Agujeros Negros: la primera foto de una celebridad

Autor: 

Amanda Gómez
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16 Octubre 2020
| |
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Crédito de fotografía: 

tomada de Agencia SINC

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Por Amanda Gómez, estudiante de la Facultad de Biología de la Universidad de La Habana. Mención en el concurso de divulgación científica “Físicamente hablando”.

Agujeros Negros (AN), sin dudas los celebrity del mundo de la Astrofísica. Predichos por las ecuaciones del campo de Einstein y puestos de moda nuevamente por el genio de nuestros tiempos Stephen Hawking. Miles de artículos de una física intensa, apenas inescrutable para algunos pocos entendidos, dedicados a su estudio; miles y un poco más, de artículos divulgativos con el objetivo de hacerlos comprensibles para el público en general. Una de las fuentes de inspiración para las ideas inquietas de muchos escritores de ciencia ficción.

Cual sería entonces mi asombro, cuando en abril del año pasado se anunciaba la primera foto de estos celebrity. Como estudiante de biología mi conocimiento acerca estos objetos era el obtenido por mera curiosidad y los debates con mi novio, joven investigador del Instituto de Cibernética Matemática y Física (ICIMAF), donde existe un grupo dedicado a la investigación de objetos compactos. Lo que aprendí acerca de esta famosa fotografía es el tema central de este pequeño artículo que he tratado de redactar en el lenguaje más sencillo posible, pues así lo aprendí yo.

 

¿Qué es un Agujero Negro?

Los agujeros negros son objetos estelares de una gran masa, tanta que estos curvan el espacio tiempo produciendo una singularidad que se encuentra envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de eventos, de donde ni la luz puede escapar.

Para visualizarlo podemos pensar en esos sofás supercómodos que tenemos en algunas casas en los cuales te sientas y se hunden a tu alrededor haciendo de tu estancia allí algo agradable. Si en ellos se sienta el niño, este se hunde un poco, pero si se sienta la abuela, probablemente cualquier cosa que haya a su alrededor terminara irremediablemente debajo de ella debido a lo mucho que se deforma la superficie del sofá. Pues así mismo pasa con el espacio tiempo, que viene siendo la superficie del sofá, mientras que los AN digamos que son los más gorditos de la familia estelar.

Al no poder escapar ni la luz, los agujeros negros no pueden ser observados de manera directa sino por sus efectos sobre el entorno que los rodea. Así, por ejemplo, lo que podremos ver serán los fotones que pasan cerca, pero no lo suficiente como para caer dentro de estos; entonces orbitan (le dan la vuelta) durante un tiempo formando algo llamado fotoesfera (veríamos una sombra rodeada de una corona de luz). Con todo ello y mucho más, todos los científicos coincidían entonces en que ver una AN era fundamental.

Al fin la foto

La cámara

Figura 1: Distribución de los observatorios que forman parte del proyecto EHT

Resulta ser que esta primera foto fue lograda utilizando una técnica llamada Very Long Baseline Interferometry (VLBI) [1], que en español sería Interferometría de muy Larga Base. Ese método consiste en la sincronización de un gran número de radiotelescopios (esas antenas gigantes con forma parabólica que vemos en muchas películas donde los extraterrestres nos invaden) distribuidos en distintas partes de la Tierra (Figura 1), para utilizarlos luego, como un único radiointerferómetro (1).

Cada observatorio que forma parte del proyecto Event Horizon Telescope (EHT) estuvo destinado a “fotografiar’’ (2) durante cinco noches del 2017 el objeto en cuestión, que dicho sea de paso fue el agujero negro supermasivo M87* que se encuentra en el centro de la galaxia Messier a 53,3 millones de años luz de la tierra.

El procesamiento de los datos tomo más de un año y una gran cantidad de recursos tecnológicos; solo para tener una idea, los datos en conjuntos supusieron cinco petabaytes de información que fueron transportados en un avión, (pudiéramos decir que utilizaron el sistema cubano del “paquete’’ para la transferencia de información, aunque si fuéramos a depositar dicha información en discos duros de un TB de los que acostumbramos a tener en nuestras casas para copiar series y películas, tendríamos que llevar nada más y nada menos que cinco mil de estos.)

El sospechoso

Durante dicho periodo estos datos pasaron por avanzados softwares con las más diversas funciones [2], encargados de formar posteriormente la ya conocida imagen (Figura 2).

Pero, ¿cómo sabían los científicos que esta fotografía era un agujero negro si nunca lo habían visto? Ahí radica lo hermoso y genial de esta historia, pues realmente ellos no lo sabían, pero sí conocían mucha física detrás de estos objetos, la cual utilizaron para hacer una base de datos con las imágenes producida por simulaciones de magnetohidrodinámica relativista (3).

Pensémoslo de esta forma: imaginemos que, de pronto, por los azares de la vida, se busca un grupo de personas por robar una gran suma de dinero del banco central. La policía no tiene ninguna imagen de estos ladrones, pero muchas personas estaban presentes durante la fechoría y realizan un retrato hablado de los personajes. Por esos días conocemos un nuevo vecino, que nos resulta muy sospechoso y como somos buenos ciudadanos queremos saber si este es uno de los ladrones, así que, sin que se entere, tomamos nuestra cámara y le hacemos una fotografía. Luego llamamos a la policía compara nuestra foto con alguno de los retratos hablados que tiene en su poder y así, si la foto se parece mucho a alguno de los retratos, podrá saberse si se trata de uno de los ladrones y cuál de ellos es. Pues en esto mismo consistió el análisis de los datos, solo que el sospechoso era un agujero negro, los encargados de realizar el retrato, los astrofísicos y la cámara el EHT.

La Banda

Existen “retratos’’ de cuatro tipos fundamentales de agujeros negros, debido a un teorema muy gracioso, conocido como “teorema de no pelo’’, el cual básicamente dice que los AN son calvos, bueno más bien que solo poseen tres “pelos’’ u observables que lo determinan de manera externa: la masa (M), la carga (Q) y el momento angular (J) (si rotan o no). Es decir, que cualquier AN que exista quedará determinado por la configuración de estas tres características.

Es válido también decir que en los últimos años han aparecido varios retratos alternativos acerca de los agujeros negros en su forma clásica, uno de los más destacados y para el cual nuestro país cuenta con un pequeño grupo de investigación es el de los Gravastars, objetos casi idénticos observacionalmente a los AN pero con una física de su composición interna bastante diferente.

A pesar de la resolución y de los estudios realizados por el EHT, uno de los modelos que no se logró descartar fue el de los Gravastars, los cuales aún se mantienen, por lo tanto, como candidato a ser el causante de dicha imagen, (es decir pudiera ser el hermano gemelo del AN).

Conclusiones de la ¨policía¨

Las conclusiones de los científicos fueron que efectivamente se trataba de nuestra “banda’’ de agujeros negros y que además era el miembro denominado Agujero Negro de Kerr, aunque dejando abierta la posibilidad para la existencia de algunos objetos de naturalezas extrañas (o mejor dicho menos extrañas) como los Gravastars.

Para poder distinguir entre uno u otro será necesario un aumento del poder resolutivo del EHT, que se prevé lograr en próximos experimentos. ¿Cuán parecida era la imagen al “retrato’’? Solo para que se hagan una idea, en la figura 2 aparece dicha fotografía junto al retrato. Podría usted decir cuál es cada una sin leer el pie de imagen?

 

Este pequeño artículo es gracias a la ayuda del departamento de física teórica del ICIMAF. En especial al Dr. Alejandro Cabo Montes de Oca y el Lic. Duvier Suárez Fontanella, quienes trabajan en un modelo para estos objetos, denominado Gravastars Dinámicos y a la Dra. Aurora Pérez por sus amables correcciones.

Citas bibliográficas

(1) Usan el fenómeno de la interferencia de la señales provenientes de los diferentes radiotelescopios para aumentar la resolución.

(2) Fotografiar, pero no en el sentido clásico, ya que el espectro detectado no se encuentra en la región de ondas de radio, de ahí el prefijo radio para estos telescopios.

(3) Rama de la física encargada estudiar ciertas propiedades dinámicas del plasma en las estrellas y otros cuerpos celestes.

Referencias

[1] The Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole. The Astrophysical Journal Letters

[2] The Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. III. Data Processing and Calibration. The Astrophysical Journal Letters


 

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