La idea de los agujeros negros se remonta a 1783, cuando el científico de Cambridge John Michell se dio cuenta de que un objeto bastante masivo en un espacio lo suficientemente pequeño podría atraer incluso la luz sin dejarla escapar. Más de un siglo después, Karl Schwarzschild encontró una solución exacta a la teoría general de la relatividad de Einstein, que predijo el mismo resultado: un agujero negro. Tanto Michell como Schwarzschild predijeron una conexión clara entre el horizonte de eventos, o el radio de la región de la que la luz no puede escapar, y la masa del agujero negro.
Durante 103 años después de la predicción de Schwarzschild, no se pudo verificar. Y solo el 10 de abril de 2019, los científicos descubrieron la primera fotografía del horizonte de eventos. La teoría de Einstein volvió a funcionar, como siempre.
Aunque ya sabíamos bastante sobre los agujeros negros, incluso antes de la primera instantánea del horizonte de eventos, cambió y se aclaró mucho. Teníamos muchas preguntas que ahora tienen respuesta.
El 10 de abril de 2019, la colaboración del Event Horizon Telescope presentó la primera instantánea exitosa del horizonte de eventos del agujero negro. Este agujero negro está ubicado en Messier 87: la galaxia más grande y masiva de nuestro supercúmulo local de galaxias. El diámetro angular del horizonte de sucesos fue de 42 microsegundos de arco. Esto significa que se necesitan 23 billones de agujeros negros del mismo tamaño para cubrir todo el cielo.
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A 55 millones de años luz de distancia, la masa estimada del agujero negro es 6.500 millones de veces la del Sol. Físicamente, esto corresponde a un tamaño mayor que el tamaño de la órbita de Plutón alrededor del Sol. Si no hubiera un agujero negro, la luz tardaría aproximadamente un día en atravesar el diámetro del horizonte de eventos. Y solo porque:
- el telescopio del horizonte de sucesos tiene suficiente resolución para ver este agujero negro
- agujero negro emite ondas de radio fuertemente
- muy pocas ondas de radio en el fondo para interferir con la señal
pudimos hacer esta primera toma. De lo que ahora hemos aprendido diez lecciones profundas.
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Aprendimos cómo es un agujero negro. ¿Que sigue?
Este es realmente un agujero negro, como predice la relatividad general. Si alguna vez ha visto un artículo titulado “el teórico afirma audazmente que los agujeros negros no existen” o “esta nueva teoría de la gravedad podría cambiar a Einstein”, supondrá que los físicos no tienen ningún problema en proponer teorías alternativas. Aunque la relatividad general ha pasado todas las pruebas a las que la sometemos, los físicos no tienen escasez de extensiones, reemplazos o posibles alternativas.
Y observar un agujero negro descarta una gran cantidad de ellos. Ahora sabemos que este es un agujero negro, no un agujero de gusano. Sabemos que el horizonte de sucesos existe y que no es una singularidad desnuda. Sabemos que el horizonte de sucesos no es una superficie sólida, ya que la materia que cae debe emitir una firma infrarroja. Y todas estas observaciones son consistentes con la relatividad general.
Sin embargo, esta observación no dice nada sobre la materia oscura, las teorías más modificadas de la gravedad, la gravedad cuántica o lo que se esconde detrás del horizonte de eventos. Estas ideas están más allá del alcance de las observaciones del EHT.
La dinámica gravitacional de las estrellas proporciona buenas estimaciones de las masas de un agujero negro; observación de gas - no. Antes de la primera imagen de un agujero negro, teníamos varias formas diferentes de medir las masas de los agujeros negros.
Podríamos usar mediciones de estrellas, como las órbitas individuales de estrellas cerca de un agujero negro en nuestra propia galaxia o líneas de absorción de estrellas en M87, que nos dieron masa gravitacional, o emisiones de gas que se mueve alrededor del agujero negro central.
Tanto para nuestra galaxia como para M87, estas dos estimaciones fueron muy diferentes: las estimaciones gravitacionales fueron 50-90% más altas que las gaseosas. Para M87, las mediciones de gas mostraron que el agujero negro tenía 3.5 mil millones de soles y las mediciones gravitacionales estaban más cerca de 6.2 - 6.6 mil millones, pero los resultados de EHT mostraron que el agujero negro tiene 6.5 mil millones de masas solares, lo que significa, la dinámica gravitacional es un excelente indicador de las masas de los agujeros negros, pero las conclusiones del gas se están desplazando hacia valores más bajos. Esta es una gran oportunidad para revisar nuestras suposiciones astrofísicas sobre el gas orbital.
Debería ser un agujero negro giratorio y su eje de rotación apunta lejos de la Tierra. A través de observaciones del horizonte de eventos, emisiones de radio a su alrededor, un chorro a gran escala y emisiones de radio extendidas medidas por otros observatorios, el EHT ha determinado que es un agujero negro de Kerr (giratorio), no un agujero negro de Schwarzschild (no giratorio).
No hay una sola característica simple de un agujero negro que podamos estudiar para determinar esta naturaleza. En cambio, tenemos que construir modelos del agujero negro en sí y de la materia fuera de él, y luego desarrollarlos para comprender lo que está sucediendo. Cuando busca posibles señales que puedan surgir, tiene la oportunidad de limitarlas para que sean consistentes con sus resultados. Este agujero negro debería girar y el eje de rotación apunta desde la Tierra a unos 17 grados.
Finalmente pudimos determinar que hay material alrededor del agujero negro, correspondiente a los discos y corrientes de acreción. Ya sabíamos que M87 tenía un chorro, por observaciones ópticas, y que también emitía en los rangos de radio y rayos X. Este tipo de radiación no se puede obtener solo de estrellas o fotones: se necesita materia, además de electrones. Solo acelerando los electrones en un campo magnético podemos obtener la emisión de radio característica que vimos: radiación de sincrotrón.
Y también requirió una increíble cantidad de trabajo de modelado. Al ajustar todos los parámetros posibles de todos los modelos posibles, aprenderá que estas observaciones no solo requieren corrientes de acreción para explicar los resultados de radio, sino que también predicen necesariamente resultados que no son de ondas de radio, como los rayos X. Las observaciones más importantes fueron realizadas no solo por el EHT, sino también por otros observatorios como el telescopio de rayos X Chandra. Los flujos de acreción deberían calentarse, como lo demuestra el espectro de las emisiones magnéticas de M87, de acuerdo con los electrones acelerados relativistas en un campo magnético.
El anillo visible demuestra la fuerza de la gravedad y las lentes gravitacionales alrededor del agujero negro central; y nuevamente se probó la relatividad general. Este anillo en el rango de radio no corresponde al horizonte de sucesos en sí y no corresponde al anillo de partículas en rotación. Y tampoco es la órbita circular más estable de un agujero negro. No, este anillo surge de una esfera de fotones con lentes gravitacionales cuyas trayectorias son dobladas por la gravedad del agujero negro en su camino hacia nuestros ojos.
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Esta luz se dobla en una esfera más grande de lo que uno esperaría si la gravedad no fuera tan fuerte. Como escribe Event Horizon Telescope Collaboration:
"Encontramos que más del 50% del flujo total en segundos de arco pasa cerca del horizonte y que esta radiación se suprime drásticamente cuando golpea esta región, por un factor de 10, lo que es una evidencia directa de la sombra predicha de un agujero negro".
La teoría general de la relatividad de Einstein demostró ser correcta una vez más.
Los agujeros negros son fenómenos dinámicos, su radiación cambia con el tiempo. Con una masa de 6.500 millones de soles, la luz tardará aproximadamente un día en atravesar el horizonte de sucesos del agujero negro. Esto establece aproximadamente el marco de tiempo en el que podemos esperar ver cambios y fluctuaciones en la emisión observada por el EHT.
Incluso observaciones que duraron varios días nos permitieron confirmar que la estructura de la radiación emitida cambia con el tiempo, como se predijo. Los datos de 2017 contienen cuatro noches de observaciones. Incluso mirando estas cuatro imágenes, puede ver visualmente que las dos primeras tienen características similares y las dos últimas también, sin embargo, existen diferencias significativas entre la primera y la última. En otras palabras, las propiedades de la radiación alrededor de un agujero negro en M87 cambian con el tiempo.
EHT revelará en el futuro el origen físico de las explosiones de agujeros negros. Hemos visto, tanto en la banda de rayos X como en la de radio, que un agujero negro en el centro de nuestra propia Vía Láctea está emitiendo breves ráfagas de radiación. Aunque la primera imagen de agujero negro presentada mostró un objeto supermasivo en M87, el agujero negro en nuestra galaxia, Sagitario A *, será igual de grande, solo que cambiará más rápido.
En comparación con la masa de M87 (6.500 millones de masas solares), la masa de Sagitario A * será de solo 4 millones de masas solares: el 0,06% de la primera. Esto significa que las fluctuaciones ya no se observarán durante el día, sino incluso en un minuto. Las características del agujero negro cambiarán rápidamente y, cuando ocurre un brote, podemos revelar su naturaleza.
¿Cómo se relacionan las llamaradas con la temperatura y la luminosidad de la imagen de radio que vimos? ¿Existe una reconexión magnética, como en las eyecciones de masa coronal de nuestro Sol? ¿Hay algo que estalla en las corrientes de acreción? Sagitario A * parpadea diariamente, por lo que podremos asociar todas las señales necesarias con estos eventos. Si nuestros modelos y observaciones son tan buenos como lo fueron para M87, es posible que podamos determinar qué impulsa estos eventos y quizás incluso saber qué está cayendo en el agujero negro, creándolos.
Aparecerán datos de polarización que revelarán si los agujeros negros tienen su propio campo magnético. Si bien todos estábamos definitivamente felices de ver la primera instantánea del horizonte de eventos de un agujero negro, es importante comprender que pronto surgirá una imagen completamente única: la polarización de la luz que emana de un agujero negro. Debido a la naturaleza electromagnética de la luz, su interacción con el campo magnético imprimirá una firma de polarización particular en ella, lo que nos permitirá reconstruir el campo magnético del agujero negro, así como cómo cambia con el tiempo.
Sabemos que la materia fuera del horizonte de eventos, al ser esencialmente partículas cargadas en movimiento (como electrones), genera su propio campo magnético. Los modelos indican que las líneas de campo pueden permanecer en corrientes de acreción o atravesar el horizonte de eventos, formando una especie de "ancla" en el agujero negro. Existe una conexión entre estos campos magnéticos, la acreción y el crecimiento de los agujeros negros y los chorros. Sin estos campos, la materia en los flujos de acreción no podría perder momento angular y caer en el horizonte de eventos.
Los datos de polarización, gracias al poder de las imágenes polarimétricas, nos lo dirán. Ya tenemos los datos: queda por realizar un análisis completo.
La mejora del Event Horizon Telescope revelará la presencia de otros agujeros negros cerca de los centros galácticos. Cuando un planeta gira alrededor del Sol, no se debe solo al hecho de que el Sol tiene un efecto gravitacional sobre el planeta. Siempre hay una reacción igual y opuesta: el planeta afecta al sol. Asimismo, cuando un objeto orbita un agujero negro, también ejerce presión gravitacional sobre el agujero negro. En presencia de todo un conjunto de masas cerca de los centros de las galaxias y, en teoría, muchos agujeros negros invisibles hasta ahora, el agujero negro central debería temblar literalmente en su lugar, siendo desgarrado por el movimiento browniano de los cuerpos circundantes.
El truco para realizar esta medición hoy es que necesita un punto de referencia para calibrar su posición en relación con la ubicación del agujero negro. La técnica para tal medición asume que usted mira al calibrador, luego a la fuente, nuevamente al calibrador, nuevamente a la fuente y así sucesivamente. Al mismo tiempo, debe mover la mirada muy rápidamente. Desafortunadamente, la atmósfera cambia muy rápidamente y muchas cosas pueden cambiar en 1 segundo, por lo que simplemente no tendrá tiempo para comparar dos objetos. En cualquier caso, no con la tecnología moderna.
Pero la tecnología en esta área se está desarrollando increíblemente rápido. Las herramientas utilizadas en el EHT están esperando actualizaciones y es posible que puedan alcanzar la velocidad requerida a mediados de la década de 2020. Este rompecabezas podría resolverse a fines de la próxima década, gracias a la instrumentación mejorada.
Finalmente, Event Horizon Telescope eventualmente verá cientos de agujeros negros. Para desmontar un agujero negro, la resolución del conjunto del telescopio debe ser mejor (es decir, alta resolución) que el tamaño del objeto que está buscando. Actualmente, el EHT solo puede distinguir tres agujeros negros conocidos en el Universo con un diámetro suficientemente grande: Sagitario A *, el centro de M87, el centro de la galaxia NGC 1277.
Pero podemos aumentar la potencia del ojo del Event Horizon Telescope al tamaño de la Tierra si ponemos los telescopios en órbita. En teoría, esto ya es técnicamente posible. El aumento del número de telescopios aumenta el número y la frecuencia de las observaciones, así como la resolución.
Haciendo las mejoras necesarias, en lugar de 2-3 galaxias, podremos encontrar cientos de agujeros negros o incluso más. El futuro de los álbumes de fotos de agujeros negros parece brillante.
El proyecto Event Horizon Telescope fue caro, pero valió la pena. Hoy vivimos en la era de la astronomía de los agujeros negros y finalmente hemos podido observarlos con nuestros propios ojos. Este es solo el comienzo.
Ilya Khel
