Desglosando la alucinante imagen del agujero negro de la Vía Láctea

En 2019, los astrónomos capturó una pieza oculta del universo para que los descarguemos en las pantallas de nuestras computadoras. Fue la primera imagen de un agujero negro y reveló la violencia de la bestia espacial. Este vacío caótico, denominado M87*, arroja un chorro de luz y atraviesa la galaxia en la que vive. Pero para el ojo terrícola inexperto, parece un Fruit Loop.

El 12 de mayo, el mismo equipo de científicos con los ojos muy abiertos logró superarse a sí mismos armando otro imagen alucinante de un abismo cósmico. Aunque esta vez, se trataba de un agujero negro “tranquilo e inactivo” en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, llamado Sagitario A*, o Sgr A*. Sin embargo, también parece un Fruit Loop, pero quizás uno que se está empapando.

Ambas imágenes son logros notables para el campo de la astronomía. Podría decirse que son las imágenes más impresionantes que la humanidad ha visto. Y parecen almohadas borrosas para el cuello de color naranja, o, como dice Feryal Özel, astrofísico de la Universidad de Arizona y parte de Event Horizon Telescope Collaboration, “parece que a los agujeros negros les gustan las donas”.

Entonces, ¿qué estamos viendo, exactamente? “Cuando miramos el corazón de cada agujero negro, encontramos un anillo brillante que rodea la sombra del agujero negro”, dijo Özel.

Sin embargo, antes de entrar en detalles, es importante tener en cuenta que las dos imágenes de agujeros negros que vemos no son el tipo de fotografías a las que estamos acostumbrados día a día. Ellos vienen de observaciones de ondas de radio, que funciona al detectar la intensidad de las partículas de luz, o fotones, en el espacio, y luego traduce esas señales en patrones visibles. Los fotones súper intensos son “más brillantes”, por ejemplo.

Esta imagen muestra el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array en Chile, parte de Event Horizon Telescope Collaboration, observando la Vía Láctea y la ubicación de Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en nuestro centro galáctico. Resaltada en el recuadro está la imagen de Sagitario A* tomada por la colaboración.

ESO/José Francisco Salgado, EHT Colaboración

Los agujeros negros no son realmente agujeros negros

Un agujero negro no es exactamente negro, ni es exactamente un agujero.

Más bien, es una entidad compleja con varias partes móviles, similar a los humanos que tienen un montón de sistemas corporales biológicos. Pero para comprender la imagen reciente de Sgr A* del EHT, debe conocer tres aspectos principales de la anatomía del agujero negro.

En primer lugar, está la singularidad.

Los agujeros negros generalmente se forman cuando las estrellas gigantes colapsan y toda la materia estelar anterior se convierte en un solo punto. Este punto se conoce como “singularidad” y tiene una masa tan inmensa, de la estrella muerta, que su gravedad supera cualquier cosa con la desgracia de pisar demasiado cerca.

Eso incluye gas, polvo e incluso luz. De hecho, la atracción gravitacional de esta entidad es tan fuerte que literalmente deforma el tejido del espacio y el tiempo. Pero, tanto en las imágenes M87* como en Sgr A*, este punto es invisible para nosotros. Tenemos que imaginarlo, justo en el centro.

anatomia-agujero-negro

Una ilustración de la anatomía de un agujero negro.

ESO

En segundo lugar, está el horizonte de eventos.

El horizonte de sucesos es básicamente el límite entre nuestro universo y el escurridizo interior del vacío. Se encuentra a cierta distancia, muy específica, del punto de singularidad llamado radio de Schwarzschild. Cada agujero negro tiene uno de estos, y esta es la parte que probablemente les da a los agujeros negros su reputación de ser “negros”.

Todo lo que cae más allá del horizonte de eventos queda atrapado en algún reino oculto que nos parece oscuridad porque incluso la luz está atrapada allí. Los contenidos más allá del horizonte no pueden volver jamás. No sabemos qué les pasa.

En las imágenes del EHT, este espacio esférico similar a la realidad alternativa entre la singularidad y el horizonte de sucesos está representado por los círculos negros. Sin embargo, más específicamente, las partes centrales oscuras son sombras del horizonte de sucesos.

“La sombra es la imagen del horizonte de sucesos, es nuestra línea de visión hacia el agujero negro”, dijo Michael Johnson, miembro del EHT y astrofísico del Centro de Astrofísica de Harvard Smithsonian.

Pero volveremos a eso.

En tercer lugar, y lo más importante para las rosquillas en llamas, está la esfera de fotones.

Alrededor de la singularidad y el horizonte de sucesos, capas de gas caliente y polvo quedan atrapadas en una órbita eterna alrededor de estos abismos ensordecedores en lo que se denominan discos de acreción. Si algo de ese disco cae dentro del Radio de Schwarzschild, también conocido como más allá del horizonte de eventos, se pierde en el universo del agujero negro. Pero la luz hace algo complicado aquí. Y esto nos da nuestra imagen del agujero negro.

A diferencia del gas o el polvo, la luz puede pasar de puntillas delicadamente dentro del radio de Schwarzschild sin caer en espiral hacia el vacío. Y si esos fotones viajan en sólo de la manera correcta, “la luz que escapa del gas caliente que gira alrededor del agujero negro nos parece un anillo brillante”, dijo Özel. “La luz que está lo suficientemente cerca como para ser tragada por ella eventualmente cruza su horizonte y deja solo un vacío oscuro en el centro”.

Es por eso que la Colaboración EHT llama a sus imágenes los “corazones” de los agujeros negros. Las imágenes están ampliadas en la esfera de fotones, que técnicamente vaga aún más cerca de la alucinante singularidad que deforma el espacio-tiempo que incluso el horizonte de eventos. Si estos vacíos fueran personas, estamos viendo sus corazones latiendo.

En el cielo nocturno, por contexto, la sombra dentro del anillo es de aproximadamente 52 microsegundos de arco, dijo el equipo, que es aproximadamente del tamaño de una rosquilla en la Luna vista desde la Tierra. El video a continuación (adorablemente) ilustra ese punto.

“Descubrimos que podemos medir el diámetro del anillo con una precisión de alrededor del 5%”, dijo Johnson. “La mayor parte de la incertidumbre aquí se debe a que no sabemos si el agujero negro está girando o no y el giro tiene un pequeño efecto en el diámetro de la sombra”.

Pero todo está deformado

El espacio y el tiempo, o el espacio-tiempo, alrededor de los agujeros negros están totalmente deformados.

A medida que las partículas de luz, o fotones, escapan del disco de acreción de gas en remolino y prueban los límites del horizonte de eventos, siguen este camino de espacio-tiempo deformado. Por lo tanto, la luz naranja que ve en la parte superior de la imagen del agujero negro del EHT no está realmente en la “cima” del agujero negro. En realidad, está asociado con el extremo más alejado del horizonte de eventos y es parte de un anillo similar a Saturno alrededor de todo el objeto. La cuestión es que la deformación del espacio-tiempo obliga a esos fotones del lado lejano a “doblarse” hacia nosotros.

El siguiente video ayuda a aclarar esto.

Aunque es una simulación de un sistema binario de agujeros negros, observe cómo cuando el agujero negro azul está detrás del agujero negro naranja, puede ver la totalidad del agujero azul en la parte superior e inferior del naranja. Esto es más o menos lo que sucede con los agujeros negros solitarios, excepto con respecto a la luz que circula alrededor de su singularidad. De hecho, le está pasando a cada agujero negro en el video.

Del mismo modo, el horizonte de eventos en sí sigue una especie de deformación. Básicamente, podemos ver el otro extremo del horizonte de sucesos y, esencialmente, todos los ángulos del horizonte allí también.. Está todo “doblado” hacia nosotros. Por desgracia, las partes centrales oscuras de estas imágenes se consideran “sombras” del horizonte de eventos. Solo piense en ellos como el punto de no retorno para los fotones, uno que es visualizable porque vemos las partículas de luz afortunadas que no quedaron atrapadas allí, merodeando. la barrera entre el universo observable y… lo que sea que esté dentro de la oscuridad del agujero negro.

En cierto sentido, no solo estamos mirando imágenes de agujeros negros, sino que estamos mirando evidencia directa de espacio-tiempo deformado. Es decir, estamos viendo evidencia directa de la teoría de la relatividad general de Einstein, la visión alucinante del genio sobre la gravedad.

Y, en la nota de la relatividad general, la razón por la que algunas partes del anillo de luz son más brillantes que otras se debe a un fenómeno llamado lente gravitacional. Lentes gravitacionales básicamente mejora algunos fotones debido a las extrañas consecuencias de la deformación del espacio-tiempo.

Sgr A* especificaciones

Ahora que sabemos lo que estamos viendo, estas son algunas de las especificaciones del agujero negro recién fotografiado.

Sgr A* se encuentra a 26.000 años luz de la Tierra y tiene una masa equivalente a unos 4 millones de veces la de nuestro sol. M87*, por el contrario, está a unos 54 millones de años luz de nosotros y es 1000 veces más masivo que SgrA*. Además, Sgr A* es mucho menos violento, o “hambriento”, como dicen a veces los astrónomos. No consume tanto gas de su entorno como M87*.

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La imagen muestra la escala de Sgr A* en comparación con M87* y otros elementos del sistema solar como las órbitas de Plutón y Mercurio. También se muestra el diámetro del sol y la ubicación actual de la sonda espacial Voyager 1, la nave espacial más alejada de la Tierra.

Colaboración EHT, Lia Medeiros

“Vemos que solo un goteo de material está llegando al agujero negro”, dijo Johnson. “Si Sgr A* fuera una persona, consumiría un solo grano de arroz cada millón de años”.

Por lo tanto, dice, el agujero negro es ineficiente. “Solo emite unos cientos de veces más energía que el sol, a pesar de ser 4 millones de veces más masivo, la única razón por la que podemos estudiarlo es porque está en nuestra propia galaxia”.

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