuaría hasta que el agujero negro decayera y dejara de girar.
Diseñando su propia estrategia matemática para abordar el problema, Hawking se sorprendió al descubrir que todo agujero negro –gire o no– irradiarían. Como lo expresó posteriormente en el título de uno de los capítulos de su popular libro: «Los agujeros negros no son tan negros».
Hawking anunció su descubrimiento en febrero de 1974, en un simposio sobre la gravedad cuántica en el Laboratorio Rutherford, cerca de Oxford. Su reporte se publicó poco después, el 1 de marzo, en la revista Nature. Tanto su charla como el artículo tuvieron como título la intrigante pregunta: «¿Explosiones de agujeros negros?». Tenía su razón para mencionar las explosiones.
Si el Big Bang forjó algunos miniagujeros negros, el más pequeño se habría desvanecido antes de que su última luz pudiera captar nuestra atención; y los objetos con masa como una montaña, pero comprimidos al tamaño de un protón, estarían emitiendo justo ahora su última, espectacular y breve ráfaga de rayos gamma. Aún no ha sido detectada con absoluta certeza alguna señal de este tipo, pero los astrónomos siguen buscando ese característico estallido.
Hay más en esta historia. La revelación de Hawking provocó que secomenzara a realizar un examen completamente nuevo del agujero negro, y generó preguntas sobre las leyes de la física conocidas hasta entonces.

En cuanto a los agujeros negros, ya no se elevan las cejas al escuchar su nombre. De hecho, en el simposio de 2013 de Texas se sirvió un suculento banquete de conversaciones sobre el tema. Los investigadores informaron sobre el origen de los agujeros negros supermasivos, los estallidos de rayos gamma procedentes de hoyos de nueva formación, fusiones de agujeros negros, hoyos negros magnetizados, chorros que disparan contra agujeros negros, y nuevas investigaciones acerca de estos objetos colapsados. Son un tema tan discutido en las conferencias actuales de astronomía actual como antes lo era el de una galaxia, una nebulosa o una estrella. Los agujeros negros estelares son otro posible punto final (aunque más raro) a la vida de una estrella. Se calcula que cerca de una de mil estrellas, termina su vida oculta detrás de un horizonte de sucesos, entre cien millones residentes en la Vía Láctea. A cada tic del reloj, una de ellas está naciendo en algún lugar del cosmos. Y las supermasivas y grandilocuentes moradoras del centro de la mayoría de las galaxias son ahora el modelo estándar dentro de la estructura misma de una galaxia.
John Wheeler señaló que nunca leía ciencia ficción. «Toda la ciencia ficción que necesito está ahí, frente a nosotros», dijo. Tenía toda la razón. Los agujeros negros, tanto tiempo considerados fantasías, se han transformado en algunos de los habitantes más maravillosos y necesarios del cosmos. Una vez despreciado, pero ahora aceptado, el agujero negro comienza un nuevo capítulo de su vida.

La onda gravitatoria capturada esa noche de septiembre de 2015 fue un grito directo y compartido de los propios agujeros negros. «Aquí estamos», decían, «aquí estamos».

It is exciting to look up into the sky and remember that so many of those points of light are actually stars as big as our Sun and that many of them also have planetary systems. They are so far away and yet through the science of astronomy we can learn so much about them. Observation is one of the primary tools of science but it isn’t its only tool. Extrapolation based upon what is already known can lead to some pretty crazy ideas. One those crazy ideas is the title of Marcia Bartusiak’s latest book – BLACK HOLE
It was the natural philosopher John Mitchell who first theorized the existence of what became known in the twentieth century as black holes. Building upon the insights on gravity that made Isaac Newton famous, Mitchell asked how light would behave in more and more massive stars. In observing stars in a binary system, Mitchell posited that not only could you detect the obvious tug of the stars on one another but you could also figure out if that tug affects the light being emanated from those stars. “Measure the velocity of a beam of starlight entering a telescope, and voila, you acquire a means of weighing the star.”
Then Mitchell went extreme. What is the size a star would need to be to not emit any light? How big would such an object need to be for any light rays it radiates to return to its surface? Bartusiak notes that “this is where the ‘black hole’ possibility arises.” And Mitchell’s insight marks the first steps ever taken into the bizarre world of the black hole.
Black holes may be terrible places to go near but I can assure you that BLACK HOLE by Bartusiak is nothing like those light-sucking collapsed stars. But it is a difficult book to put down and you may find yourself reading chapter after chapter after chapter. And since the main text of the book only comprises around one hundred and ninety pages, you may complete the book before you know it! If it weren’t for the fact that I outlined every chapter after I read them I would have completed BLACK HOLE in about two days.
BLACK HOLE reads like a narrative, essentially beginning with Mitchell and his scientific predecessors and progressing to the present day with the work of men like Kip Thorne and Stephen Hawking. Perhaps the most interesting sections can be found in chapter four that is titled, “There Should Be a Law of Nature to Prevent a Star from Behaving in This Absurd Way.” In it Bartusiak explains the resistance to black holes from famous scientists like Arthur Eddington. The British scientist had taken to “bullying [Subrahmanyan Chandrasekhar] to protect a fanciful mathematical scheme he had been working on for eighty years” the scheme of which was essentially to keep quantum mechanics and relativity away from one another. This was typical of Eddington, an unfortunate black mark on his illustrious career. You might recall it was Eddington who went on that expedition to demonstrate Einstein’s theory of general relativity correct by photographing the sun during an eclipse. It is unfortunate that such a brilliant man would be so resistant to the scientific progress men like Chandra were making.
If you are looking for a technical work on black holes, this book is not it. Nor should we expect it to be. Instead, this book gives us history and in so doing it reveals how science works – warts and all. Bartusiak has given us a glimpse into the scientific method and its users. Along the way we learn that brilliant men can be petty, hunches turn into fairly accurate models, and that we are all better off because of the hard and deliberate work of thoughtful scientists seeking to understand the world.

Bartusiak traces the conception of the idea of black holes to a Cambridge don named Joh Mitchell who asked whether an object could be so dense that even light would not escape its gravitational pull. This idea lay buried in the scientific literature until the early 20th century when astronomers began asking questions about the constitution of stars. It was a young Indian astrophysicist Subrahmanyan Chandrasekhar who first thought about gravitational collapse on his way to graduate school in England. Bartusiak describes well Chandrasekhar’s battles with the old English establishment of astronomers in getting his ideas accepted. He was so frustrated in his endeavors that he switched to studying other topics before he finally got the Nobel Prize for his work decades later.
The next actors on the stage were the volatile Fritz Zwicky and the brilliant Lev Landau and Robert Oppenheimer. Landaa and Zwicky laid out the first contours of what’s called a neutron star while Oppenheimer was really the first scientist who asked what happens when a star completely collapses to a point, what was later called a singularity. Interestingly both Oppenheimer and Einstein – whose general theory relativity shines in all its glory in black holes – either refused to accept their reality or showed a complete lack of interest in them in their later years. After his pioneering work Oppenheimer never even entertained the subject. The story of black holes is a good instance of scientific revolutionaries turning conservative.
As Bartusiak narrates, it fell to a young breed of brilliant scientists led by John Wheeler in the US, Dennis Sciama in the UK and Yakov Zeldovich in the USSR to work out the details of black hole astrophysics. They in turn inspired a whole generation of students like Kip Thorne, Roger Penrose and Stephen Hawking who contributed to the discipline. Bartusiak’s book also has a readable account of the experimental discoveries in x-ray and radio astronomy which turned black holes from speculation to reality. As the book makes it clear, the importance of observational astronomy and developments in electronics in the discovery of these wondrous objects cannot be underestimated.
The book ends with a brief description of Hawking’s work on black holes that led to the proposal of so-called Hawking radiation, energetic radiation engendered by the principles of quantum mechanics that can allow particles to escape from a black hole’s surface. I was disappointed that Bartusiak does not pay more attention to this exciting frontier, especially regarding the meld of ideas from information theory and computer science with thermodynamics and quantum mechanics that has been published in the last few years. Overall Bartusiak’s volume is a good introduction to the history and physics of black holes. My only concern is that it covers very little information that has not been already documented by other books. Kip Thorne’s “Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy” remains the standard reference in the field and covers all these discoveries and more much more comprehensively and engagingly, while Pedro Ferreira’s “The Perfect Theory” which came out this year treads the same ground of experimental discoveries. This is not a bad book at all but it came out slightly late: if you really want to read one book on black holes I think it should be Thorne’s.

As the renowned Kip Thorne, black hole expert and Caltech theorist, has written: “Like unicorns and gargoyles, black holes seem to be more in the territories of science fiction and ancient mythology than in the real Universe.”
The idea of ​​a black hole is, in fact, quite simple. It has a mass and has a turn. In a certain sense it is an entity as elementary as an electron or a quark. But what confused physicists for so long was its basic nature: it’s matter squeezed to a point. Their battle against such a result was more philosophical than scientific, they deeply believed that nature could not (should not!) Act so madly. For a handful of physicists it meant swimming against the current during that last half century and pushing the idea, crazy or not.

The planets circulate around the Sun not because they are held by invisible chains, as Newton supposed, but because they are simply trapped in the natural hollow deepened by the star.
This is true also for smaller celestial bodies. Earth, for example, is not subject to a satellite in orbit through a ghostly tow cable. Rather, the satellite is traveling on the “straight line” – right within its own referential frame – the four dimensions of space-time, impossible to visualize completely with our three-dimensional mind. But we can try it with two dimensions.
For the twentieth century, a new astronomy emerged in a very unusual place: among the potato plantations of the central region of New Jersey. In the 1930s, Karl Jansky installed a unique radio receiver near the rural town of Holmdel and, in doing so, became the first person to wrest astronomy from its dependence on the optical spectrum, beyond the narrow zone. of electromagnetic radiation visible to the human eye. His first step, provisional, ultimately led to a new and bright era of astronomy, which is developing today. But as often happens in the history of astronomy, Jansky began his research for a totally different reason.

The spin of a black hole is one of the keys to its strength. Think of an ice skater with arms outstretched, who then pulls them towards his trunk to spin faster and faster. It is simply the result of preserving angular momentum: by decreasing the width of an object in rotation, its spin increases. A large rotating star that suddenly collapses to a small black hole takes this to the extreme; the black hole ends spinning at giant speeds. Thus, Kerr soon recognized that the black hole develops two surfaces. The inner limit is in the horizon of standard events, any matter or the light that crosses it will not be able to leave. But there is an outer limit, spherical but flattened, so that it touches the poles of the hole. Any light or matter that penetrates the area between both limits is driven to turn at high speed, and if it is placed in the right place … it has the opportunity to flee. The escape route is through the magnetic field lines that guide matter directly out of the black hole through the north and south poles.
For the strongest opponents of gravitational collapse, rotation had always been a last hope, the saving potential of a star before total oblivion. But he proved not to be like that. Although the rotation adds new interesting properties to a black hole, it does not impede its formation. On the other hand, other scientists – including Stephen Hawking, Brandon Carter and David Robinson – later proved that Kerr’s solution leads to the only possible black hole. Chandrasekhar considered that discovery as “the most moving experience” of his scientific life, the realization that Kerr’s solution “offers the totally accurate representation of an incalculable number of massive black holes, inhabitants of the universe. . . that a discovery motivated by the search for the mathematically beautiful must find its exact replica in nature ».
The pulsars were discovered in 1967, its existence was a well-kept secret until 1968: the announcement was made until February of this year, when the article about its discovery was finally published in the journal Nature. The conference at the Goddard Institute took place until May. Perhaps Wheeler was confused believing that it took place in 1967. There was a supernova meeting at the Goddard in November 1967, but Wheeler’s name does not appear on the record.

The notion of the black hole as a frozen star affected astrophysical beliefs for a long time. They assumed that a black hole would not influence our current Universe. From our frame of reference in time, that star was essentially a petrified object, so why should it affect us. “While this view prevailed,” Richard Price and Kip Thorne wrote in a book about black holes, “physicists did not realize that black holes can be dynamic, changing, container and energy-releasing objects.”
Astronomers began to assume and understand: first, quasars; then, the discovery of stellar black holes within our own galaxy.
It is likely that an extremely notorious power is obtained from the rotation energy of the supermassive galactic black hole. In this case, it functions as a dynamo of cosmic proportions. In this scenario, magnetic force lines, originating in the gas disk, enter the outer surface of the black hole and become entangled around it with its rotation. As a consequence of the incredible of this turn, the magnetic lines are fired by the north and south poles of the hole, wound like serpentines around the pole. Two narrow and powerful channels are then formed. Like a gigantic turbine in a galactic energy plant, these rotating fields generate large amounts of electrical energy, with beams of particles that shoot out along each channel at a speed close to light (a model that in 1977 created the theorist of British origin, Roger Blandford, now at Stanford University, and Roman Znajek). In this way the energy is extracted from the rapid rotation of the hole. It is the most efficient mechanism that until now is known in the Universe for the conversion of matter into energy.
The spin also allows the black hole to act as a gyroscope, an instrument capable of maintaining a fixed orientation. This is how the cosmic jets can keep pointing in the same direction for long periods of time, invariable. Although this model has been modified and adjusted by decades by many technicians and researchers, its roots lie in Roy Kerr’s solution to Einstein’s general relativity equations: he was the first to demonstrate the behavior of an object in rotation in the space time.

There is a reason why gravity has been that third in discord. Where all other forces involve particles that follow the probabilistic rules of the quantum world-which allows them to be integrated into a single grand mathematical scheme-general relativity is geometric (at least as Einstein formulated it): curvatures in space- weather. It is as if nature had established two different sets of rules: one for gravity, and one for all other forces. The tools that work so well in one field are difficult to apply in the other. Gravity and quantum mechanics do not easily share the same mathematical vocabulary.
Despite these difficulties, in the 1950s and 1960s, several researchers considered that the best way to energize a field such as general relativity and take it out of a lethargy that lasted for decades was to return to an effort begun in the 1930s. , for attracting quantum effects to general relativity.
But there is a big problem in rephrasing gravity this way. Theories that treat forces as particles assume that all events of the subatomic world take place on a fixed, immutable background of space and time. Space-time is the scenario in which actors, particles (like photons) move from one place to another. Spacetime does not participate. But in general relativity the distinction between stage and actor does not exist. According to Einstein, gravity is the geometry of spacetime itself. Thus, the graviton is both actor and stage. A graviton enters the space-time scenario, but in doing so it bends and deforms as if it were a jelly. The theorists who seek the solution to this enigma, far from reaching it in a complete and unified way.
But the black hole offered the means to obtain a new perspective on this problem. It happened when two promising young physicists extended their analysis on the characteristics of a black hole. Stephen Hawking was one of them. Diagnosed at 21 years of age with amyotrophic lateral sclerosis, or Lou Gehrig’s disease.
First, it showed that the Big Bang not only seemed to have arisen from an infinitely dense point of mass-energy, but that it was the only way. And then, he discovered a fundamental link between gravity and quantum mechanics, two completely incompatible fields until then. As recounted in his successful book Brief History of Time, this particular vision occurred to him when he went to bed. «One afternoon in November [1970] … I started to think about black holes while I went to bed. My disability makes this process very slow, so I had plenty of time. ”
Thinking about these issues, he eventually showed that the event horizon of a black hole must always increase, never decrease, when matter falls into it. This may seem obvious, because by definition, a black hole apparently never returns anything, but until then it was not very clear in mathematical terms.
As Hawking noted: “There was no precise definition of what part of space-time lay within a black hole, and what outside.” He defined it. He announced his discovery the following month, at the V Relativist Astrophysics Symposium of Texas, held that year in Austin. The session on black hole research was unexpectedly popular, and attracted so many people that the organizers had to move it to a larger audience.
The fact that the surface of a black hole must always increase was much like the entropy law of classical physics. Entropy is the measurement of the disorder of a system, how unsettled it is. The greater the entropy, the greater the disorder. If things are left alone, entropy always increases. A solid ice cube will melt into an inaccurate puddle, but without a refrigerator on hand to provide energy, the water can not return to ice on its own. It looks like a puddle of irregular shape. Likewise, a black hole can only increase the size of its event horizon when it swallows more matter. You can never decrease your contour.
Hawking’s attitude changed when he began to look at the black hole from a different perspective: from the point of view of an atom. His reflections shot up during a visit to Moscow in the fall of 1973, where he spoke with Yakov Zel’dovich and his student Alexander Starobinsky. They suggested that in special circumstances – that is, when a black hole rotates – that rotary energy must be transformed into radiation, and therefore generate particles. This emission would continue until the black hole decayed and stopped spinning.
Designing his own mathematical strategy to address the problem, Hawking was surprised to discover that every black hole-turn or not-would radiate. As he later expressed in the title of one of the chapters of his popular book: “Black holes are not so black.”
Hawking announced his discovery in February 1974, at a symposium on quantum gravity at the Rutherford Laboratory, near Oxford. His report was published shortly after, on March 1, in the journal Nature. Both his talk and the article had the intriguing question: “Explosions of black holes?” He had his reason for mentioning the explosions.
If the Big Bang forged some black mini-holes, the smaller one would have vanished before its last light could catch our attention; and the objects with mass like a mountain, but compressed to the size of a proton, would be emitting right now his last, spectacular and short burst of gamma rays. No sign of this type has yet been detected with absolute certainty, but astronomers are still looking for that characteristic burst.
There is more to this story. Hawking’s revelation caused him to undertake a completely new examination of the black hole, and raised questions about the laws of physics known until then.

As for the black holes, the eyebrows do not raise when they hear his name. In fact, a succulent banquet of conversations on the subject was served at the 2013 Texas symposium. The researchers reported on the origin of supermassive black holes, gamma-ray bursts from newly formed pits, fusions of black holes, magnetized black holes, jets that shoot at black holes, and new investigations into these collapsed objects. They are a subject so discussed in current conferences of astronomy today as it was a galaxy, a nebula or a star. Stellar black holes are another possible endpoint (although more rare) to the life of a star. It is estimated that close to one of a thousand stars, his life ends hidden behind a horizon of events, among one hundred million residents in the Milky Way. At each tick of the clock, one of them is being born somewhere in the cosmos. And the supermassive and grandiloquent moradores at the center of most galaxies are now the standard model within the very structure of a galaxy.
John Wheeler pointed out that he never read science fiction. “All the science fiction that I need is there, in front of us,” he said. He was absolutely right. Black holes, long considered fantasies, have been transformed into some of the most wonderful and necessary inhabitants of the cosmos. Once despised, but now accepted, the black hole begins a new chapter of his life.

The gravitational wave captured that night of September 2015 was a direct and shared cry of the black holes themselves. «Here we are», they said, «here we are».

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