El desafío de Chandrasekhar, el genio sin el que lo que sabemos de las estrellas y los agujeros negros aún no estaría a nuestro alcance

La historia de Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995) es casi tan apasionante como sus logros en el campo de la astrofísica. Su infancia en la India de principios del siglo XX estuvo marcada por la forma en que sus padres supieron alentar su curiosidad y estimular su pasión por el estudio. Su pericia innata con los números le llevó a destacar muy pronto en el ámbito de la física y las matemáticas, y con solo 19 años se graduó en física en la Universidad de Madrás.

Su sobresaliente expediente académico fue premiado por el Gobierno de su país con la posibilidad de viajar a Inglaterra para continuar sus estudios en la Universidad de Cambridge, una oportunidad que Chandrasekhar no dejó escapar. Fue admitido en el prestigioso Trinity College bajo la tutela del físico y astrónomo británico Ralph Howard Fowler, que, precisamente, era el autor de algunos de los artículos científicos que le habían ayudado a sumergirse en una física cuántica que en la década de los 30 aún daba sus primeros pasos.

A Chandrasekhar le fascinaba la rama de la astrofísica que perseguía comprender las etapas por las que transitaba la evolución estelar. En aquella época los astrofísicos ya sabían que las estrellas consumen la mayor parte de su combustible en una fase conocida como secuencia principal, y también que durante esta etapa consiguen mantenerse en equilibrio reajustándose continuamente gracias a la tensión de dos fuerzas opuestas: la contracción gravitacional, que tira de la materia de la estrella hacia dentro, y la presión de los gases y de radiación, que tira de la materia hacia fuera.

Los astrónomos conocían con bastante precisión el estado de equilibrio hidrostático en el que se encuentran las estrellas durante la mayor parte de su vida, pero también sabían que había un tipo peculiar de ellas, las enanas blancas, que eran mucho más densas que ningún objeto que hubiesen podido estudiar en la Tierra. De hecho, su densidad y su estado de equilibrio escapaban a su comprensión debido a que no podían ser explicados por las leyes de la física clásica, por lo que decidieron recurrir a la aún incipiente mecánica cuántica con la esperanza de que les ayudase a entender qué sucedía en su interior.

El secreto de las enanas blancas

A Chandrasekhar le apasionaba la física cuántica. Los artículos científicos de los astrofísicos Fowler y Eddington le ayudaron a sumergirse en ella, y, precisamente, fue su tutor en el Trinity College quien en 1926, cuando el joven indio aún estudiaba en su país natal, consiguió describir el mecanismo que permite a las enanas blancas mantenerse en equilibrio. Pertrechado con las herramientas de la mecánica cuántica Fowler publicó un artículo en el que logró explicar cómo un fenómeno conocido como degeneración electrónica era el responsable de mantener las enanas blancas en equilibrio.

Hasta ese momento los astrofísicos habían observado que estas estrellas habían dejado atrás la etapa en la que consumían sus reservas de combustible, pero, sorprendentemente, pese a no contar con la presión de radiación y de los gases fruto de la ignición de la materia que aglutinan, conseguían mantenerse en equilibrio. Debía de existir necesariamente una fuerza que era capaz de contrarrestar la contracción gravitacional para permitir que el equilibrio de las enanas blancas fuese posible.

Afortunadamente, la degeneración electrónica descrita por Fowler logró explicar este fenómeno. A grandes rasgos y dejando a un lado los detalles más complicados, este mecanismo pronostica que la contracción gravitacional consigue comprimir tanto la materia de la estrella que los electrones ligados a los núcleos atómicos apenas tienen espacio para moverse. Cada uno de ellos queda encerrado en un espacio 10 000 veces más reducido que el que tenía originalmente, lo que provoca que comience a agitarse de forma descontrolada, golpeando a los electrones adyacentes, que se encuentran exactamente en la misma situación.

Nada puede detener este movimiento degenerado de los electrones. Ni siquiera el enfriamiento paulatino de las enanas blancas que ya han agotado su combustible. De hecho, la degeneración electrónica se mantiene incluso aunque la materia se encuentre en el cero absoluto de temperatura (-273,15 ºC). El origen de este fenómeno está estrechamente vinculado a la dualidad onda/partícula tal y como nos la explica la física cuántica, que, de nuevo a grandes rasgos, nos dice que, en realidad, las ondas y las partículas son lo mismo. Todas las partículas se comportan a veces como una onda, y, al mismo tiempo, todas las ondas se comportan a veces como una partícula.

En su artículo Fowler propuso que la degeneración electrónica es el mecanismo responsable de la fuerza que consigue contrarrestar la contracción gravitacional de las enanas blancas. Y, por tanto, también es el responsable de que se mantengan en equilibrio. Esta idea obsesionó a Chandrasekhar durante sus años de estudio en la India, y cuando tuvo la oportunidad de profundizar en ella durante su estancia en Inglaterra trabajando codo con codo con Fowler, no dudó en aprovecharla.

Y llegó la guerra desencadenada por el «límite de Chandrasekhar»

Los largos viajes que realizaba entre Inglaterra y la India brindaban a Chandrasekhar la oportunidad de sumergirse en sus pensamientos lejos de los exámenes y los compromisos que acarreaban sus estudios en el Trinity College. Fowler había conseguido explicar por qué las enanas blancas se mantenían en equilibrio, pero su investigación no había logrado proporcionar una descripción satisfactoria de la estructura interna de estas estrellas. Y Chandrasekhar estaba decidido a recoger este desafío.

Durante uno de su viajes, y mientras estaba sumido en sus pensamientos, se le ocurrió que podría ser una buena idea introducir las leyes de la Relatividad Especial que Albert Einstein había concebido no muchos años antes en los cálculos que había realizado Fowler. Y lo hizo. Su bagaje en astrofísica aún era muy limitado, y, además, los grandes físicos y matemáticos que en esa época se esforzaban para reconciliar la Relatividad y la física cuántica no habían obtenido ningún resultado prometedor, pero esto no desanimó a Chandrasekhar.

Después de pasarse varios días haciendo cálculos y revisando los últimos artículos que habían publicado Eddington y Fowler, obtuvo un resultado. Pero no fue un resultado cualquiera; era un resultado extraño, y, al mismo tiempo, extraordinariamente prometedor. Lo que los números le decían a Chandrasekhar era que la contracción gravitacional solo podía ser contrarrestada si la masa de la estrella era menor de 1,4 masas solares. Si la masa de la enana blanca superaba esta cifra ni siquiera la degeneración electrónica podría impedir el colapso gravitacional de la estrella, lo que abría las puertas de par en par a la existencia de los agujeros negros.

Actualmente los astrofísicos defienden que una estrella puede adoptar dos estados más antes de poner fin a sus días adquiriendo la entidad de un agujero negro: las estrellas de neutrones y las aún hipotéticas estrellas de quarks (os hablamos de ambas con bastante profundidad en el artículo que enlazo aquí mismo). Pero en la década de los 30 lo que proponía Chandrasekhar era difícil de asumir. De hecho, los primeros astrofísicos a los que entregó su artículo científico, entre los que se encontraba Fowler, no entendieron su demostración.

Finalmente Chandrasekhar consiguió que su texto fuese publicado en la revista estadounidense Astrophysical Journal después de haber sido previamente aprobado por el físico Carl Eckart. Este respaldo dio a su investigación mucha visibilidad, y cada vez más astrofísicos aceptaban su conclusión, aunque todos ellos se oponían a la existencia de los agujeros negros. No podían admitir que la naturaleza aceptase que aquellas aberraciones realmente existiesen. Debía haber alguna ley que impidiese su existencia más allá de la corrección de la demostración que había hecho el joven astrofísico indio.

El rechazo de la comunidad científica fue un duro varapalo para Chandrasekhar, pero lo que más le dolió fue que su demostración fuese enérgicamente desestimada por Arthur Eddington, que hasta entonces había ejercido como uno de sus tutores más entusiastas. De hecho, Eddington llegó incluso a ridiculizar la posibilidad de que una enana blanca no pudiese tener una masa superior a 1,4 masas solares durante una de sus conferencias en la Real Sociedad Astronómica de Londres, en la que, por supuesto, Chandrasekhar estaba presente.

Eddington mantuvo su férrea oposición al «límite de Chandrasekhar» durante toda su vida, y, decepcionado por el rechazo al que estaba siendo sometido, Chandrasekhar abandonó el estudio de las enanas blancas a finales de la década de los 30 y no lo retomó hasta dos décadas más tarde. Durante casi seis décadas este genio indio dio clase de astrofísica en la Universidad de Chicago, y, finalmente, su contribución esencial al conocimiento de la evolución estelar y el proceso de formación de los agujeros negros fue reconocida.

En 1983 Subrahmanyan Chandrasekhar y William Fowler recibieron el premio Nobel de Física. Es imposible saber cómo habría evolucionado la astrofísica sin las aportaciones de Chandrasekhar, pero no cabe duda de que sin su trabajo quizá lo que sabemos hoy acerca de las estrellas y los agujeros negros aún no estaría a nuestro alcance.

Bibliografía: 'Agujeros negros y tiempo curvo', de Kip S. Thorne | 'Statistical Physics: Volume 1 of Modern Classical Physics', de Roger D. Blandford y Kip S. Thorne | 'Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros', de Stephen W. Hawking

Imágenes: Brian Tomlinson | NASA | NASA Goddard Space Flight Center | NASA/JPL-Caltech | M. Helfenbein, Yale University / OPAC