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¿Cómo capturamos imágenes de agujeros negros?

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Los agujeros negros son sin duda uno de los fenómenos más asombrosos e inspiradores del Universo. También hay uno de los más misteriosos, dado que los científicos no pueden estudiarlos en el sentido convencional. Son tan esquivos que los astrónomos y los astrofísicos solo los han estado estudiando durante aproximadamente medio siglo.

De hecho, los científicos descubrieron por primera vez teóricamente la posible existencia de agujeros negros, gracias a Albert Einstein y sus teorías sobre la gravedad. No fue hasta varias décadas que su presencia se confirmó gracias a la invención de telescopios que podían discernir objetos a miles de millones de años luz de distancia.

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Y, sin embargo, los científicos aún no han logrado capturar una imagen directa de un agujero negro. Al igual que los planetas extrasolares y la Vía Láctea, cada imagen que haya visto de un agujero negro es una ilustración basada en lo que científicospensar parecen.

Entonces, ¿cómo los encontramos? ¿Cómo los estudiamos? Cuando las primeras imágenes de un agujero negro se revelaron por primera vez el 10 de abril de 2019, ¿cómo supimos que estaba allí? Todas estas preguntas requieren un poco de retrospectiva, así como una recapitulación de algunos principios fundamentales.

¿Qué son los agujeros negros?

En pocas palabras, los agujeros negros son el resultado de un colapso gravitacional de estrellas suficientemente masivas al final de su ciclo de vida. Mucho después de que la estrella haya agotado lo último de su combustible de hidrógeno y se haya expandido a varias veces su tamaño estándar (lo que se conoce como la fase de la Rama del Gigante Rojo), volará sus capas externas en una espectacular explosión conocida como supernova.

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En el caso de las estrellas de menor masa, esta explosión dejará un remanente estelar superdenso conocido como estrella de neutrones (también conocida como enana blanca). Pero en lo que respecta a estrellas más masivas, el colapso y la explosión dejarán una masa compacta que es capaz de deformar el espacio-tiempo a su alrededor.

El campo gravitacional de un agujero negro es tan fuerte que nada, ni siquiera las partículas subatómicas o la radiación electromagnética (es decir, la luz), puede escapar de él. El límite exterior del agujero negro, el punto desde el que no hay retorno, se conoce como Horizonte de sucesos.

Es este límite donde retrocede una estrella que colapsa; en ese momento, el tiempo se detiene y el objeto que colapsa ya no puede colapsar. Más allá de este punto, la fuerza gravitacional de un agujero negro es la misma que la de un objeto de masa comparable y todavía se puede observar materia y energía.

Pero dentro del Horizonte de sucesos, nada puede escapar y nada se puede observar. Todo lo que pase dentro de este límite (materia o energía) será materia comprimida, región infinitamente densa del espacio-tiempo conocida como singularidad.

Hablando de eso, los científicos también teorizan que esto es lo que se encuentra en el centro de un agujero negro. También conocida como singularidad gravitacional, es en esta región donde la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita. En otras palabras, es dentro de una singularidad donde las leyes normales de la física se vuelven indistinguibles entre sí, y el tiempo y el espacio dejan de tener significado.

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Los agujeros negros también varían en tamaño. Mientras que sus estrellas más masivas crearon "agujeros negros estelares", que pueden oscilar entre diez y 100 masas solares, también hay otras más grandes que son el resultado de fusiones. Estas fusiones producen ondas gravitacionales, que también predijo la Relatividad General, que hacen que el espacio-tiempo se ondule.

Los científicos solo recientemente comenzaron a ser capaces de detectar estas ondas gracias a instalaciones como el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO), que consta de dos instalaciones ubicadas en Hanford, Washington, y Livingston, Louisiana; el observatorio Virgo cerca de la ciudad de Pisa, Italia; y el detector de ondas gravitacionales Kamioka (KAGRA), que pronto se completará en Japón.

Se cree que este proceso de fusión ha creado los agujeros negros supermasivos (SMBH) que existen en el centro de la mayoría (si no todas) de las galaxias espirales y elípticas. ¡Y cuando ocurren fusiones galácticas, estas SMBHs también se unen y se vuelven aún más grandes!

El SMBH más cercano se conoce como Sagitario A *, que se encuentra a unos 26.000 años luz de nuestro Sistema Solar en el centro de nuestra galaxia, cerca del límite de las constelaciones de Sagitario y Escorpio. Este SMBH tiene una masa equivalente a aproximadamente 4 millones de soles y es uno de los pocos agujeros negros lo suficientemente cerca como para que los astrónomos observen el flujo de materia cercano.

Clasificación de agujeros negros:

Los agujeros negros se caracterizan en función de tres parámetros: masa, rotación y carga. Basándose en estas características, los científicos han identificado cuatro tipos diferentes de agujeros negros. Primero, tienes Agujeros negros primordiales (PBH), que tienen menos de una décima de milímetro de diámetro y tienen aproximadamente la misma masa que el planeta Tierra.

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Se trata de una clase puramente hipotética de agujeros negros que se cree que se formaron a través de parches de sobredensidad poco después del Big Bang. Según una teoría presentada por Stephen Hawking en 1972, estos agujeros negros podrían ser responsables de la "masa perdida" del Universo (también conocida como Materia Oscura), aunque esta teoría ha sido probada recientemente con resultados negativos.

Segundo, hay Agujeros negros de masa estelar, que varían en masa de aproximadamente 4 a 15 masas solares y son el resultado de una estrella masiva que sufre un colapso del núcleo al final de su vida útil. Tercero, tienes Agujeros negros de masa intermedia de unos pocos miles de masas solares y se cree que creen en cúmulos estelares.

Por último, tienes el mencionado Agujeros negros supermasivos (SMBH), que existen en los centros de la mayoría de las galaxias grandes y varían desde millones hasta miles de millones de masas solares (dependiendo del tamaño de la galaxia). Alternativamente, los agujeros negros pueden clasificarse por las propiedades de rotación y carga, de las cuales surgen tres categorías.

Primero, hay un Agujero negro de Schwarzschild (también conocido como "agujero negro estático") que no gira, no tiene carga eléctrica y se caracteriza únicamente por su masa. También hay un Agujero negro de Kerr es un escenario más realista, que es un agujero negro giratorio sin carga eléctrica.

Por último, hay un Agujero negro cargado, que puede ser un agujero negro cargado y no giratorio (también conocido como un agujero negro Reissner-Nordstrom) y un agujero negro cargado y giratorio (un agujero negro Kerr-Newman).

Historia de estudio:

La existencia de agujeros negros fue predicha por la Teoría de la Relatividad General de Einstein, que establece que la curvatura del espacio-tiempo se distorsiona en presencia de campos gravitacionales. Con el tiempo, los astrónomos y científicos ampliarían sus ecuaciones de campo, lo que llevaría a la teoría de los agujeros negros.

El primero fue Karl Schwarzschild (1873-1916), un astrónomo alemán que utilizó la teoría de la relatividad general de Einstein para determinar que la materia comprimida hasta un punto de singularidad estaría rodeada por una región esférica del espacio de la que nada podría escapar, es decir, el Evento. Horizonte.

A Schwarzschild también se le atribuye el mérito de determinar el radio en el que la materia comprimida formaría un agujero negro poco antes de su muerte en 1916. Esto se conoce como el radio de Schwarzschild (o radio gravitacional), que describe un punto donde la masa de una esfera está tan comprimida que la velocidad de escape de la superficie sería igual a la velocidad de la luz.

Esto fue seguido en 1931 por el astrofísico indio-estadounidense Subrahmanyan Chandrasekhar calculando la masa máxima que puede tener una enana blanca / estrella de neutrones antes de colapsar en un agujero negro. Esto se conoce como el límite de Chandrasekhar, que determinó que era de aproximadamente 1,4 masas solares.

Ese mismo año, el físico y radioastronómico Karl Jansky, considerado por muchos como el "padre de la radioastronomía", descubrió una señal de radio proveniente del centro de la Vía Láctea en dirección a la constelación de Sagitario. Más tarde se determinaría que esta fuente de radio era el SMBH conocido como Sagittarius A *.

En 1939, Robert Oppenheimer y otros coincidieron con el análisis de Chandrasekhar y teorizaron que dentro de los límites del radio de Schwarzschild había una burbuja en la que el tiempo se detuvo. Para el observador externo, la estrella parecería congelada en el tiempo en el instante del colapso, pero un observador atrapado dentro del Horizonte de eventos tendría una perspectiva completamente diferente.

En la década de 1960, comenzó la "Edad de oro de la relatividad general", que se caracterizó por la relatividad general y los agujeros negros que se convirtieron en temas de investigación principales, en lugar de curiosidades teóricas. Los descubrimientos fundamentales incluyeron el descubrimiento de púlsares por Jocelyn Bell Burnell en 1967, que se demostró que eran estrellas de neutrones que giraban rápidamente en 1969.

También fue durante la década de 1960 cuando el término "agujero negro" fue acuñado oficialmente por el físico Robert H. Dicke, quien presuntamente comparó el fenómeno con el Agujero Negro de Calcuta, una famosa prisión en India de la que se dice que nadie ha regresado.

También fue durante este tiempo cuando se encontraron soluciones más generales a los problemas teóricos que surgen de los agujeros negros. Estos incluían soluciones matemáticas para agujeros negros rotativos, agujeros negros rotativos y cargados eléctricamente y agujeros negros estacionarios.

En la década de 1970, el trabajo de Stephen Hawking y otros astrofísicos teóricos condujo a la formulación de la termodinámica de los agujeros negros. Al igual que la termodinámica regular, estas leyes describen la relación entre masa y energía, área y entropía, y gravedad y temperatura de la superficie.

En 1974, Hawking demostró que la teoría cuántica de campos predice que los agujeros negros irradian como un cuerpo negro donde las temperaturas son proporcionales a la gravedad de la superficie del agujero negro. Este fenómeno en el que los agujeros negros emiten radiación en forma de partículas exóticas ha llegado a conocerse como "radiación de Hawking".

Esta teoría dio lugar a la "paradoja de la información del agujero negro". De acuerdo con la teoría clásica de la relatividad general, una vez que se crea un agujero negro, nunca desaparecerá, y cualquier cosa que entre en él verá su información cuántica preservada para siempre.

Sin embargo, la teoría de Hawking predijo que los agujeros negros perderán masa lentamente al emitir radiación con el tiempo y eventualmente se evaporarán, aunque esto sucedería en escalas de tiempo increíblemente largas incluso para los agujeros negros de una sola masa solar. Hasta la fecha, todos los intentos de detectar la radiación de Hawking no han logrado producir resultados verificables.

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En 1974, los astrónomos del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) confirmaron la existencia de Sagitario A *, cuyo nombre fue acuñado por un miembro del equipo de descubrimiento (Robert Brown) en un estudio de 1982 que describe el descubrimiento.

¿Cómo detectamos los agujeros negros ?:

En pocas palabras, no lo hacemos. Dado que los agujeros negros no reflejan ninguna energía y nada (ni siquiera la luz) puede escapar de ellos, son a todos los efectos invisibles. Sin embargo, durante muchas décadas, los científicos han podido inferir su presencia basándose en la influencia que ejercen sobre el Universo circundante.

Estos incluyen la influencia gravitacional que tienen los agujeros negros en las estrellas y los objetos celestes cercanos, que se hace evidente por los movimientos de los objetos cercanos que los orbitan. Por ejemplo, desde 1995, los astrónomos han seguido los movimientos de 90 estrellas que orbitan alrededor de Sagitario A *.

Basándose en sus órbitas, los astrónomos pudieron inferir que Sagitario A * tenía una masa de al menos 2,6 millones de masas solares, que luego refinaron a 4,3 millones dentro de un volumen de espacio que mide menos de 0,002 años luz de diámetro. Una de estas estrellas, llamada S2, ha completado una órbita completa y sus movimientos se han utilizado para probar la relatividad general.

También están los fenómenos de alta energía asociados con los agujeros negros, como las emisiones de alta energía en las longitudes de onda ultravioleta, de rayos X y de rayos gamma y los chorros relativistas. Básicamente, cuando la materia entra en órbita alrededor de un agujero negro, forma un disco de acreción alrededor del agujero negro.

La poderosa atracción gravitacional del agujero negro imparte energía a este disco, lo que hace que gire rápidamente y se caliente por la fricción. Esto hace que la materia en el disco emita energía en forma de radiación electromagnética en múltiples longitudes de onda.

Algunos discos de acreción se han vuelto tan brillantes increíblemente brillantes que eclipsan los miles de millones de estrellas que albergan sus galaxias. Las galaxias que tienen discos particularmente brillantes se conocen como galaxias de núcleo galáctico activo (AGN), donde sus centros son mucho más brillantes que el resto de la galaxia.

También se sabe que los SMBH que giran rápidamente emiten energía en forma de chorros relativistas. Esto es lo que sucede cuando el gas caliente y energizado es enfocado por líneas de campo magnético y se dispara desde los polos, y a velocidades que son una fracción de la velocidad de la luz.

El estudio de estos chorros no solo permite a los astrónomos discernir la presencia de un agujero negro, la forma en que cambian de dirección revela cosas sobre la rotación de los mismos agujeros negros (como la orientación y el tamaño de sus discos giratorios). Debido a que los chorros son tan grandes, también son relativamente fáciles de detectar en el cosmos.

De hecho, los astrónomos han observado estos chorros provenientes de los centros de varias galaxias masivas, lo que es una indicación de un SMBH. Estos chorros también permiten a los astrónomos identificar qué galaxias tienen un AGN y cuáles no.

Las tecnologías que permiten esto incluyen instrumentos y telescopios altamente sensibles que son capaces de tomar imágenes de nuestro Universo en las partes visibles y no visibles del espectro. Estos incluyen instrumentos ópticos, infrarrojos, ultravioleta, radio, rayos X y rayos gamma y telescopios espaciales.

Algunos ejemplos de nota incluyen telescopio espacial Hubble, que ha proporcionado imágenes notables y de alta resolución de nuestro Universo, algunas de las cuales se utilizaron para determinar la presencia de agujeros negros. Luego esta el Telescopio espacial Spitzer, El principal telescopio espacial infrarrojo de la NASA.

Entonces tienes el Explorador de Galaxy Evolution (GALEX), que observa el Universo en el extremo ultravioleta del espectro; el Radio Observatorio de Arecibo y el Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), que realizan radioastronomía; y el Observatorio de rayos X Chandra, Observatorio de rayos X XMM Newton, la Telescopio espacial de rayos gamma Fermi y el Observatorio Swift de Neil Gehrels.

Retos principales:

Como se ha señalado, los agujeros negros son indetectables en luz visible, lo que dificulta su localización con ópticas convencionales. Esto requiere que los astrónomos busquen la influencia que tiene la poderosa gravedad de un agujero negro en el entorno cósmico circundante y la energía que libera.

Naturalmente, esto requiere grandes telescopios equipados con ópticas e instrumentos sofisticados, sin mencionar una gran potencia de cálculo para procesar las imágenes. Además, la distorsión atmosférica es un problema, que requiere que los telescopios vengan con óptica adaptativa o se coloquen en órbita.

Otro método se conoce como interferometría, en el que dos o más fuentes de luz se combinan para crear un patrón de interferencia que luego se mide y analiza. Estos patrones contienen información vital sobre el objeto o fenómeno que se está estudiando y pueden alcanzar un nivel de precisión que sería imposible de otra manera.

El único problema es que se han observado fenómenos similares alrededor de otros tipos de objetos compactos, como estrellas de neutrones, púlsares y enanas blancas. Como resultado, los astrónomos necesitan observar de cerca los discos de acreción, las fuentes de energía y los objetos cercanos para calcular la masa del objeto que los afecta.

En resumen, para encontrar y estudiar agujeros negros, se necesitan instrumentos sofisticados, métodos probados y mucho trabajo duro. Afortunadamente, los instrumentos de próxima generación están comenzando a funcionar y están facilitando el trabajo. Uno de los cuales es el Event Horizon Telescope (EHT).

El telescopio Event Horizon:

El EHT es un proyecto internacional que aprovecha los avances recientes en astronomía para crear un enorme "telescopio virtual". Esto implica combinar datos de una red global de antenas de radio y varias estaciones de interferometría de línea de base muy larga (VLBI) en todo el mundo.

El EHT tiene como objetivo observar el entorno inmediato alrededor de Sagitario A *, así como el SMBH aún más grande en el centro de Messier 87 (también conocido como Virgo A). Esta galaxia elíptica supergigante tiene muchas veces el tamaño de la Vía Láctea y se encuentra a unos 54 millones de años luz de la Tierra en la constelación de Virgo.

El EHT recogerá luz de estas SMBHs apoyándose en las decenas de observatorios que participan en el proyecto. Una vez que se recopila esta luz, los datos se combinarán y procesarán utilizando algoritmos de imágenes que llenarán los vacíos faltantes en los datos, lo que permitirá al equipo del proyecto reconstruir una imagen del horizonte de eventos del agujero negro.

Al conectar antenas de radio en todo el mundo, los astrónomos han podido crear un interferómetro del tamaño de la Tierra capaz de medir el tamaño de las regiones de emisión de SMBH. El proyecto también aprovecha las instalaciones clave de longitud de onda milimétrica y submilimétrica en sitios de gran altitud.

El proyecto comenzó a recolectar luz en 2006 y ha agregado varios observatorios desde que comenzó. En la actualidad, vincula diez radiotelescopios y las respectivas instituciones que los operan, que incluyen:

  • Telescopio James Clerk Maxwell (JCMT) en el Observatorio Mauna Kea (CSO) en Hawai

  • Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (LMT) en el Volcán Sierra Negra, cerca de Veracruz, México

  • Matriz combinada para la investigación en astronomía de ondas milimétricas (CARMA) en el este de California

  • Los dos radiotelescopios del Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), ubicados al sur de Tucson, Arizona

  • Telescopio submilimétrico (SMT) del Radio Observatorio de Arizona (ARO) en el sur de Arizona

  • Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) del Observatorio Europeo Austral (ESO) en el norte de Chile

  • Telescopio de 30 metros en el sur de España y Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) en el sur de Francia, ambos operados por el Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM)

  • Telescopio del Polo Sur (SPT) en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur

En los próximos años, se agregarán dos matrices más: el Telescopio de Groenlandia, que es operado conjuntamente por el Observatorio Astrofísico Smithsonian y el Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica; y el Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) de IRAM en el sur de Francia.

Los datos recopilados por los observatorios participantes se cargan luego en discos duros y se transportan en avión al Observatorio MIT Haystack en Massachusetts, EE. UU., Y al Instituto Max Planck de Radioastronomía, Bonn, Alemania. Una vez allí, los datos son correlacionados y analizados por 800 computadoras que están conectadas a través de una red de 40 Gbit / s.

Si bien se esperaba que la primera imagen de Sagitario A * se produjera en abril de 2017, se retrasó debido a que el Telescopio del Polo Sur se cerró durante el invierno (abril a octubre). Esto retrasó el envío de datos hasta diciembre de 2017, lo que también retrasó el procesamiento. La primera imagen ahora está programada para su lanzamiento el 10 de abril de 2019.

Además de ser la primera imagen de un horizonte de eventos, esta imagen y otras similares también probarán la Teoría de la Relatividad General (GR) de Einstein en las circunstancias más extremas. Hasta ahora, la mayoría de los intentos de medir el efecto de la gravedad en la curvatura del espacio-tiempo han involucrado objetos más pequeños como el Sol y la Tierra (una excepción son las observaciones de la órbita de S2).

Pero con imágenes superiores de Sagittarius A * y SMBH de M87, los efectos observados de GR serán increíblemente profundos. Otros resultados anticipados incluyen una mayor comprensión de cómo la materia forma discos alrededor de los agujeros negros y se acumula en ellos, que es lo que les permite crecer.

Esto es necesario ya que los científicos aún no comprenden cómo la materia logra escapar del disco de escombros y cruzar el horizonte de eventos de un agujero negro. Con el tiempo, se entiende que a medida que la materia en los discos de acreción pierde energía, caerá en el horizonte de eventos del agujero negro.

Pero dado que los agujeros negros son masas tan compactas, la materia necesitaría ceder mucha energía para caer hasta el fondo. Además, se desconoce por qué la materia en un disco de escombros experimenta tal fricción cuando está tan diluida. Ergo, alguna otra fuerza física debe ser responsable de hacer que la materia se caliente en discos de escombros y se acumule en los agujeros negros.

Actualmente, la hipótesis principal es que los campos magnéticos giratorios crean algún tipo especial de turbulencia que hace que los átomos emitan energía de una manera consistente con la fricción. Hasta ahora, los científicos no han podido probar esta teoría de forma experimental; pero con el EHT, ¡finalmente lo harán!

Además, los científicos esperan saber por qué Sagitario A * es relativamente tenue en comparación con las SMBH observadas en otras galaxias. Una mejor comprensión de los mecanismos que alimentan los discos de desecho y hacen que las SMBH crezcan contribuirá en gran medida a responder esta pregunta.

Con la primera imagen del horizonte de sucesos y la "sombra" de Sagitario A *, que se presentó en las primeras horas de la mañana del miércoles de abril. Décimo: los científicos están en camino de lograr ese objetivo. Así es como la Dra. Erin Macdonald (la conductora de la serie en línea "La Dra. Erin Explica el Universo") resumió el logro:

"El principal logro científico de este descubrimiento hoy es que finalmente estamos viendo el horizonte de eventos de un agujero negro. Este es el momento justo antes de que la velocidad de escape sea tan grande, debido a la atracción gravitacional del agujero negro, que ni siquiera la luz Esto fue fotografiado usando un "telescopio" mundial: ocho radiotelescopios combinaron sus imágenes para poder ver una resolución y longitud de onda lo suficientemente buenas para capturar esta imagen.

"Este descubrimiento parece cumplir con las expectativas establecidas por las ecuaciones de Einstein para la relatividad general establecidas hace más de 100 años. Sus ecuaciones sentaron las bases para fenómenos teóricos como los agujeros negros y las ondas gravitacionales. En poco más de 100 años, la humanidad tomó estas ecuaciones y realizó observaciones sin descanso. de estos, con gran éxito.

"No solo es un logro científico maravilloso, sino un recordatorio de que se necesitó el trabajo de todo el mundo para lograr esta imagen. El estudio del espacio continúa uniendo al mundo y es una gran demostración de lo que la humanidad puede lograr cuando trabajamos juntos . "

En los próximos años, el equipo internacional detrás del EHT planea montar campañas de observación de resolución y sensibilidad cada vez mayores. Al hacerlo, esperan poder superar las barreras que nos impiden observar directamente uno de los fenómenos más poderosos y fascinantes del Universo.

  • NRAO - Agujeros negros
  • NASA - JWST: Ciencia
  • Wikipedia - Agujero negro
  • Event Horizon Telescope - Ciencia
  • NASA - Agujeros negros: según los números
  • Universidad Tecnológica de Swinburn - Agujero negro
  • NASA - Dirección de Misión Científica: Agujeros Negros
  • Observatorio de rayos X Chandra: ¿cómo podemos detectar agujeros negros?


Ver el vídeo: Agujeros negros pues también hay agujeros blancos (Mayo 2022).