Los agujeros negros, esos “fantasmas cósmicos” sobre los que la literatura y el cine han basado muchas de sus historias, dejaron de ser tan misteriosos cuando Phil Charles, catedrático de Astronomía en la University of Southampton (Reino Unido), halló junto al investigador del IAC Jorge Casares, en 1992, la primera evidencia empírica de su existencia en la Vía Láctea. A partir de ese momento, todo cambió en el campo de la Astrofísica de altas energías. Aún hoy sigue investigando sobre estos sistemas binarios, aunque también le interesan todos aquellos objetos cósmicos que sean fuentes de rayos X. Vinculado al IAC desde sus inicios hace más de tres décadas, Phil Charles ha vuelto a este centro como investigador visitante del Programa Severo Ochoa, dispuesto a trabajar en nuevos proyectos con antiguos y nuevos colegas.

Por Elena Mora (IAC)

“Si las estrellas de neutrones más masivas que conocemos tienen unas dos masas solares y el agujero negro menos masivo conocido tiene unas cinco, ¿dónde están los objetos entre la estrella de neutrones más masiva y el agujero negro menos masivo?”

“Al conocer la ecuación de estado, podremos averiguar cómo de grande puede ser una estrella de neutrones antes de colapsar y convertirse en un agujero negro”

 “Cuando la materia se acerca al horizonte de sucesos a fracciones de la velocidad de la luz, la vemos comportarse en las condiciones más extremas que conocemos, condiciones que posiblemente no podamos replicar en la Tierra”

Pregunta: No es la primera vez que usted visita el IAC. ¿Cuándo empezó a colaborar con el Instituto y por qué?

Respuesta: Es una larga historia. Vine por primera vez hace más de 30 años, justo después de que se inaugurara el Instituto y el Observatorio del Roque de los Muchachos, en Garafía (La Palma). A finales de los años 80, mientras fui el jefe de operaciones del ahora denominado Grupo de Telescopios Isaac Newton (ING) durante cinco años, tuve a un estudiante español de la Universidad de La Laguna (ULL), Jorge Casares, que empezó a trabajar conmigo en observaciones ópticas de fuentes de rayos X, colaboración que hemos mantenido durante la mayor parte de los últimos 30 años.

A través de mis contactos con investigadores e investigadoras del IAC, continué trabajando con el Grupo ING y ahora también con el Gran Telescopio CANARIAS (GTC). Estoy encantado de ver el éxito que está teniendo y también estoy emocionado de escuchar que quizá La Palma albergue el Gran Telescopio de 30 m (TMT). Supondría un reconocimiento de la excelencia del Observatorio del Roque de los Muchachos.

P: ¿Qué está haciendo ahora en el Instituto? ¿Con qué grupos está trabajando?

R: Durante este tiempo he estado trabajando con el grupo de binarias de rayos X de Jorge Casares, dirigido por el investigador del IAC Teodoro Muñoz Darias, mientras el primero se encuentra temporalmente en Oxford. También he colaborado con otro investigador de aquí, Artemio Herrero, en un proyecto sobre binarias de rayos X muy masivas, aprovechando su experiencia en este campo. Esta temporada ha sido fascinante porque dos de los agujeros negros que hemos estado observando Teodoro Muñoz y yo con unos estudiantes de doctorado han hecho algo muy interesante y esperamos publicar artículos sobre ello. Hasta ahora ha sido muy emocionante y productivo.

P: Usted descubrió, junto con Jorge Casares y Tim Naylor, el primer agujero negro de nuestra galaxia en 1992. Fue un gran avance en el campo de la Astrofísica de altas energías. ¿Qué supuso para su carrera este hallazgo?

R: Siempre he estado interesado en los sistemas binarios de rayos X, aunque hice mi doctorado sobre la emisión de rayos X en remanentes de supernova. Por supuesto, esos remanentes incluyen estrellas de neutrones y agujeros negros, y también pueden incluir binarias de rayos X. Mi primer puesto postdoctoral fue en la Universidad de California, en Berkeley (EEUU), a finales de los setenta y allí empecé a observar estos objetos, tanto con satélites espaciales como desde la Tierra. Ahora eso es lo normal, pero en aquella época nadie hacía eso simultáneamente.

Hay varios grupos por todo el mundo que siempre han estado interesados ​​en lo que creemos que es una estrella de neutrones o agujero negro. En general, podemos demostrar que un objeto es una estrella de neutrones, ya que tiene características únicas. Una de las más obvias son las pulsaciones, aunque hay otras más sutiles, como las ráfagas de rayos X. Sin embargo, es mucho más delicado demostrar la existencia de un agujero negro porque las propiedades de los rayos X son a menudo imitadas por las estrellas de neutrones, de modo que la única manera en que realmente podemos hacerlo es medir el período orbital y, en particular, el movimiento orbital de la estrella compañera, utilizando básicamente las leyes de Kepler del movimiento binario (es decir, la masa de este objeto tiene que ser por lo menos mayor que una cierta cantidad).

El "Santo Grial" en los años ochenta era encontrar un objeto cuya masa fuese al menos mayor que tres masas solares, masa máxima que los teóricos consideran que una estrella de neutrones podría tener. Se encontraron varios objetos con aproximadamente esos valores mínimos y la comunidad científica decía: "Bueno, tal vez sea un agujero negro, tal vez no". Entonces, cuando Jorge Casares y yo decidimos trabajar en un nuevo tránsito, V404 Cyg, descubrimos que la masa mínima del objeto compacto era superior a seis masas solares y, asumiendo la inclinación y la masa de su estrella compañera (que obviamente tiene que ser mayor de cero), el número neto era al menos de nueve o diez masas solares. En ese punto, hubo un cambio total en la Astrofísica de altas energías. Pasamos de "Bien, no tenemos pruebas reales de que haya agujeros negros en una galaxia" a "Bien, nos rendimos. Hay agujeros negros".

Creo que ya estaba en Oxford en ese momento (he estado allí desde 1980) y este resultado probablemente me ayudó a obtener mi título de profesor. También ha sido un apoyo fantástico para la exitosa carrera de Jorge Casares en España y dio una tremenda visibilidad a la capacidad de los telescopios de La Palma, que sólo habían estado operando unos seis años por entonces. Era evidente que se habían convertido en uno de los principales observatorios mundiales, comparable a los observatorios de Paranal, Hawai y Chile. Jorge y yo estábamos encantados de haber conseguido ese hallazgo y creo que fue un empujón para el Observatorio del Roque de los Muchachos y para todo el IAC.

P: ¿Por qué son tan fascinantes este tipo de objetos? ¿Sabremos alguna vez lo que sucede dentro de ellos, qué procesos tienen lugar?

R: Esta es una pregunta clásica. Los agujeros negros son interesantes porque su funcionamiento se reduce a las leyes fundamentales de la Física. Cuando encontramos suficientes y medimos sus masas, esperamos tener una distribución de las mismas. Después de 50 años, conocemos alrededor de unas 20 o 30 estrellas de neutrones, cuyas masas han sido medidas con precisión. Hasta ahora, sólo hay un par con dos o poco más de dos masas solares y son muy interesantes porque es realmente difícil que lleguen a ser tan masivas. Sin embargo, si el agujero negro menos masivo conocido tiene unas cinco masas solares, ¿dónde están los objetos entre la estrella de neutrones más masiva y el agujero negro menos masivo?

Resulta que responder a esa pregunta es en realidad abordar algunas de las cuestiones más importantes sobre la Física fundamental, es decir, cuál es la ecuación de estado nuclear. Ésta permitiría describir el comportamiento de la materia nuclear en diferentes condiciones de densidad y temperatura, por lo que su conocimiento es vital para describir tanto la formación del Universo tras el Big Bang como la evolución de los cuerpos estelares.

La gente siempre se sorprende cuando les decimos que realmente no sabemos cuál es la ecuación de estado. Sin embargo, una estrella de neutrones es materia nuclear casi pura y, si conociéramos su ecuación, podríamos averiguar cómo de grande puede ser antes de colapsar y convertirse en un agujero negro. Estas son el tipo de preguntas que la comunidad científica de Física de Partículas está abordando de una manera diferente utilizando aceleradores de partículas gigantes, concretamente, el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN. Es fantástico que la Astronomía pueda abordar estas preguntas a las mayores escalas.

Al encontrar agujeros negros, estamos observando procesos muy energéticos, detectados a través de explosiones de rayos X que ocurren cuando el disco de acreción alrededor suyo es inestable y empieza a tragar materia, lo que significa que pasa por el horizonte de sucesos. Lamentablemente, su pregunta sobre lo que está más allá de eso, me temo que no sé contestarla y tampoco lo sabe Stephen Hawking, aunque a ambos nos encantaría. De hecho, creo que es algo que a todos nos gustaría saber. Esta respuesta probablemente vendrá de los grandes esfuerzos que están haciendo los teóricos para combinar la Teoría de la Relatividad General y la Teoría Mecánica Cuántica.

Yo sólo soy un simple observador de estos procesos. Cuando la materia se acerca al horizonte de sucesos lo hace increíblemente rápido, a fracciones de la velocidad de la luz, por lo que el material se calienta mucho y produce esos flashes repentinos de rayos X que observamos. De esta manera, vemos a la materia comportarse en las condiciones más extremas que conocemos, condiciones que posiblemente no podamos replicar en la Tierra y que convierte este campo de la Astrofísica en algo muy emocionante.

P: ¿Cuáles son sus próximos desafíos?

R: En parte lo he aludido en mi respuesta anterior. Hasta ahora sólo tenemos unas 20 mediciones de masa precisas y Jorge Casares ha hecho un gran avance en este campo elaborando una posible técnica para encontrar estos objetos cuando están inactivos o dormidos. Hasta ahora sólo los encontramos cuando tienen una de esas grandes explosiones de rayos X transitorios, pero pueden estar latentes durante décadas. Sólo hemos detectado unos o dos cada año y es muy complicado descubrir más, por lo que creo que el estudio de Jorge Casares tiene un gran potencial para futuras investigaciones.

Recientemente, también se han puesto en marcha nuevos satélites de rayos X. Estamos involucrados en proyectos con astrónomos de la India, como el satélite Astrosat, lanzado el año pasado y que ahora ya está funcionando con normalidad. También, la Estación Espacial Internacional (EEI) monitorea todo el cielo, avisándonos cuando los tránsitos se apagan. Tenemos mucho trabajo por hacer en este campo buscando nuevas formas de estudiarlos y a mayor escala. Ahora que estoy formalmente retirado de mi posición académica y he conseguido otra estancia de investigación, he vuelto a concentrarme en ello. Creo que hay perspectivas realmente interesantes para el futuro.

P: ¿Recomendaría esta estancia a otros investigadores e investigadoras? En caso afirmativo, ¿por qué?

R: Absolutamente. Mi estancia como investigador del programa Severo Ochoa es sólo de tres meses, pero el grupo con el que trabajo aquí te corroborará que he venido siempre que he podido. Ahora, con la nueva estancia de investigación que empiezo en enero por dos años, seguro que volveré pronto.

El IAC es muy fuerte en este campo. Tiene un excelente grupo de binarias de rayos X, personas que trabajan en sistemas muy masivos como Artemio Herrero, por no hablar del director, Rafael Rebolo, a quien le interesan estos objetos y su evolución. En el Instituto se siguen muchas líneas de investigación, hay muchos y variados intereses que acaban por repercutir positiva y productivamente en todo el personal científico. Por esta razón, el IAC es el sitio al que venir en España.