Hace un año, se hizo historia. El largo y minucioso trabajo de los científicos de todo el mundo produjo el primera imagen directa del horizonte de eventos de un agujero negro, un monstruo supermasivo llamado M87 * a 55 millones de años luz de distancia. Esa imagen gloriosa, dorada y borrosa confirmó muchas de nuestras ideas sobre agujeros negros.
Pero la ciencia no se detuvo cuando apareció la imagen. Un equipo de científicos ha realizado cálculos basados en lo que aprendimos de M87 * combinado con las predicciones de relatividad general, para predecir aún más cómo algún día podríamos ver estos objetos con mucho más detalle.
Los agujeros negros son increíblemente intensos gravitacionalmente. No solo son tan masivos que incluso la velocidad de la luz es demasiado lenta para lograr la velocidad de escape contra su atracción gravitacional, sino que también doblan el camino de la luz que pasa a su alrededor, más allá del horizonte de eventos.
Si un fotón que pasa está demasiado cerca, quedará atrapado en órbita alrededor del calabozo. Esto crea lo que se llama un "anillo de fotones" o "esfera de fotones", un anillo de luz perfecto predicho para rodear el agujero negro, dentro del borde interno del disco de acreción, pero fuera del horizonte de eventos.
Esto también se conoce como la órbita estable más interna, y puede verla en la imagen a continuación, creado por el astrofísico Jean-Pierre Luminet en 1978.
(Jean-Pierre Luminet)
Los modelos del entorno del agujero negro sugieren que el anillo de fotones debería crear una subestructura compleja que consta de anillos de luz infinitos, un poco como el efecto que se ve en un espejo infinito.
"La imagen de un agujero negro en realidad contiene una serie de anillos anidados" explicó el astrofísico Michael Johnson
"Cada anillo sucesivo tiene aproximadamente el mismo diámetro, pero se vuelve cada vez más nítido porque su luz orbita el agujero negro más veces antes de llegar al observador. Con la imagen EHT actual, hemos vislumbrado toda la complejidad que debería surgir en la imagen de cualquier agujero negro ".
(Telescopio de horizonte de eventos)
En esa primera imagen histórica de M87 * (arriba), podemos ver el disco de acreción: esa es la parte brillante de oro y naranja. La parte negra en el centro es la sombra del agujero negro. En realidad, no podemos ver la esfera de fotones, ya que el anillo es muy fino y la resolución no es lo suficientemente alta como para distinguirlo, pero debería ubicarse alrededor del borde de la sombra del agujero negro.
Si nosotros podría vean, ese anillo nos diría cosas muy importantes sobre el agujero negro. El tamaño del anillo puede decirnos la masa, el tamaño y la rotación del agujero negro. Podemos determinar esto a partir del disco de acreción, pero el anillo de fotones nos permitiría restringir aún más los datos, para una medición más precisa.
"Cada substracción consiste en fotones con lentes hacia la pantalla del observador después de haber sido recogidos por la capa de fotones desde cualquier parte del Universo". los investigadores escribieron en su artículo.
"Por lo tanto, en un entorno idealizado sin absorción, cada subcampo contiene una imagen separada, exponencialmente desmagnificada de todo el Universo, y cada subcampo posterior captura el Universo visible en un momento anterior.
"Juntos, el conjunto de subrings es similar a los fotogramas de una película, capturando la historia del Universo visible como se ve desde el agujero negro".
Entonces, Johnson y su equipo usaron modelos para determinar la viabilidad de detectar los anillos de fotones en futuras observaciones. Descubrieron que se puede hacer, aunque no será fácil.
Imaging M87 * fue una hazaña de ingenio y cooperación. Los telescopios de todo el mundo trabajaron juntos para crear un interferómetro basal muy largo llamado Event Horizon Telescope, donde las distancias precisas y las diferencias de tiempo entre los telescopios en la matriz se pueden calcular para unir sus observaciones. Es, en términos muy, muy simples, como tener un solo telescopio del tamaño de la Tierra.
"Lo que realmente nos sorprendió fue que, si bien los anillos anidados son casi imperceptibles a simple vista en las imágenes, incluso imágenes perfectas, son señales fuertes y claras para conjuntos de telescopios llamados interferómetros". Johnson dijo.
"Si bien la captura de imágenes de agujeros negros normalmente requiere muchos telescopios distribuidos, los subenganches son perfectos para estudiar usando solo dos telescopios que están muy separados. Agregar un telescopio espacial al Telescopio Event Horizon sería suficiente".
(NASA / Xander89 / Wikimedia Commons, CC BY 3.0)
Poner un telescopio en órbita terrestre baja es un gran comienzo, pero solo nos dará una imagen clara de uno de los anillos.
Para detectar el segundo anillo, tendrías que ir un poco más allá de la órbita terrestre baja, colocando un telescopio en la Luna. Y para el tercero, aún más lejos, más allá de la Luna en una posición estable creada por la interacción gravitacional Sol-Tierra llamada Punto de Lagrange, L2 en el diagrama de arriba.
Ninguno de estos es inviable. La NASA está planeando una misión tripulada a la Luna. Y ya tenemos varios satélites sentados en L2. Obviamente, no sucedería mañana, pero es un objetivo emocionante trabajar para la próxima generación del Telescopio Event Horizon.
La investigación ha sido publicada en Avances científicos.