Lo que nos podría mostrar el EHT

Como les dije hace unos días, el próximo miércoles se dará una conferencia de prensa para anunciar una noticia relevante relacionada con los agujeros negros. Así, el equipo científico del EHT (Event Horizon Telesocope) hará públicos los resultados obtenidos hasta ahora. Muchos esperan que se muestre la primera imagen del horizonte de sucesos de un agujero negro. De ser así, estaríamos ante una noticia revolucionaria que sin duda será de las más importantes del año.

Pero antes de que se produzca el anuncio me gustaría ponerles al día con lo que sabemos de estos objetos tan fascinantes que son los agujeros negros. Ya les adelanto que todo el conocimiento actual se debe a observaciones indirectas. Esto quiere decir que tan solo hemos podido observar los efectos que provocan los agujeros negros en sus alrededores. Ni tan siquiera hemos llegado a observar el horizonte de sucesos. De eso se encargará el EHT y en el mejor de los casos, tendremos la primera imagen el próximo miércoles.

Agujeros negros supermasivos

Casualmente, en el número de abril de la revista Astronomía viene de portada un agujero negro supermasivo. Hace referencia al artículo principal de este mes (Buitrago, 2019). Tengo que destacarles que no hay relación entre esta portada y la noticia del EHT. Al cierre editorial del número de abril, todavía no se había producido el anuncio. Se trata de una bonita casualidad.

astronomia magazine
Portada del mes de abril de la revista Astronomía || Créditos: globalastronomia.com (Clic en la imagen para ampliar).

En este artículo, que les recomiendo mucho, se habla del agujero negro supermasivo que se encuentra en el interior de la galaxia más grande conocida: IC1101. Este agujero negro tendría una masa de, atención, 40.000 millones de veces la del Sol. Su diámetro sería… ¡37 veces el de la órbita de Plutón! Como bien dice Buitrago, estas magnitudes se escapan de nuestra comprensión y no podemos hacerles frente con nuestra percepción humana.

Simulaciones del horizonte de sucesos

Volviendo al horizonte de sucesos, sabemos que debería comenzar a una distancia del agujero negro denominada radio de Schwarzschild. Para un agujero negro esférico y estático, esta distancia es proporcional a la masa del agujero negro y a la constante de gravitación universal. Por otro lado, es inversamente proporcional a otra constante: la velocidad de la luz al cuadrado. Por lo tanto, el dato que necesitamos conocer es la masa del agujero negro. A mayor masa, mayor será el valor del radio.

Simulación del agujero negro de la película Interstellar || Créditos: James et al / Classical and Quantum Gravity (Ampliar).

Esta fue la solución a la que llegó Karl Schwarzschild en 1916. Constituye la primera solución exacta conocida a las ecuaciones de la relatividad general que Albert Einstein publicó meses antes. Por lo tanto, el horizonte de sucesos es algo que los físicos creen que debe existir alrededor del agujero negro. De hecho, las únicas imágenes que tenemos del horizonte de sucesos están basadas en simulaciones. Algunas de ellas las podrán ver a continuación.

Agujero negro supermasivo de M87

Uno de los dos agujeros negros que está analizando el EHT es el que hay en el interior de la galaxia M87. La siguiente imagen ha sido realizada por Andrew Chael, astrofísico de la Universidad de Harvard que participa en el proyecto del EHT. Para crear la imagen usó datos que utilizan los científicos para simular lo que creen que observará el EHT. Además, Chael rizó el rizo produciendo la simulación de la simulación inicial.

m87
A la derecha, lo que se espera que nos muestre el EHT del agujero negro de M87. A la izquierda, la simulación de cómo sería realmente en base a esos datos simulados || Créditos: A. Chael (Ampliar).

Sagittarius A* simulado con el EHT

También hay simulaciones del otro agujero negro supermasivo que está observando el EHT. No es otro que Sagittarius A*, el que existe en el interior de nuestra propia galaxia. Aquí les muestro las que se presentaron en un artículo científico (Fish, 2014) que podrán consultar en las referencias.

EHT y Sagittarius A*
Simulaciones del agujero negro Sagittarius A* donde la imagen de la izquierda es una simulación pura, mientras que las otras tres muestran variaciones en base a posibles dispersiones de la luz || Créditos: Fish et al / Astrophysical Journal (Ampliar).

El comportamiento de los agujeros negros

En cuanto a los agujeros negros en sí, tenemos datos indirectos como por ejemplo los basados en el movimiento de estrellas próximas a Sagittarius A*. Son datos valiosísimos que nos indican el poder de atracción de los agujeros negros y cómo afectan a sus inmediaciones. En este caso les muestro una imagen obtenida a raíz de un estudio (Abuter, 2018) centrado en una de estas estrellas: S2. Como ven, su movimiento varía abruptamente sobre todo cuando se acerca a Sagittarius A*.

Se podría extrapolar el movimiento de S2 al de un planeta que gira alrededor de una estrella, que sería Sagittarius A*. La velocidad de S2 en su órbita obedece al movimiento kepleriano, es decir, cumple las leyes de Kepler: cuanto más se acerque al agujero negro, más rápido se desplazará.

Sagittarius A*
Infografía que muestra fuera de escala el recorrido de la estrella S2, muy cercana al agujero negro supermasivo de nuestra galaxia || Créditos: ESO/M. Kornmesser (Ampliar).

El efecto Doppler de la luz

dAdemás de por las leyes de Kepler, conocemos la velocidad de la estrella S2 por cómo nos llega su luzd a medida que se acerca al agujero negro. En la imagen de arriba vemos cómo S2 pasa de tener un color azul a uno rojo y, posteriormente, de nuevo azul. Esto es debido al efecto Doppler aplicado a la luz.

La estrella al alejarse provoca que su longitud de onda nos llegue más amplia y, por lo tanto, la veamos un tanto más rojiza que cuando se acerca a nosotros. En ese caso las longitudes de onda se acortan y la vemos más azulada. Es lo mismo que sucede con la sirena de una ambulancia cuando se acerca a nosotros y cuando se aleja. Como ven, ese cambio de frecuencias percibido por el observador también es aplicable a la luz.

EHT
Esquema de un agujero negro y cómo su masa deforma el espacio-tiempo || Fuente: cosmology.com (Ver).

Según la información que han podido observar en la infografía de la estrella S2, me gustaría resaltarles que Sagittarius A* tiene una masa equivalente a 4 millones de veces la del Sol. Esto provoca unas velocidades de traslación en S2 que son incluso superiores a los 25 millones de Km/h. ¿Cómo se quedan? Son valores muy altos, sin embargo, comparados con los que existen en IC1101 son una auténtica… minucia.

Midiendo velocidades

Si medimos la velocidad de la estrella S2 en cada punto, obtenemos la siguiente gráfica que ha sido extraída del artículo que les comenté más arriba y que podrán consultar en las referencias:

EHT
Gráfico que muestra la velocidad residual, apreciándose cómo se ajusta a un modelo kepleriano || Créditos: Abuter et al, 2018 (Clic en el gráfico para ampliar).

Aunque en el gráfico solo se muestra el comportamiento de la estrella S2, el poder gravitatorio de Sagittarius A* afecta a todas las estrellas de su alrededor. La simulación del movimiento de todas ellas lo pueden ver en la siguiente imagen:

EHT
Simulación que muestra las órbitas de las estrellas cercanas al agujero negro supermasivo del centro de la Vía Láctea || Créditos: ESO/L. Calçada/spaceengine.org (Ampliar).

Entonces, ¿cómo será lo que nos muestre el EHT?

Todo apunta a que las imágenes que les he mostrado en las simulaciones serán muy aproximadas a lo que nos ofrecerá el EHT. De hecho, aunque solo sea de forma teórica, los científicos conocen de una forma bastante precisa cómo debería de ser el horizonte de sucesos y cómo debería comportarse. Además, como han podido ver, simulaciones independientes de dos agujeros negros distintos ofrecen resultados muy similares.

Hacía tiempo que no se hablaba tanto de agujeros negros. Es algo que siempre ha despertado la curiosidad del ser humano por ser algo desconocido, por ser algo extremo, uno de los límites de la ciencia actual. Y con investigaciones como la del EHT pronto serán más conocidos, aunque no por eso perderán la fascinación que nos provocan.

Referencias

  • Abuter, R. et al (2018). «Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole». Astronomy & Astrophysics 615 L15. DOI: 10.1051/0004-6361/201833718 (Ver) (PDF).
  • Buitrago, F. (2019). «Los mayores agujeros negros del universo». Astronomía 238, pp. 24-31.
  • eso1622 (2016). «Successful First Observations of Galactic Centre with GRAVITY». ESO Organisation Release (Ver).
  • eso1825 (2018). «First Successful Test of Einstein’s General Relativity Near Supermassive Black Hole». ESO Science Release (Ver).
  • Fish, V. et al (2014). «Imaging an Event Horizon: Mitigation of Scattering Toward Sagittarius A*». Astrophysical Journal 795 134. DOI: 10.1088/0004-637X/795/2/134 (Ver) (PDF).
  • Joseph, R. (2014). «Quantum Physics of Time Travel». Cosmology.com (Ver).
  • Scharping, N. (2019). «How scientists think the first picture of a black hole may look». Astronomy.com (Ver).

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