Astronomía

Titulares de ciencia y de ficción (4): se observa con bastante resolución el entorno de un agujero negro

Imagen

El pasado Miércoles 10 de Abril las redes sociales se inundaron con la denominada “primera foto de un agujero negro”. La noticia es importante como una declaración de intenciones de cara al futuro, ya que si bien esta primera reconstrucción no tiene una definición suficiente como para ayudar a descubrir cuestiones físicas que desconozcamos, todo el equipo que forma el proyecto EHT (Telescopio de Horizontes de Sucesos) nos muestra de lo que son capaces y nos permite confiar en venideras reconstrucciones mucho más detalladas. Pero, ¿por qué todo esto es importante?

Nociones básicas

Un agujero negro es una región del espacio en la que la concentración de energía (masa) es tan elevada que el campo gravitatorio llega a imposibilitar que la luz escape. A la distancia a la cual ni siquiera la luz no puede escapar se la denomina “horizonte de sucesos”. Existe además otra distancia, conocida como el radio de la “última órbita circular”, que es mayor a la del horizonte de sucesos y fija el lugar en el que la luz puede orbitar al agujero negro. La última órbita circular es inestable, lo cual significa que si la luz se acerca un poco más al agujero negro acabará cayendo en él, mientras que si se aleja no volverá.

Cuando un agujero negro rota, dando lugar a lo que se conoce como un “agujero negro de Kerr”, puede formar a su alrededor (en el plano perpendicular al eje de giro) un disco de acreción de materia a muy altas temperaturas. En lo referente a sus polos (siendo el eje vertical el eje de giro), se espera que las partículas del disco de acreción que consigan llegar hasta allí salgan despedidas con muy alta velocidad dando lugar a dos focos de radiación ultrarrelativista (con velocidades comparables a la de la luz).

¿Qué podemos ver de un agujero negro sin ir hasta él?

Dado que “ver” es, en última instancia, recoger con nuestros ojos luz que haya sido reflejada por los objetos de nuestro alrededor, resulta obvio que cuando miramos a un agujero negro es imposible que veamos nada dentro del horizonte de sucesos (ya que no puede llegar luz desde allí) ni tampoco la luz orbitando a su alrededor (ya que si está orbitando tampoco va a llegar hasta aquí). Esto último es una faena, ya que nunca nos dificulta confirmar que, por simple estadística, existe una esfera de luz en el radio de la última órbita circular donde se encuentran todos los rayos que hayan pasado por allí.

La luz que sí puede llegarnos, sin embargo, es la que salga despedida de la órbita circular. Y, además, en el caso de que el agujero negro tenga rotación (como se espera que suceda con la inmensa mayoría de ellos) puede llegarnos la luz que emita por cuestiones térmicas la materia de su disco de acreción y la que salga por sus polos.

En lo referente a la luz emitida por el disco de acreción, cabe destacar que suele focalizarse en la dirección de giro, con lo que no todo el disco emitiría con la misma intensidad en nuestra dirección (como sucede por ejemplo con las estrellas, que no tienen zonas más o menos brillantes), sino que será más notable el efecto en las regiones del disco que giren apuntando hacia nosotros.

La imagen

Lo que el equipo de EHT ha publicado es una imagen que para comprenderse requiere tener claros los conceptos anteriores. En primer lugar, la zona oscura interior no es toda ella el horizonte de sucesos del agujero negro. La zona oscura comienza más lejos de este, en el último lugar del que la luz orbitando puede escapar. Por otra parte, la luz naranja alrededor no es su disco de acreción (como sí podría serlo por ejemplo en la película Interstellar por la menor distancia de observación) sino toda la luz que se ha escapado. En particular, la que se ha escapado y además ha llegado hasta nosotros. Y es que esta es una idea central: las cosas que no pueden escapar del agujero negro es imposible que las veamos porque, de nuevo, para “ver” tendría que poder llegar hasta nosotros su imagen.

Otra cuestión a destacar es que la imagen no representa luz naranja real que haya llegado hasta nosotros desde el agujero negro, sino que la señal que se ha recogido son ondas de radio infrarrojas (en física teórica llamamos luz infrarroja a toda aquella no visible y de menor energía que la roja). Estas señales infrarrojas ni siquiera son recogidas por telescopios, sino por antenas parabólicas, con lo que no se trata de una foto óptica al uso. Lo que se ha hecho, en esencia, es asignar diferentes intensidades de naranja a la señal de las antenas y publicar eso como una reconstrucción de lo que se vería si nuestros ojos pudiesen ver en infrarrojo.

Resultados

El equipo de EHT simuló, según sus propios artículos, hasta 62000 imágenes con posibles orientaciones, masas y ángulos de giro para un agujero negro de rotación y cómo se vería la luz que llegase hasta nosotros en cada caso. De entre todas estas, han indicado las tres que más se parecen a las imágenes reconstruidas como se puede ver en la siguiente imagen, donde GRMHD procede de “Magneto Hidro Dinámica basada en Relatividad General”:

EHT

Comparar simulaciones y reconstrucciones de los datos de las antenas de EHT permite verificar que son compatibles y que, hasta donde se ve, las predicciones de la relatividad general de Einstein, y más concretamente la solución de Kerr, podrían ser correctas. Resulta obvio que una mayor capacidad resolutiva en las imágenes será necesaria para realizar análisis más minuciosos de cuestiones como qué orientación exacta tiene el agujero negro, cuál es su eje de giro (imperceptible aquí) o con qué velocidad está girando. Sí que se puede ver, no obstante, que la intensidad de la luz no es la misma en todo el anillo, como era de esperar.

Implicaciones

La relatividad general está en conflicto abierto con la física de partículas, y muchos físicos esperan poder encontrar algún campo de aplicación donde falle para encontrar pistas acerca de cómo corregirla y adaptarla a la física cuántica, obteniendo una teoría del todo. Los agujeros negros son el mejor laboratorio que existe para poner a prueba todo cuanto sabemos, y por tanto su estudio en los próximos años a través de las ondas gravitatorias y las señales de radio que emiten será muy importante. ¿Descubrirán las futuras investigaciones del equipo de EHT que la relatividad general funciona a la percepción o encontrarán alguna discrepancia entre teoría y realidad?

Sin duda, tiempos interesantes para estar al día en las novedades que nos llegan desde el espacio.

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