El año pasado, finalmente fotografiamos un agujero negro. ¿Ahora que?



Las futuras imágenes de agujeros negros podrían verse más nítidas, aunque probablemente no tan nítidas como esta representación.

Las futuras imágenes de agujeros negros podrían verse más nítidas, aunque probablemente no tan nítidas como esta representación. (Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA / Jeremy Schnittman /)

Sheperd Doeleman tardó casi una década en lograr lo imposible. Como director del Event Horizon Telescope (EHT), un proyecto que involucra una colaboración internacional de cientos de investigadores, pasó años volando maletas llenas de discos duros en todo el mundo para coordinar observaciones entre radiotelescopios en cuatro continentes, incluida la Antártida. El 9 de abril de 2019, la colaboración finalmente lanzó los frutos de su trabajo y el mundo contempló la primera imagen de un agujero negro.

La hazaña, que el pionero teórico del agujero negro James Bardeen calificó de desesperado en 1973, representó un gran logro de la tecnología astronómica. Pero una vez que se realizó el procesamiento de datos y apareció el champán, la colaboración de EHT en cierto sentido se parecía al perro que atrapó el automóvil. "A todos nos sorprendió un poco que obtuvieran una imagen tan buena tan rápido", dice Andrew Strominger, físico teórico en la Universidad de Harvard. “Sheperd y Michael (Johnson, astrofísico de Harvard-Smithsonian y coordinador de EHT) me estaban preguntando al respecto. ‘¿Qué hacemos con esto? Tomamos la foto, ¿y ahora qué? "

Ahora Strominger y un grupo interdisciplinario de investigadores que incluye teóricos, experimentadores y un filósofo están de vuelta con una respuesta salvaje, que apareció la semana pasada en Science Advances

. Con acceso a un telescopio lo suficientemente distante, la colaboración EHT podría discernir múltiples reflejos de la luz que fluye alrededor del agujero negro. Al clasificar a través del patrón preciso en estos desordenados rayos, los astrónomos podían medir directamente las propiedades básicas de los agujeros negros y probar la teoría de la gravedad de Einstein como nunca antes. Básicamente, esperan que los agujeros negros se parezcan más a estrellas y planetas: no solo objetos para reflexionar, sino para observar directamente.

"Estos son objetos que para mí solo han sido ecuaciones que trato de visualizar matemáticamente en mi mente", dice Alex Lupsasca, un teórico de Harvard que trabajó en la investigación. "Pero ahora estamos obteniendo imágenes reales de ellos".

El equipo realizó cálculos a lápiz y papel utilizando la teoría de la relatividad general de Einstein y simulaciones de resolución sin precedentes para analizar qué hacen los agujeros negros a la luz. Alerta de spoiler: se pone raro. "Los agujeros negros, son simplemente los mejores en todo lo que hacen", dice Lupsasca. Y eso incluye doblar los rayos de luz en bucles.

Como los objetos más densos permitidos por las leyes de la física, los agujeros negros tienen mucha atracción cósmica, y los físicos saben desde hace mucho tiempo que los abismos se ocultan en capas de luz. Donde la Tierra podría atraer una roca espacial que pasa, dibujándola en unas pocas órbitas antes de que escape al espacio, los agujeros negros pueden capturar partículas de luz reales. Todo lo que se estrella en el agujero negro se queda atrapado en el interior para siempre, pero los fotones que rozan el límite pueden dar algunas vueltas alrededor del agujero negro. "Esta es la naturaleza deformada del espacio-tiempo en tu cara", dice Lupsasca.

Exactamente lo que Strominger, Lupsasca y sus colegas calcularon fue la estructura específica del caparazón de luz, y cómo se vería desde la Tierra.

Así es como funciona. Cuando los rayos de luz se aproximan al agujero negro, su temible gravedad los arrastra a la órbita. Los rayos que pasan a una distancia particular dan media vuelta alrededor del agujero negro antes de escapar al espacio. Los rayos que pasan un poco más cerca podrían hacer un círculo completo antes de regresar de donde vinieron. Los rayos que pasan más cerca aún pueden dar una vuelta y media, otras dos vueltas, y así sucesivamente. Cada uno de estos grupos infinitos de rayos de luz puede formar una imagen (si golpean una cámara o un globo ocular), por lo que el agujero negro podría producir un número infinito de tales imágenes. Strominger compara el efecto trippy con pararse entre dos espejos de grandes almacenes y ver imágenes de ti mismo que se extienden en la distancia.

"En un mundo perfecto con un telescopio perfecto, mirarías el agujero negro y verías no solo un número infinito de imágenes anidadas de ti mismo, sino de todo el universo", dice.

Pero el EHT es, como todos los telescopios, no perfecto. Tampoco es exactamente un telescopio, sino técnicamente un interferómetro. Los interferómetros funcionan comparando observaciones de un punto distante desde dos ubicaciones diferentes. Cuanto más separadas estén las ubicaciones, más finas serán las características del objeto que pueden resolver. Debido a que los sucesivos reflejos de los agujeros negros (que aparecerían como anillos para un observador) se vuelven cada vez más delgados, los astrónomos necesitan aprovechar observatorios más alejados para verlos. Desafortunadamente, con instalaciones en Hawai, Chile, España y en el polo sur, el EHT se está quedando sin espacio. "Ya han usado toda la tierra solo para ver la primera imagen", dice Strominger.

Para detectar los anillos de reflexión, el EHT tendrá que ir aún más lejos. Finalmente, concluyen los autores de la investigación, la colaboración debería agregar un observatorio espacial a su red. Solo uno lo haría. Un satélite que orbita la Tierra podría detectar claramente el primer anillo, o el hardware que orbita la luna podría ver el segundo. Si pudieran llevar una nave espacial a un lugar entre la Tierra y el Sol conocido como el segundo punto lagrangiano (el destino del próximo telescopio espacial James Webb) podrían resolver los primeros tres anillos. Tal misión podría costar unos pocos cientos de millones de dólares, costosa pero no tan costosa como los proyectos científicos más grandes. "Es algo que algún día alguien hará", dice Lupsasca. "Es solo cuestión de tiempo."

Con ese montón de dinero, los astrofísicos estarían comprando una gran cantidad de conocimiento sobre los agujeros negros. Una observación de los anillos serviría inmediatamente como la primera prueba de relatividad general en un entorno con gravedad lo suficientemente intensa como para doblar los rayos de luz en bucles completos. La forma en que los anillos se estrechan es muy precisa, por lo que cualquier desviación indicaría que algo extraño está sucediendo. "No hay margen de maniobra", dice Lupsasca. "Sales y haces la medición, o coincide con la teoría o no".

Pocos teóricos esperan un desglose de la teoría más exitosa de Einstein. Por el contrario, están más entusiasmados con lo que los anillos pueden revelar sobre los dos agujeros negros lo suficientemente cerca como para representarlos de esta manera. Los astrónomos tienen algunas formas de medir las propiedades básicas de un agujero negro, como su masa y giro, pero tienen que hacer muchas suposiciones para hacerlo. El patrón de anillo depende solo del agujero negro, que no tiene nada que ver con el plasma brillante y los desechos cercanos, por lo que tales observaciones podrían proporcionar una forma más limpia para que los físicos respondan sus preguntas más básicas sobre estos objetos enigmáticos.

Y este análisis es solo el comienzo. Después de que el trabajo se lanzó el verano pasado (antes de la revisión por pares), provocó una serie de investigaciones de seguimiento a medida que los físicos corrían para desarrollar la teoría. "Se enfatizó que hay muchos detalles interesantes que aún no hemos explorado, y nos entusiasmó sobre posibles nuevas firmas", dice Elizabeth Himwich, un estudiante graduado de Harvard que analizó cómo se alterna el tipo de luz de un anillo a otro.

Lupsasca compara el esfuerzo que se avecina con los primeros días de la biología. "Antes de que quieras entender cómo secuenciar el ADN y usar CRISPR para copiar y editar el ADN, primero sales al bosque y dices," eso es un árbol, eso es una flor ", dice. "Aquí es donde estamos con la física del agujero negro como ciencia experimental".

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