John F. Hawley: "Un agujero negro se forma cuando un espacio muy pequeño contiene una cierta cantidad de masa"

Transcripción

1 John F. Hawley: "Un agujero negro se forma cuando un espacio muy pequeño contiene una cierta cantidad de masa" En principio no hay ningún límite a cuán grande o pequeño un agujero negro puede ser porque su tamaño es proporcional a su masa. Ésta es una de las cosas que el Catedrático John F. Hawley, un especialista en las simulaciones de agujeros negros, ha compartido con nosotros. Hay muchas más. Él siempre trabaja en simulaciones por ordenador y nunca ha intentado hacer un trabajo observacional Es un teórico puro: No he realizado ninguna observación significativa. Cuándo comenzó a trabajar en los procesos de acreción? He trabajado en los procesos de acreción toda mi carrera, comencé durante la licenciatura. En ese momento fue atrayente la idea de utilizar ordenadores para estudiar los procesos relacionados con los agujeros negros. Entonces los ordenadores comenzaban a ser lo bastante potentes para realizar cálculos complejos: un superordenador podía realizar un millón de operaciones por segundo (ahora pueden hacer un millón por un millón de operaciones por segundo). Me interesaba el uso de ordenadores para estudiar el comportamiento del gas cuando gira alrededor de un agujero negro, de hecho mi investigación doctoral consistió en el estudio con ordenador de cómo fluye la masa alrededor de los agujeros negros. Por qué le interesaba este aspecto en particular? La gente sabía de la existencia de agujeros negros allí fuera, y que estos propulsaban la energía de las galaxias y producían enormes chorros de plasma que emitían en radio; así como que estaban detrás del fenómeno de los cuásares. Habían sido observados en rayos X en algunos interesantes sistemas de estrellas binarias.

2 La teoría de la acreción era relativamente reciente. El gas avanza en órbita en torno a un agujero negro, lo que conlleva que ocurran muchos fenómenos con gran rapidez y en muchas direcciones. No es algo que pueda ser simulado fácilmente sólo con ecuaciones básicas y lápiz y papel. Yo trabajé con Larry L. Smarr. Él había realizado los primeros cálculos por ordenador: el espacio-tiempo se crearía en el choque de dos agujeros negros. Solucionó en el ordenador las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, y esto fue una primicia. Después se convirtió en el director de uno de los Centros de Investigación en Superordenadores de la National Science Foundation, en los Estados Unidos. Hasta qué punto cree usted que las simulaciones por ordenador muestran la realidad? En Astronomía es difícil saber con seguridad si una simulación por ordenador reproduce fielmente lo que ocurre en un agujero negro situado a muchos años luz de distancia, pero esto sí es posible en otros contextos. Por ejemplo tenemos datos experimentales sobre el gas que fluye por encima del ala de un avión o el desplazamiento del viento solar alrededor de la Tierra, y sabemos que las simulaciones por ordenador reproducen la naturaleza de manera correcta. Básicamente las mismas técnicas informáticas y las mismas ecuaciones utilizadas en tierra para muchos sucesos son también aplicables a los agujeros negros. Esto es así porque se trata de gas moviéndose bajo la influencia de alguna aceleración, quizás la gravedad, y también campos magnéticos. Qué hay de la simulación de agujeros negros? Sabemos que muchos sistemas de agujeros negros producen chorros, que son haces de gas y campo magnético muy energéticos que salen disparados de su vecindad (nada sale de un agujero negro). En mis simulaciones he sido capaz de reproducir bajo determinadas circunstancias chorros procedentes de agujeros negros. He realizado algunas películas por ordenador del proceso, que son un ejemplo de cómo un chorro puede formarse fuera de un agujero negro. En el ordenador uno puede intentar realizar procesos que no podemos ver en la naturaleza porque los sistemas están demasiado lejos y son demasiado pequeños para ser observados directamente. En galaxias distantes podemos ver los chorros surgiendo, pero no el camino inverso hasta el mismo agujero negro. Dónde pueden encontrarse sus simulaciones? Algunas revistas científicas, como Astrophysical Journal, tienen una versión web que puede incorporar animaciones como parte del artículo, pero es difícil

3 poner animaciones sobre papel! Hace unos diez años había libros que venían con un CD con simulaciones, y algunas se cuelgan en páginas web u otros soportes. Ciertas simulaciones mías se han utilizado en programas de televisión, una para el programa Nova, producido por WCBH en Boston, otra en un programa sobre agujeros negros producido por National Geographic, que debe estar disponible en DVD. Algunas se enseñan en sesiones de planetario. En este tipo de simulaciones se incide menos en lo que es la ciencia y más en la ilustración del proceso para que sea comprensible para el gran público. La animación en sí misma también es útil para los investigadores: permite ver el sistema global y lo que está ocurriendo, así como darle un sentido. Pero para comprender realmente lo que ocurre se necesita una simulación que considere todos los datos y explique los aspectos individuales, fuerzas, potencias, densidades, velocidades que cuente en detalle qué está ocurriendo. Hay muchos astrónomos teóricos trabajando en Astrofísica Computacional? Sí. El acercamiento tradicional a la ciencia consiste en la experimentación y la teoría. En la primera se trata de ir al laboratorio y hacer que algo ocurra, obtienes los datos e intentas explicar lo que significan. La teoría ha consistido tradicionalmente en comprender qué ecuaciones tienen que ver con un sistema, e intentar hallar lo que significan o sus soluciones. La ciencia computacional podría considerarse una nueva rama de la ciencia para acompañar a la experimentación y la teoría, es como una teoría experimental. En Astrofísica se estudian colisiones de galaxias, colisiones de agujeros negros, el Big Bang, el gas alrededor de los agujeros negros o las explosiones estelares. irreproducibles en el laboratorio, lo que está muy bien. Se realizan simulaciones por ordenador de las explosiones de supernova, de la evolución del Universo desde el Big Bang hasta el momento actual Y se varían los parámetros del Universo. Hay investigadores que estudian la colisión de los agujeros negros, que es básicamente la Teoría de la Relatividad General de Einstein, y la evolución de las estrellas y las galaxias Todo esto puede hacerse por ordenador. Hacer simulaciones cada vez mayores es una parte de la investigación en Astrofísica que está creciendo y convirtiéndose en muy importante. Muchos países tienen a disposición de los investigadores grandes ordenadores, y los astrónomos son con frecuencia los usuarios de los mismos. Modelos sobre el clima, el tiempo, la física de partículas (respaldando al Gran Colisionador de Hadrones), astrónomos realizando simulaciones de varios trozos del Universo Hay mucha investigación en marcha.

4 Cree que seremos capaces de simular el Universo entero juntando muchas simulaciones, como si se tratara de un puzle? La simulación de todo el Universo es uno de nuestros objetivos. El Big Bang comienza desde un estado bastante simple, que es básicamente materia caliente y algo denominado materia oscura y algo denominado energía oscura, y puedes hacer que evolucionen. El Universo está en gran parte gobernado por la gravedad, así que cuando avanzas en el tiempo se expande y la gravedad reúne la masa y se forman las galaxias. Dentro de las galaxias se crean estrellas y evolucionan. Se trata de un proceso muy complejo. Hay muchas escalas, pero cada una puede ser simulada. El objetivo final sería comprender la evolución del Universo desde sus comienzos hasta la actualidad, simulando cada paso a su escala apropiada. Es un fin ambicioso pero no imposible. Y de cotejar las simulaciones con la realidad? Tienes que ser capaz de hacer predicciones que puedan ser contrastadas con observaciones. En las simulaciones por ordenador, si al final el universo que has obtenido no se parece al universo en el cual vivimos, entonces es que te has equivocado de universo. Hay otra cuestión adicional: aunque sea idéntico, puede el mismo resultado obtenerse de otro modo? Existe una cuestión de unicidad. Así que muchos caminos pueden llevar al mismo lugar. Si encuentro un resultado para el modelo del Big Bang que lleva a un universo parecido al nuestro, se trata de una solución única o podría haber varias? Esto es así para cualquier experimento, por supuesto. Incluso si una hipótesis es consistente con los datos puede ser que no sea la correcta. Tiene que sobrevivir a muchos experimentos y permitir hacer nuevas predicciones que luego sean verificadas por otros experimentos. Lo mismo es válido para las simulaciones por ordenador. La simulación debería reproducir características que se sabe que existen y predecir comportamientos en sistemas complejos que puedan ser comprobados con observaciones. Hay que continuar este proceso, no se puede nunca decir que una simulación es la respuesta final, del mismo modo que no es posible afirmar que las hipótesis en ciencia son una respuesta definitiva. Pero uno espera comprender cada vez mejor el sistema, así como que la hipótesis esté cada vez más de acuerdo con las observaciones. Las exigencias de la ciencia son que la hipótesis realizada sea consistente con los datos obtenidos, y que esto se pueda comprobar. Si las predicciones son falsas, la hipótesis es descartada. En las simulaciones por ordenador esto es equivalente al resto de disciplinas, lo único que puede ser más complejo es la obtención de las observaciones.

5 Por ejemplo, se han observado explosiones de supernova y se está intentando simular el proceso. Al nivel más elemental, o bien la estrella explota o bien no. Si no lo hace, no es coherente con las observaciones; si lo hace, quizás lo es con las observaciones pero a lo mejor no con toda la historia. Y todavía no se ha conseguido una simulación en la cual la estrella explote, no se sabe cuál es el ingrediente que lo provoca. Cuando un agujero negro orbita en torno a una estrella se trata de un sistema binario y produce rayos X, visibles con satélites. De hecho, existen muchas observaciones del gas presente en los aledaños de un agujero negro. Y yo hago simulaciones de este gas para determinar cómo se vería si fuera observado desde un satélite, es un proceso muy lento. Este viernes da una conferencia en la Universidad de La Laguna. De qué va a hablar? Tratará de lo que son los agujeros negros, dónde se encuentran en el Universo y cómo estamos aprendiendo un poco sobre su comportamiento utilizando simulaciones por ordenador.