Un agujero negro que rota al 92% de la velocidad máxima posible

En 1974 el físico teórico Kip Thorne (Premio Nobel en 2017) calculó que un agujero negro en rotación con un disco de acreción puede alcanzar como mucho el 99.8% de su velocidad máxima. Se acaba de publicar en The Astrophysical Journal que el agujero negro en el sistema binario 4U 1630–47 alcanza una velocidad de rotación del (92 ± 4)% del valor máximo. Este número se estima al ajustar con un modelo teórico las observaciones de rayos X realizadas durante el brote de 2016 gracias a los telescopios espaciales AstroSat, Chandra y MAXI. Hasta donde me consta se trata del agujero negro de tipo Kerr cuyo momento angular es mayor entre todos los observados hasta ahora.

Por cierto, el agujero negro Gargantúa que se puede disfrutar en la película Interstellar (2014) de Christopher Nolan rota con un momento angular del 60% del valor máximo. Las imágenes calculadas por el software DNGR (Double Negative Gravitational Renderer) para un valor del 99.9% no gustaron al director. Sin embargo, para que en la superficie del planeta Miller una hora corresponda a siete años lejos de Gargantúa se requiere un valor del 99.999 999 999 999% del valor máximo. Kip Thorne aceptó a regañadientes que en el guión de la película la dilatación temporal fuera tan extrema, a pesar de que se requería superar el límite que él mismo obtuvo en 1974, pues era la única manera de que el padre y la hija se reunieran cuando ella ya era muy anciana.

El nuevo artículo es Mayukh Pahari, Sudip Bhattacharyya, …, Norbert S. Schulz, “AstroSat and Chandra View of the High Soft State of 4U 1630–47 (4U 1630–472): Evidence of the Disk Wind and a Rapidly Spinning Black Hole,” The Astrophysical Journal 867: 86 (02 Nov 2018), doi: 10.3847/1538-4357/aae53barXiv:1810.01275 [astro-ph.HE].

La velocidad de rotación de un agujero negro se mide con el llamado parámetro de espín a = c J/(G M²), donde J es el momento angular, M es la masa, G es la constante de gravitación universal y c es la velocidad de la luz en el vacío; nota que a es adimensional ya que [m/s][kg m²/s]/([m³/(kg s²)] [kg²]. Este parámetro se encuentra entre 0 ≤ a ≤ 1, siendo un agujero negro extremal el que alcanza a = 1. Los agujeros negros en rotación se observan en sistemas binarios gracias a la emisión de rayos X de su disco de acreción (materia que roban de la estrella compañera). El brote de 2006 de la binaria de rayos X llamada 4U 1630-47 se observó para energías por debajo de 10 keV (soft X-rays), resultando una señal nula para energías entre 15 y 50 keV (hard X-rays). La ausencia de detección del brote en rayos X duros es clave para la estimación de la alta velocidad de rotación observada.

Se han usado modelos de Montecarlo para la simulación de la emisión del disco de acreción y la estimación de la velocidad de rotación del agujero negro. No se conoce su masa (pues aún no se ha observado su estrella compañera), pero se estima a partir de las emisiones en rayos X de su disco de acreción que ronda 10 ± 0.1 masas solares. Por supuesto, el resultado para el parámetro a depende de los datos observacionales que se ajusten (esta figura muestra las tres distribuciones de probabilidad obtenidas); el valor de consenso es a = 0.92 ± 0.04 a tres sigmas (99.7% de intervalo confianza). En cualquier caso, parece claro que el valor es superior al 88%, lo implica que la nueva observación constituye el récord actual.



8 Comentarios

  1. “Por cierto, el agujero negro Gargantúa que se puede disfrutar en la película Interstellar (2014) de Christopher Nolan rota con un momento angular del 60% del valor máximo. Las imágenes calculadas por el software DNGR (Double Negative Gravitational Renderer) para un valor del 99.9% no gustaron al director. Sin embargo, para que en la superficie del planeta Miller una hora corresponda a siete años lejos de Gargantúa se requiere un valor del 99.999 999 999 999% del valor máximo”

    Si para que ambos se reencuentren siendo ella anciana, el valor tenía que ser de 99.99…%, ¿a qué te refieres cuando dices que rota con con un 60% del valor máximo? lo entiendo como una contradicción.
    A parte de la dilatación temporal, qué otras consecuencias tiene este valor? me imagino que la fuerza de la gravedad, es así?

  2. Gracias por el interesante post.

    1) Me parece que hay una errata en el parámetro de Kerr en el cuarto párrafo, debería ser a =(cJ/G(M^2)) en lugar de a = JM/c.

    2) Una observación nerd que me recordó la palabra “extremal” es que un agujero negro extremal de Kerr es “holográficamente” equivalente a una CFT quiral con carga central c dada por c = 12J (en unidades de Planck). Se puede leer en el abstract de este artículo clásico: https://arxiv.org/abs/0809.4266 ; evidentemente este resultado vale para un agujero negro con a=1 sobre un fondo AdS vacío (y de cinco dimensiones), pero puede ser divertido ver el orden de magnitud de la carga central que arroja el cálculo.

    Asumiendo que el sistema 4U 1630–47 tiene diez masas solares y a = .92 para el mismo se puede obtener que J = 2.88×10^77 (en unidades de Planck) y que la carga central sería c = 3.78×10^78.

    Sólo una curiosidad sin moraleja.

    1. Bryan, el planeta Miller no podría haber estando tan cerca, luego cambiaría completamente toda su geofísica; además, la dilatación del tiempo en dicho planeta hubiera sido mucho menor, una hora en su superficie habría sido como una hora y pico en la Tierra, con lo que Cooper nunca hubiera conocido a su hija anciana; etc. Habría que haber cambiado el guión completamente.

  3. Hola. Perdón por plantear aquí una cuestión tan elemental (la verdad es que me da un poco de vergüenza preguntarlo). No entiendo por qué nada puede escapar de un agujero negro. Se dice que es porque hay que alcanzar una velocidad superior a la de la luz para hacerlo y nada en el universo puede alcanzarla. Pero, ¿no se puede abandonar un cuerpo a cualquier velocidad? Cuando se habla de velocidad de escape, yo siempre he entendido que basta con alcanzar esa velocidad para poder escapar de la influencia gravitatoria del cuerpo y ya no hay que aplicar más fuerza, pero que eso no significa que no se pueda abandonar a una velocidad menor, aplicando, por ejemplo, una fuerza constante durante un gran intervalo de tiempo. Se podría imaginar, tal vez, una escalera de enorme longitud y de un material fantástico que fuera desde el suelo hasta un montón de miles de kilómetros más allá de la Tierra. En teoría, cualquier persona equipada con oxígeno, víveres y tal, podría subirla poquito a poquito, aplicando fuerza al subir cada peldaño (que sería un poquito menor cada vez, ya que la intensidad del campo gravitatorio disminuiría al aumentar la distancia a la superficie).
    A lo mejor lo que se quiere decir es que, espontáneamente, ningún objeto dejado caer a un agujero negro, puede escapar por sus propios medios. Pero tal vez se podría especular que algún hipotético y exótico fenómeno cuántico en el interior del agujero lanzara una especie de chorro o rayo hacia fuera que pudiera empujar al objeto que cae y alejarlo del agujero. Si la fuerza que ejerciera ese chorro fuera prolongada en el tiempo, podría conseguir que el objeto cruzara hacia afuera el horizonte de sucesos, aunque nunca se superase la velocidad de la luz, ¿no?

    1. Antonio pregunta: ¿no se puede abandonar un cuerpo a cualquier velocidad? No, no se puede. Hay una velocidad máxima que es inalcanzable para un cuerpo con masa que coincide con la velocidad de la luz en el vacío (porque las partículas de luz no tienen masa).

      “Algún hipotético y exótico fenómeno cuántico …” La radiación de Hawking es una emisión de radiación por parte del agujero negro que esta caliente a cierta temperatura (demasiado pequeña para ser medida). Pero no es correcto interpretarla como que “algo” escapa del interior del agujero lanzara. Si te interesa el tema en este blog tienes muchas explicaciones de esta hipotética radiación cuántica descubierta por Hawking.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 11 noviembre, 2018
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