miércoles, 20 de agosto de 2014

Verificación cuántica del experimento de Galileo de la caída de los cuerpos

Dibujo20140522 Quantum Test of the Universality of Free Fall - PRL
En 1971, David Scott, astronauta del Apollo 15, dejó caer un martillo y una pluma sobre la superficie de la Luna. Ambos llegaron a la superficie lunar al mismo tiempo. Se publica en Physical Review Letters el mismo experimento realizado con átomos de rubidio (87Rb) y de potasio (39K) ultrafríos. Ambos caen al mismo tiempo con un error de una parte en diez millones (cociente de Eötvös de (0,3 ± 5,4) × 10−7tras un tiempo de integración de 4096 segundos). Ernst Rasel (Univ. Leibniz de Hannover, Alemania) y sus colegas han enfriado estos átomos a pocos microkelvin y han usado una trampa magneto-óptica.
Nos lo cuenta Michael Schirber, “Free Falling Matter Waves,” Synopsis, Physics, 22 May 2014, que se hace eco del artículo técnico de D. Schlippert et al., “Quantum Test of the Universality of Free Fall,” Phys. Rev. Lett. 112: 203002, 22 May 2014.
Dibujo20140522 space-time evolution rubidium and potassium atoms in mach-zehnder-type interferometer - PRL
La medida ha usado un interferómetro de tipo Mach-Zehnder basado en espectroscopia tipo Raman. Al incidir luz láser (monocromática) sobre los átomos, se excitan sus electrones y cambia la energía de los fotones del láser (dispersión inelástica tipo Raman de los fotones con los átomos). Este cambio se mide con gran precisión utilizando un interferómetro de Mach-Zehnder. El error obtenido está limitado por la estabilidad de los átomos de potasio.
Dibujo20140522 Determination of the gravitational accelerations gRb and gK of rubidium and potassium from two orientations of the interferometer determined by the upward and downward directions - PRL
La diferencia de aceleración entre los átomos de rubidio y potasio se ha medido de dos maneras diferentes, con el interferómetro colocado en dirección hacia arriba (+) y hacia abajo (-). Los resultados se han combinado para obtener una medida más precisa. En los próximos años se pretende mejorar la precisión de experimento al menos en un orden de magnitud.
¿Qué interés tiene estudiar una versión cuántica del experimento de caída de los cuerpos? Permite comprobar cómo se incorpora la gravedad (de Newton) en la ecuación cuántica de Schrödinger. La gravedad cuántica es la teoría más buscada de la física en el siglo XXI. Verificar que la física cuántica y la gravedad de Newton son compatibles (al menos al nivel de la ecuación de Schrödinger) es un primer paso imprescindible para sesgar las posibles propuestas teóricas para la gravedad cuántica. De ahí la gran importancia de este tipo de experimentos que comprueban lo que todo el mundo sabe, o debería saber, que es verdad, pero que podría no serlo

El físico y eurodiputado Pablo Echenique-Robba no es un negacionista de la cuántica

Dibujo20140531 Pablo Echenique-Robba - fotografia para Materia es
Me lo han preguntado varias veces esta semana, tanto en persona como por Twitter. ¿El físico argentino-español Pablo Echenique-Robba es un negacionista de la cuántica? Quien me pregunta siempre alude a que el físico checo Luboš Motl, famoso bloguero, le llama “Spanish crank” y arremete contra uno de sus artículos de agosto de 2013 en arXiv.
Mi respuesta siempre es la misma. Las críticas de Motl son exageradas y están dirigidas a un artículo de opinión. Echenique-Robba es un experto en física cuántica, química computacional y plegamiento de proteínas, con un buen curriculum vitae. Por tanto, rotundamente, no es un negacionista de la cuántica. Permíteme que aclare estos términos en más detalle.
Lo primero, quizás los lectores que no sean españoles estén perdidos. El partido político “Podemos” (nombre quizás inspirado en el “Yes, we can” de Barack Obama) ha sido la gran sorpresa española en las elecciones al Parlamento Europeo del 25 de mayo de 2014. Este partido político creado oficialmente el 11 de marzo de 2014 ha logrado cinco eurodiputados, siendo el quinto el físico Pablo Echenique-Robba. El partido ha sido muy criticado por las declaraciones de su líder, Pablo Iglesias Turrión, profesor de Ciencias Políticas en la Universidad Complutense de Madrid y presentador de programas de debate político en la televisión.
Lo segundo, Echenique-Robba nació en Rosario, Argentina, el 28 de agosto de 1978, pero lleva más de veinte años viviendo en Zaragoza, España, donde obtuvo el título de licenciado en Física (2002), de doctor en Física (2006) y ostenta una plaza de científico titular en el Instituto de Química Física Rocasolano del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Trabajaba (pues ahora trabajará como eurodiputado) en el Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI) del CSIC en Zaragoza (España), siendo el coordinador del grupo de dinámica molecular y estructura electrónica. Además, colaboraba con el Departamento de Física Teórica de la Universidad de Zaragoza.
Dibujo20140531 echenique-robba - web of science - citation report
Según el ISI Web of Science de Thomson Reuters tiene 29 artículos en revistas impactadas, con 516 citas y un índice h de 11 (que no está mal en su campo para alguien tan joven formado y en activo en España). Según Google Scholar tiene 40 publicaciones, con 757 citas y un índice h de 14. Sus tres artículos más citados son predoctorales y están relacionados con aplicaciones de la teoría de redes a la internet (Ref1Ref2Ref3). Sus tres siguientes artículos, por número de citas, son postdoctorales y tratan de física cuántica aplicada a la química, en concreto sobre dinámica molecular y teoría del funcional densidad (Ref4Ref5Ref6). El resto lopuedes consultar aquí.
No creo que merezca profundizar más en el buen curriculum investigador de Echenique-Robba. La carga negativa que tiene el término “Spanish crank” no le hace justicia. Fuera de toda duda es un experto en física cuántica que usa la teoría cuántica como parte de su trabajo científico (trabajar en química computacional sin usar la física cuántica es casi imposible). Cualquiera que tenga dudas al respecto se equivoca flagrantemente.
Dibujo20140531 lubos motl - interview for tv
Lo tercero, ¿quién es el bloguero Luboš Motl? Un físico checo especialista en teoría de cuerdas que ha sido coautor de físicos tan famosos como Nima Arkani-Hamed, Andrew Strominger, Robbert Dijkgraaf y Tom Banks. Entre 2004 y 2007 estuvo afiliado a la Universidad de Harvard, pero su actitud de “chico malo” le impidió continuar una carrera académica convencional. Desde entonces, que yo sepa, se dedica sólo a escribir en su blog y ha abandonado la investigación en activo (al menos no me consta que haya publicado nada).
“Al checo hay que saber leerlo” dice en Twitter mi amigo el físico teórico y naukas Mario Herrero-Valea, aka @Fooly_Cooly. Motl también va de “chico malo” en la blogosfera con un estilo ácido, sarcástico, soez, decorado con insultos y sin pelos en la lengua. Acusa a los físicos que han escrito libros de divulgación en contra de la teoría de cuerdas, como Lee Smolin y Peter Woit, de escribir “basura activista, infrahumana, anticientífica, de extrema izquierda e increíblemente deshonesta.”
Obviamente, Motl se ha granjeado muchos enemigos en la blogosfera. La físico Sabine Hossenfelder, aka Bee, coautora de Lee Smolin, nos lo cuenta con duras palabras que no me atrevo a traducir para no desvirtuarlas, pero que son típicas del modo en que Motl trata a quienes no comparten sus opiniones (sobre la teoría de cuerdas y otros tópicos):
Luboš has repeatedly insulted me, my husband and my friends. He has misquoted me, and used alleged quotations of mine to insult others. He has an incredible amount of times accused me of having said things I never said, only to then explain, based on this, that I am ‘stupid’, ‘silly’, and ‘a crackpot’ with ‘crackpot friends’. He is in no way interested in understanding my opinion, or my point of view. He has proclaimed I should not have a Ph.D., that my ‘female brain’ only ‘parrots nonsense’ and all my papers are ‘bullshit’ – the latter evidently without having read them. He has treated others the same way previously, and will probably proceed doing so.
Dibujo20140531 david mermin - shut up and calculate
Lo cuarto, ¿por qué Motl le llama “Spanish crank” a Echenique-Robba en su blog? Como puedes leer en “Shut up and calculate, especially if you’re a lousy thinker,”The Reference Frame, 18 Oct 2013, Motl arremete contra el artículo “Shut up and let me think. Or why you should work on the foundations of quantum mechanics as much as you please,” arXiv:1308.5619 [quant-ph], 26 Aug 2013, un artículo clasificado en la sección “History and Philosophy of Physics (physics.hist-ph).”
El artículo de Echenique-Robba es un artículo de opinión, no es un artículo científico. De hecho, no creo que lo haya enviado para publicación a ninguna revista científica. En el artículo nos cuenta que ha decidido dedicar parte de su tiempo a estudiar el problema filosófico (o metafísico) de las interpretaciones de la mecánica cuántica no relativista y que recomienda a los físicos jóvenes que dediquen parte de su tiempo a hacer lo mismo. Para los que somos aficionados a leer artículos y libros sobre estas cuestiones, el artículo de Echenique-Robba no aporta nada nuevo. Más aún, queda claro que desconoce cuáles son los problemas relevantes en este campo y que tendrá que estudiar mucho para ponerse al día.
Como a muchos físicos, a Motl le molesta que el título “Shut up and let me think” sea una paráfrasis pedante del “Shut up and calculate!” de David Mermin (que algunos asocian por error con Richard Feynman, porque refleja su espíritu). Por este motivo califica al físico argentino-español de “Spanish crank” en una entrada en su blog que muestra que no se ha leído su artículo (más allá del resumen y de las primeras páginas). Todo lo que comenta Motl podría comentarlo cualquier físico tras leer el resumen del artículo de Echenique-Robba sin haber leído absolutamente nada más de su artículo de opinión.
Supongo que Motl nunca imaginó que en mayo de 2014 muchos españoles visitarían su blog para leer una entrada de octubre de 2013 porque califica de “crank” a un nuevo eurodiputado. Los rumores en la blogosfera de que es un “negacionista de la cuántica” basados en la entrada de Motl no están fundados, en ningún caso. Sinceramente, puedo asegurar que Echenique-Robba no es un “crank” ni niega la física cuántica ni sus fundamentos.
Dibujo20140531 quote nobody understands quantum mechanics - richard feynman
Y lo último, ¿realmente nadie entiende la mecánica cuántica? No, todo lo contrario, todo licenciado en Ciencias Fïsicas la entiende perfectamente (si no, no debería haber recibido su título). Quizás la primera generación de físicos cuánticos no la entendía, pero Feynman pertenece a la segunda generación (hoy estamos en la quinta) y la entendía perfectamente.
Por cierto, la cita de la imagen está sacada de contexto y en su contexto original significa todo lo contrario, como pasa con muchas citas, como el famoso “¡qué inventen ellos!” de Miguel de Unamuno. Desde el punto de vista de la física no hay ningún problema que no se pueda entender con el formalismo físico-matemático de la mecánica cuántica. Basta dominar la materia, que por cierto es bastante más sencilla de lo que parece, para poder realizar predicciones que coinciden perfectamente con los resultados de los experimentos.
El problema de la interpretación de la mecánica cuántica es un problema de carácter filosófico (o metafísico), no es un problema físico (aunque muchos físicos dedican parte de su tiempo a esta cuestión porque pocos filósofos son expertos en física cuántica). ¿Qué es una interpretación de la mecánica cuántica? Una manera de describir las propiedades de los sistemas cuánticos usando un lenguaje basado en la intuición clásica. Todas las interpretaciones se basan en formalismos matemáticos equivalentes entre sí, que conducen exactamente a las mismas predicciones. Por ello es imposible discernir entre las diferentes interpretaciones utilizando experimentos. De hecho, la interpretación no influye en la física que realizan los físicos.
La interpretación de Copenhague, formulada por Niels Bohr, Max Born, Werner Heisenberg y otros pioneros alrededor de 1927, no gusta a muchos filósofos porque elude el problema de la “realidad” subyacente a los sistemas cuánticos y coloca en un lugar destacado al “observador” consciente. Sin embargo, esta interpretación no es mejor que ninguna otra. Su importancia es histórica, pues fue la primera en ser formulada. Para ver lo que opina un físico en activo al respecto, recomiendo leer a Mario Herrero-Valea, “Hay vida después de Bohr,” Cuaderno de Cultura Científica, 30 May 2014.
Al lego le sorprenderá que muchos físicos sigan publicando artículos con nuevas interpretaciones o modificaciones de las ya existentes, incluso que haya revistas de investigación, libros y conferencias científicas dedicadas a la cuestión. Quizás debo aclarar que muchos de estos trabajos no discuten nuevas interpretaciones, sino teorías precuánticas (alternativas a la física cuántica que difieren de ella en ciertos regímenes). Se trata de un campo bastante activo al que se están dedicando muchos físicos que son aficionados a la filosofía (la mayoría con cierta edad y tras haber realizado contribuciones previas en otros campos).
No quiero discutir en detalle otras interpretaciones alternativas. Hay muchas. Echenique-Robba no propone ninguna, ni ha hecho contribuciones reseñables en este campo (su artículo sobre compromisos ontológicos es bastante flojo e indica que ignora gran parte de lo que se ha escrito sobre ontología en física cuántica en los últimos 60 años). La verdad, me gustaría que el nuevo eurodiputado fuera capaz de aportar reflexiones relevantes en este campo, pero supongo que tendremos que esperar a que finalicen sus obligaciones políticas.
En resumen, al grano, Pablo Echenique-Robba no es un negacionista de la cuántica, ni siquiera creo que su visión se aleje mucho de la interpretación de Copenhague. Le queda mucho trabajo que realizar para aportar algo realmente nuevo en este campo tan trabajado en el último siglo.
PS (02 Jun 2014): Daniel Manzano aka @spidermanzano, autor del blog Manzanas Entrelazadas, ha preparado una serie de entradas sobre algunos problemas relevantes en los fundamentos de la física cuántica. Recomiendo su lectura a todos: “Falacias cuánticas,” ME, 1 Jun 2014, “Falacia cuántica I. La naturaleza es probabilística, y el que diga lo contrario es un “acientífico”,” ME, 1 Jun 2014; “Falacia cuántica II. El límite clásico se obtiene haciendo la constante de Planck cero,” ME, 1 Jun 2014; y “Falacia cuántica III. Preguntarse por el colapso de la función de onda es como preguntarse por la existencia de Dios,” ME, 1 Jun 2014.
Permíteme unos comentarios sobre “Falacias cuánticas,” ME, 1 Jun 2014. Daniel nos “habla de su opinión personal sobre el tema” de esta entrada. “No tiene sentido la expresión “negacionista de la cuántica”, la física cuántica es una teoría, no es un hecho.” Estoy de acuerdo (de hecho la primera vez que escuché el término fue la semana pasada.
“El rollo “la física cuántica no hay que tocarla que ya está bien” tampoco tiene mucho sentido.” Me gustaría añadir que hay que tener cuidado con lo que llamamos “física cuántica” pues hay grandes diferencias entre la no relativista y la teoría de campos. Aún no está clara la relación entre ambas, ni tampoco la aplicación de la no relativista a sistemas mesoscópicos (y no digamos ya a los macroscópicos, tanto clásicos como estadísticamente cuánticos). Hay muchas cosas de la física cuántica que no entendemos (porque sus ecuaciones son muy complicadas en muchos sistemas). Esto no significa que la física cuántica no pueda describir estos sistemas y que haya que “tocarla” para lograrlo.
“Los fundamentos de la física cuántica están muy relacionados con la filosofía, pero son ciencia en sí.” No estoy de acuerdo con esta falacia. Quienes ven una relación se equivocan, Daniel. A mí me gusta mucho la filosofía y me gusta ver lo que “filosofan” algunos físicos cuánticos, pero cuidado, hacer física y hacer filosofía son cosas muy diferentes. “Trabajar en modificaciones de la física cuántica es ciencia, diseñar y realizar experimentos para testar esas modificaciones también es ciencia.” No estoy de acuerdo con “que todo eso tenga relación con la filosofía.” En mi opinión no tiene ninguna relación con la filosofía. “La filosofía no es nada malo.” Por supuesto, pero cuidado, si un físico filosofa, no está haciendo física. Igual que un filósofo no hace física cuántica cuando filosofa.
“Hay infinidad de grupos de gran nivel trabajando en lo fundamentos de la física cuántica.” Aquí creo que Daniel se confunde y agrupa muchas cosas en el término “fundamentos de la física cuántica” que yo creo que muchos expertos no agruparían bajo dicho término. En cuanto a “la revista Foundations of Physics (mi revista favorita, para qué lo voy a negar),” debo decir que se publica poca física en esta revista (aunque su editor principal sea un Premio Nobel al que admiro) y hay muchos artículos de filosofía que no son de física; además se les han colado varias veces “magufos” que han escrito artículos que no tienen ni pies ni cabeza. Hoy en día todas las revistas publican basura, pero en FoP (que por cierto es una revista Q3 en JCR 2012) hay bastante más basura de lo habitual. Por supuesto es mi opinión al respecto.
Permíteme un comentario sobre “Falacia cuántica I. La naturaleza es probabilística, y el que diga lo contrario es un “acientífico”,” ME, 1 Jun 2014. Los famosos “loopholes” en los experimentos sobre inexistencia de variables ocultas están cayendo uno a uno, pero también aparecen nuevos y cada vez son más sutiles. En mi opinión el problema es que no conocemos en detalle la transición entre teoría de campos y física cuántica no relativista. Y en este tema está trabajando poca gente porque la teoría de campos se considera una “teoría efectiva” y muchos esfuerzos en fundamentos de la física cuántica se están dirigiendo a la no relativista como si fuera “más fundamental” (pero es sólo mi opinión).
Permíteme un comentario sobre “Falacia cuántica II. El límite clásico se obtiene haciendo la constante de Planck cero,” ME, 1 Jun 2014. La constante de Planck es una unidad de acción (producto entre cambio en energía e intervalo de tiempo, o entre cambio en velocidad y longitud en espacio). La transición entre lo cuántico y lo clásico no viene determinado por el “tamaño” (en espacio) sino por la cantidad de acción (de ahí que haya sistemas cuánticos macroscópicos a muy baja temperatura).
El límite clásico no está claro porque resolver las ecuaciones cuánticas es muy difícil para sistemas mesoscópicos. Tampoco se entiende en detalle la decoherencia, que para todos los expertos es clave en este fenómeno. Como bien dice Daniel, “El problema de la transición cuántico-clásica ha estado encima de la mesa por un largo tiempo. Hay infinidad de [mucha] gente trabajando en la decoherencia.”
Y un último comentario sobre “Falacia cuántica III. Preguntarse por el colapso de la función de onda es como preguntarse por la existencia de Dios,” ME, 1 Jun 2014. Me ha pasado lo mismo que a Daniel cuando leí esto, “la afirmación anterior es bastante rara,” pero no estoy de acuerdo con que la “filosofía juega un papel muy importante.” Yo creo que está bastante claro para la mayoría de los físicos que la decoherencia es la responsable del mal llamado colapso de la función de onda, que es resultado la interacción entre sistema medido y sistema de medida. Las ideas precuánticas y los experimentos que las testean no tienen nada que ver con la filosofía y con las interpretaciones de la mecánica cuántica.
En resumen, recomiendo la lectura de las entradas de Daniel Manzano en su blog. Seguro que las disfrutaréis.

Se observa en el espectro ultravioleta cercano la materia de una estrella que cae en un agujero negro supermasivo “dormido”

La mayoría de los astrónomos creen que existen agujeros negros supermasivos, con masas entre un millón y mil millones de veces la del Sol, en el centro de la mayoría de las galaxias, pero no en todas. Salvo en la Vía Láctea, las pruebas de su existencia se reducen a observar la radiación que emite la materia que cae hacia el agujero negro; el problema es que en los agujeros negros cuyo entorno es pobre en gas, no se observa esta radiación. La única manera de observar estos agujeros negros “dormidos” es tener un poco de suerte y observar la acreción de materia que las fuerzas de marea del agujero arrancan de una estrella cercana. Este suceso excepcional ha sido observado en el espectro ultravioleta cercano (en ocasiones previas había sido observado en rayos X y en ondas de radio) por Gezari et al. en un galaxia que se encuentra a 2000 millones de años luz de la Tierra (z=0,17) cuyo superagujero negro tiene una masa de unos 3 millones de masas solares. El espectro de la luz observada ha permitido caracterizar la estrella, una gigante roja con un núcleo rico en helio, cuya órbita es muy cercana al agujero negro, llega a aproximarse unas 6 veces su radio de Schwarzschild; en este punto más cercano de su órbita es donde las fuerzas de marea le arrancan materia como muestra la figura que abre esta entrada. Nos lo cuenta Giuseppe Lodato, “Black holes: Star ripped to shreds,” Nature, Published online 02 May 2012, que se hace eco del artículo técnico de S. Gezari et al., “An ultraviolet–optical flare from the tidal disruption of a helium-rich stellar core,” Nature, Published online 02 May 2012.
El espectro observado no muestra líneas de emisión delgadas que indiquen formación estelar o un núcleo galáctico activo (AGN). Además, el observatorio espacial de rayos X Chandra no ha observado ninguna fuente ne la posición del agujero negro. Las curvas de luminosidad en el ultravioleta cercano han sido ajustadas mediante simulaciones numéricas mostrando un buen acuerdo general, aunque aún quedas detalles sin entender en los primeros instantes del suceso (como muestran los puntos más a la izquierda en esta figura). El nuevo artículo tendrá importantes consecuencias teóricas ya que la cercanía de la estrella al horizonte de sucesos durante el evento requiere el uso de la relatividad general para explicar los detalles de la acreción; por ello, para entender los detalles más íntimos del suceso serán necesarios futuros estudios mediante simulaciones por ordenador más detalladas que permitirán verificar que la teoría de Einstein es correcta a la hora de explicar dichos detalles en la radiación observada. La ciencia requiere verificación continua de nuestras teorías y los nuevos datos experimentales de sucesos excepcionales son fundamentales para el futuro de la ciencia.
Por cierto, hablando de agujeros negros recomiendo la lectura de Mario (Fooly Cooly), “6 cosas que quizás nunca se atrevieron a contarte sobre agujeros negros,” Amazings.es, 1 mayo 2012.

EHT, el radiotelescopio que nos permitirá ver Sgr A*, el agujero negro supermasivo de la Vía Láctea

Dibujo20130127 sgrAstar - supermassive black hole - milky way
EHT (Event Horizon Telescope) es un radiotelescopio “virtual” del tamaño de la Tierra gracias a la interferometría de muy larga base (VLBI). Se observa un objeto celeste de forma simultánea con un conjunto de radiotelescopios situados en lugares muy distantes entre sí. La radiación de ese objeto es recibida en instantes diferentes en cada radiotelescopio, según su posición sobre la Tierra, formándose un patrón de franjas de interferencia que permite reconstruir la imagen como si se tratase de un único radiotelescopio. Se espera que EHT “fotografíe” el agujero negro supermasivo central de la Vía Láctea, llamado SgrA*, dentro de unos cinco años. SgrA* fue postulado en 1971 y la primera prueba astrofísica de su existencia se obtuvo en 1974; gracias al movimiento de las estrellas que se encuentran cerca de SgrA* se ha podido determinar su masa, unos cuatro millones de masas solares, que está concentrada en una región con una radio menor de 45 UA (la unidad astronómica es la distancia media entre la Tierra y el Sol); por comparar, el afelio de Plutón está a 49 UA (el punto más alejado del Sol). Esta semana se ha celebrado en el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona una conferencia sobre EHT (18-20 de enero). Las transparencias de las charlas están disponibles en la web. Más información en Evan Ackerman, “Earth-sized radio telescope to take first pic of black hole,” DVice, Jan 24, 2013 (visto gracias a Iván García Cubero@Wis_Alien).
Dibujo20130127 EHT radiotelescopes - event horizon telescope
Las observaciones astronómicas actuales indican que SgrA* tiene un tamaño menor de 4 veces su radio de Schwarzschild, pero no nos permiten llegar más lejos. Se espera que dentro de cinco años, gracias a EHT, se logre observar una región con un radio similar al radio de Schwarzschild alrededor de SgrA*. Hasta entonces, la información más jugosa sobre los discos de acreción en agujeros negros supermasivos se está obteniendo gracias al chorro de M87 (para algunos la “Piedra Rosetta” de la astrofísica de agujeros negros). Gracias a la técnica VLBI con resolución submilimétrica se ha podido observar el chorro a una distancia de solo 3 radios de Schwarzschild en la frecuencia de 345 GHz (nos lo resume Nakamura).
Dibujo20130127 EHT radiotelescopes - theoretical image for sgrAstar
Dibujo20130127 EHT radiotelescopes - theory for hot cold disk
La imagen de SgrA* que observará EHT dependerá mucho de sus propiedades. Los modelos teóricos nos están ofreciendo un gran número de alternativas. Por ejemplo, aún no sabemos si está rotando o no, aunque la hipótesis más razonable es que debe estar en rotación, pero no se sabe a qué velocidad. Estas imégenes obtenidas con simulaciones numéricas (más en la charla de Broderick) muestran algunas de las posibles imágenes de SgrA* (por ejemplo, arriba, la imagen para velocidades de rotación bajas, medias y altas).
Dibujo20130127 images with and without jets from sgrAstar
Las emisiones de radio de SgrA* deben estar dominadas por la existencia de un chorro (parte de la materia en caída hacia el horizonte de sucesos sale eyectada transversalmente antes de atravesar el horizonte). Nuestro agujero negro supermasivo no está activo, pero de vez en cuando cae materia en su interior (como la nube caerá en el verano de 2013, como nos recuerda Gillessen), luego debe tener un chorro, aunque débil y fragmentado. Se espera que EHT pueda observar dicho chorro en el entorno del horizonte de sucesos, aunque no promete ser tarea fácil (nos lo cuentan Falcke y también McKinney).
En resumen, el radiotelescopio más grande que se puede construir en la Tierra, un radiotelescopio del tamaño de la Tierra, nos permitirá observar el entorno del agujero negro supermasivo más cercano. Para interpretar las observaciones se están realizando simulaciones numéricas que muestran todos los resultados posibles. Pero como ocurre muchas veces, quizás haya sorpresas y la Naturaleza sea más sutil de lo predecible.

El 14% de la masa de la galaxia NGC 1277 está en su agujero negro supermasivo

Estimar la masa del agujero negro supermasivo central de una galaxia es muy difícil pues requiere un modelo de la distribución de la materia oscura de su halo y ajustar el movimiento (cinemática) de muchas de sus estrellas utilizando la solución de Schwarzschild. Se publica en Nature que la pequeña galaxia lenticular NGC 1277 tiene el 14% de su masa (ordinaria, no oscura) concentrada en su agujero negro central; se estima gracias al telescopio espacial Hubble que su masa es de 120 ± 40 mil millones de masas solares (M⊙) y que la de su agujero negro supermasivo es de 17 ± 3 mil millones M⊙ (este valor corresponde a un 59% de la masa visible del bulbo galáctico estimada utilizando su luminosidad). ¿Con qué comparar estos valores? Hasta ahora, la galaxia récord, con un porcentaje del 11%, era la pequeña galaxia NGC 4486B. La mayoría de las galaxias tienen porcentajes mucho más pequeños. Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, tiene una masa de unos 4,1-4,3 millones M⊙, enorme, pero ridícula comparada con lo 400-600 mil millones M⊙ de la masa visible de la Vía Láctea (la masa total, incluyendo materia oscura, ronda unos 1,0-1,5 billones de M⊙). ¿Para qué sirve el nuevo descubrimiento? Lo interesante es que este tipo de galaxias pequeñas y compactas, aunque muy raras en la época actual del universo, eran galaxias típicas para corrimientos al rojo de z ≈ 2; se cree que estas galaxias nos ayudarán a entender las galaxias compactas que se observan a altos corrimientos al rojo, para las que no podemos estimar con precisión la masa de su agujero negro supermasivo central. Estos agujeros negros son claves para entender la formación y evolución galáctica en el universo temprano. El artículo técnico es Remco C. E. van den Bosch, Karl Gebhardt, Kayhan Gültekin, Glenn van de Ven, Arjen van der Wel, Jonelle L. Walsh, “An over-massive black hole in the compact lenticular galaxy NGC 1277,” Nature 491: 729–731, 29 November 2012[copia gratis, gracias a César @EDocet].
Esta figura compara la masa estimada del agujero negro supermasivo central y la luminosidad del bulbo galáctico. Se ve claramente que las galaxias NGC 1277 y NGC 4486B son excepcionales. Las estrellas de estas galaxias son viejas ( 8 mil millones de años) y no hay signos de formación estelar reciente. Por tanto, se cree que su agujero negro supermasivo tiene que tener una edad mínima de unos 8 mil millones de años, pues no habría podido crecer tanto si no fuera así (y si hubiera nacido con tanta masa se cree que no habría podido dar lugar a la formación de una galaxia). Aún así, como siempre, hay que ser un poco escéptico en relación a estos objetos excepcionales; hasta que no haya una población respetable no sabremos si se trata de galaxias representativas de una fase de la evolución galáctica o por el contrario solo son excepciones que confirman la regla.

El agujero negro de masa intermedia M82 X-1 tiene 400 masas solares

Dibujo20140818 messier 82 galaxy - composed image - spacetelescope org
La fuente de rayos X más brillante de la galaxia M82, llamada M82 X-1, es un agujero negro de masa intermedia, unas 400 M☉ (masas solares). Había modelos teóricos que afirmaban que su masa era de unas 20 M☉ y otros que estaba entre 100 y 10.000 M☉. Se publican en Nature las estimaciones más fiables de su masa, por un lado 428 ± 105 M☉, y por otro 415 ± 63 M☉ (la diferencia depende del método usado para determinar su masa).
El artículo técnico es Dheeraj R. Pasham et al., “A 400-solar-mass black hole in the galaxy M82,” Nature, AOP 17 Aug 2014.
La masa de un agujero negro se puede estimar a partir de las oscilaciones de la emisión de rayos X de su disco de acreción de materia. Para interpretar estas oscilaciones hay que usar la teoría general de la relatividad (porque proviene de objetos muy próximos a su horizonte de sucesos). Según esta teoría se espera observar en el espectro de Fourier de las oscilaciones de la señal de rayos X dos picos con una frecuencia entre 1 y 16 Hz que tengan una relación 3:2.
Dibujo20140818 Power density spectra of M82 X-1 - nature com
Gracias al observatorio espacial de rayos X Rossi de la NASA (RXTE por Rossi X-ray Timing Explorer) se han observado dos picos centrados en 3,32 ± 0,06 Hz (con valor Q > 27) y en 5,07 ± 0,06 Hz (con Q > 40), consistente con la relación 3: 2. La significación estadística de esta observación es mayor que 4,7 σ (desviaciones típicas). Recuerdo que el factor de calidad (valor Q) del pico de una resonancia es el cociente entre la frecuencia de un pico y su anchura.
Por supuesto, aunque es muy poco probable porque el campo de visión estudiado es pequeño (1° × 1°) la señal podría provenir de dos púlsares perfectamente alineados en dirección hacia la Tierra. Según los autores este hecho es muy improbable por varias razones (no entraré en detalles). Por ello consideran que la señal observada corresponde a un único agujero negro (M82 X-1) lo que permite estimar su masa y su espín.
Dibujo20140818 Mass - spin - radius measurements - m82 x-1 - nature com
Esta figura muestra el resultado calculado para tres valores de la frecuencia de observación (37, 120 y 210 MHz). Las mediciones de la masa de M82 X-1 presentan grandes incertidumbres pero sugieren que su masa es intermedia (alrededor de 400 masas solares) y que está acretando materia cerca del límite de Eddington. Los autores afirman en su artículo que se trata de la medición más precisa hasta hoy de la masa de un agujero negro de masa intermedia.
¿Por qué es importante haber confirmado que M82 X-1 es un agujero negro de masa intermedia? Se cree que los agujeros negros de masa intermedia deben ser claves para entender la formación de los agujeros negros supermasivos que se observan en el centro de la mayoría de las galaxias. Para ello es necesario observar una población de agujeros negros con masas intermedias entre 100 y 100.000 masas solares. En 2012 se observó un agujero negro de masa intermedia con unas 20.000 masas solares en la galaxia ESO 243-49 (a unos 290 millones de años luz de la Tierra). Poco a poco la población de agujeros negros de masa intermedia crecerá hasta que podamos deducir conclusiones claras sobre cómo evolucionaron los monstruos que habitan en el centro de las galaxias.