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

Los telescopios en órbita pueden ayudarnos a imaginar agujeros negros como nunca antes.

Shepherd Doleman tardó casi diez años en lograr lo imposible. Como director del Event Horizon Telescope (EHT), un proyecto que involucra a una comunidad internacional de cientos de investigadores, viajó durante años en maletas llenas de discos duros de todo el mundo para coordinar las observaciones entre radiotelescopios en cuatro continentes, incluida la Antártida. El 9 de abril de 2019, la cooperación finalmente trajo los frutos de su trabajo, y el mundo miró la primera imagen de un agujero negro .

La hazaña, que James Bardin, pionero y teórico del agujero negro, calificó de desesperada en 1973, fue un logro excepcional de la tecnología astronómica. Pero tan pronto como se completó el procesamiento de datos y se derramó el champán, la colaboración de EHT en cierto sentido se convirtió en un perro que atrapó un automóvil. "Todos se sorprendieron al recibir un tiro tan bueno tan rápido", dice Andrew Strominger, físico teórico de la Universidad de Harvard. “Shepard y Michael [Johnson, astrofísico de Harvard-Smithsonian y coordinador de EHT], me preguntaron sobre esto. “¿Qué haremos con esto? Tomamos una foto, ¿y ahora qué?

Ahora Strominger y un equipo interdisciplinario de investigadores, incluidos teóricos, experimentadores y un filósofo, han regresado con la respuesta salvaje que apareció la semana pasada en Science Advances. Con acceso a un telescopio bastante remoto, la colaboración EHT podría distinguir múltiples reflejos de luz que fluye alrededor de un agujero negro. Al analizar los patrones exactos en estos rayos enredados, los astrónomos podían medir directamente las propiedades básicas de los agujeros negros y probar la teoría de la gravedad de Einstein como nunca antes. De hecho, esperan que los agujeros negros se parezcan más a estrellas y planetas: no solo objetos para el pensamiento, sino para la observación directa.

"Estos son objetos que para mí eran solo ecuaciones que intenté visualizar matemáticamente en mi mente", dijo Alex Lupsaska , un teórico de Harvard que trabajó en investigación. "Pero ahora tenemos sus fotos reales".

El equipo realizó cálculos con lápiz y papel, basados ​​en la teoría de la relatividad de Einstein y la simulación de una resolución sin precedentes, para analizar qué hacen los agujeros negros con la luz. ¡Atención, spoiler!: Sucedió algo extraño. "Los agujeros negros, son los mejores en todo lo que hacen", dice Lupsaska. Y eso incluye doblar los rayos de luz en bucles.

Como los objetos más densos que siguen las leyes de la física, los agujeros negros tienen una tremenda atracción cósmica, y los físicos saben desde hace mucho tiempo que el abismo está oculto en las envolturas de la luz. Donde la Tierra puede atraer un adoquín cósmico que pasa, empujándolo hacia varias órbitas antes de que vuele de regreso al espacio, los agujeros negros pueden capturar partículas de luz reales. Todo lo que se estrella contra un agujero negro queda atrapado en el interior para siempre, pero los fotones que se deslizan de cerca a lo largo del borde pueden hacer varias revoluciones alrededor del agujero negro. "Esta es la naturaleza distorsionada," gritando "del espacio-tiempo", dice Lupsaska.

Strominger, Lupsaska y sus colegas calcularon con precisión la estructura específica de la envoltura de luz y cómo se vería al observarla desde la Tierra.

Así es como funciona. Cuando los rayos de luz se acercan a un agujero negro, su gravedad aterradora los pone en órbita. Los rayos que pasan a cierta distancia dan media vuelta alrededor de un agujero negro antes de ir al espacio. Los rayos que se acercan un poco pueden hacer un círculo completo antes de regresar de donde vinieron. Los rayos que pasan más cerca aún pueden hacer una y dos vueltas, las otras dos vueltas y así sucesivamente. Cada uno de estos grupos interminables de rayos de luz puede formar una imagen (cuando golpean la cámara o el globo ocular), por lo que un agujero negro puede crear un número infinito de tales imágenes. Strominger compara este extraño efecto con la forma en que se pararía entre dos espejos en una tienda por departamentos y ver cómo sus reflejos se extienden más allá.

"En un mundo ideal con un telescopio perfecto, mirarías un agujero negro y verías no solo un número infinito de imágenes incrustadas en otras, sino todo el universo", dice.

Pero EHT, como todos los telescopios, no es perfecto. Esto ni siquiera es un telescopio, sino un interferómetro técnico. Los interferómetros funcionan comparando observaciones de un punto distante desde dos lugares diferentes. Cuanto más lejos estén los lugares entre sí, más sutiles serán las características del objeto que puedan atrapar. A medida que los reflejos sucesivos de los agujeros negros (que pueden aparecer como anillos para el observador) se vuelven cada vez más delgados, los astrónomos deben usar observatorios más distantes para verlos.

Para detectar anillos reflectantes, EHT tendrá que ir aún más lejos. Al final, los autores del estudio concluyen que la colaboración debería agregar un observatorio espacial a su red. Solo uno tiene que hacerlo. Un satélite que orbita la Tierra puede identificar claramente el primer anillo, o un vehículo que orbita la luna puede ver el segundo. Si pudieran llevar la nave espacial al lugar entre la Tierra y el Sol, conocido como el segundo punto de Lagrange (el destino del futuro telescopio espacial James Webb), podrían identificar los primeros tres anillos. Dicha misión puede costar varios cientos de millones de dólares, cara, pero no tanto como los proyectos científicos más grandes. "Esto es algo que algún día alguien hará", dice Lupsaska. "Es cuestión de tiempo".

Con este montón de dinero, los astrofísicos comprarán mucho conocimiento sobre el agujero negro. La observación de los anillos serviría inmediatamente como la primera prueba de la teoría general de la relatividad en un medio con una gravedad lo suficientemente fuerte como para doblar los rayos de luz en bucles completos. El estrechamiento de los anillos es muy preciso, por lo que cualquier desviación indicará que algo extraño está sucediendo. "No hay margen de maniobra", dice Lupsaska. "Vas allí y tomas una medida, y se ajusta a la teoría o no".

Un pequeño número de teóricos espera la destrucción de la teoría más exitosa de Einstein. Más bien, están más entusiasmados de que los anillos puedan demostrar la existencia de dos agujeros negros lo suficientemente cerca como para recibir la imagen de esta manera. Los astrónomos tienen varias formas de medir las propiedades básicas de un agujero negro, como su masa y rotación, pero tienen que hacer muchas suposiciones para investigar esto. El patrón de los anillos depende solo de un agujero negro, que no tiene nada que ver con el plasma luminoso y los desechos cercanos, por lo que tales observaciones podrían proporcionar a los físicos una forma más clara de responder a sus preguntas más básicas sobre estos objetos misteriosos.

Y este análisis es solo el comienzo. Después de que el trabajo se presentó el verano pasado (en anticipación de una evaluación experta), causó una ola de investigaciones posteriores, ya que los físicos tenían prisa por desarrollar esta teoría. "Se enfatiza que hay muchos detalles interesantes que aún no hemos explorado, y nos inspiraron a posibles nuevos estudios", dice Elizabeth Himwich , una estudiante graduada de Harvard que analizó cómo el tipo de luz alterna de un anillo a otro .

Lupsaska compara los esfuerzos que se realizarán en las etapas iniciales con el ejemplo de la biología. "Antes de querer entender cómo organizar el ADN y usar las repeticiones palindrómicas cortas en racimo para copiar y editar el ADN, primero vaya al bosque y especifique:" Este es un árbol, esta es una flor ", dice. "Es aquí donde estamos en el campo de la física en el estudio de los agujeros negros como ciencia experimental".