¿Qué esperamos de la primera imagen del Event Horizon Telescope de un agujero negro supermasivo?

Por Francisco R. Villatoro, el 10 abril, 2019. Categoría(s): Astrofísica • Astronomía • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Recomendación • Relatividad • Science ✎ 24

Hoy, 10 de abril de 2019, a las 15:00 horas (Madrid), se anuncia un hito de la radioastronomía, la imagen de un agujero negro supermasivo obtenida por el Event Horizon Telescope (EHT) en abril de 2017. Se observaron dos agujeros negros supermasivos, Sagitario A* en el centro de la Vía Láctea, a 26 mil años luz y con 4 millones de masas solares, y M87* en el centro de M87 (Virgo A, NGC 4486), a 50 millones de años luz y con 6 mil millones de masas solares. Los rumores apuntan a que solo se mostrará una imagen de M87*, ya que los datos de Sgr A* aún no permiten obtener una imagen con buena calidad (se espera un segundo anuncio dentro de un año).

Te recuerdo que los horizontes de sucesos de ambos agujeros negros son de tamaño similar vistos desde la Tierra. Y que EHT es una red de ocho radiotelescopios que actúan al unísono logrando un tamaño efectivo similar a toda la Tierra, con lo que la imagen obtenida será muy diferente a lo que se vería con un telescopio óptico. Lo más interesante será la información que se obtenga sobre el origen del chorro relativista observado en M87. Aunque hay simulaciones por ordenador que nos permiten saber cómo se generan estos chorros, poder confirmar y/o matizar sus conclusiones con una observación es de gran relevancia científica.

Desde España recomiendo ver la emisión en directo de la rueda de prensa del CSIC (directo.csic.es). Más información en Davide Castelvecchi, “How to hunt for a black hole with a telescope the size of Earth,” Nature 543: 478-480 (23 Mar 2017), doi: 10.1038/543478a; Eric Mack, “First black hole image could change everything we know about the universe,” CNET, 09 Apr 2019; Nathaniel Scharping, “Here’s What Scientists Think Their First Picture of a Black Hole Might Look Like,” Discover Magazine, 03 Apr 2019; y muchas otras fuentes.

Lo más interesante de M87* es el chorro de plasma de alta energía que alcanza una distancia lineal de unos 5 mil años luz. La observación del entorno del horizonte de sucesos permitirá estudiar la fuente de este chorro (que se estima que ocupa un área con un radio de unos 5.5 ± 0.4 radios de Schwarzschild). De hecho, desde la Tierra solo vemos uno de los dos chorros con el Telescopio Espacial Hubble (HST) y se espera que la imagen del EHT muestre también la fuente del otro chorro que se emite en dirección opuesta. El estudio en detalle de la magnetohidrodinámica de estos chorros relativistas en el entorno del horizonte de sucesos de un agujero negro supermasivo permitirá confirmar nuestros modelos teóricos.

Se han realizado simulaciones por ordenador del entorno de un agujero negro supermasivo. Así se puede obtener una reconstrucción aproximada de la mejor imagen que se espera obtener mediante el EHT. Como puedes observar a la derecha, se observará un punto caliente, más o menos en forma de arco, que podría venir acompañado de un arco más frío y una región oscura central. Sin embargo, hasta que no se publique la imagen oficial hay que tener cuidado con estas reconstrucciones basadas en simulaciones por ordenador. Y, por supuesto, como ya he dicho, lo más interesante será lo que se observe en M87* más allá de los siete radios de Schwarzschild con información muy relevante sobre el origen de su chorro relativista.

Además de la fuente del rayo relativista, nos gustaría obtener alguna información sobre la esfera de fotones y los posibles objetos en la órbita estable más interior alrededor del horizonte de sucesos. Sin embargo, en mi opinión, esta información será muy parca, estando muy alejada de lo que nos muestran las simulaciones por ordenador y las recreaciones artísticas.

Una vez se publique la imagen oficial, pretendo escribir una entrada en este blog explicándola, pero no sé si podrá ser esta tarde… lo siento.



24 Comentarios

  1. Gracias por recopilar todo lo que se esta hablando en twetter sobre este tema, es mas fácil y práctico leerlo en tu blog.
    Aunque según parece esto de Naukas, a pesar de ser muy divulgativo y entretenido no llega a los milenians (oido en twetter).
    No entiendo lo de la “singularidad” del agujero negro, conozco el concepto corriente y físico de la palabra, pero se dice que tiene una masa infinita y si toda masa ocupa un lugar, el tamaño del agujero negro no es infinito, ¿o si?. Por otro lado se dice que no sirven las leyes de la física para explicarlo, ¿quiere decir que la física conocida no tiene respuesta para esa “singularidad” y que su concepto es inexplicable ?¿quiere decir esto que es necesaria otras leyes físicas para explicarlo?.
    He leído algo sobre los agujeros negros y por lo visto hay muchas teorías acerca de ellos, una de las que me llaman la atención es la de que se convierten en agujeros blancos en un plano inverso o en otro universo paralelo, que se escapa la materia como si existiera un agujero por el propio agujero negro, es más parece que no son infinitos en duración y que se acaban por disolver, creo que por la radiación de Hawking.
    ¿Es posible que la Física no pueda desentrañar las leyes que rigen los agujeros negros? ¿Sería necesaria otra percepción humana diferente para comprenderlos?

    1. No tiene masa infinita, ¿de donde sacas eso? Es la densidad y la graveded las que se dispara al concentrar energía en un volumen que tiende a 0. Por eso se dice “anujero negro con X millones de MASAS solares”, porque aunque es una masa grande, es finita.

      Eso quiere decir que con la relatividad general de Einstein no tenemos predictibilidad en ese punto (ni en otros similares). Lo que la sustituya (o mejor dicho “afine” puliendo algún detalle) seguramente tendrá que lidiar con el mundo cuántico y puede salvar esa falta de predictibilidad negando la mayor (y que no haya volumen “cero” y por tanto no haya singularidad, sino longitudes mínimas como la longitud de Planck), por poner un ejemplo…

    2. 1) El espacio-tiempo se deforma dentro del agujero negro, lo que implica que el tamaño que se mide desde fuera no es igual al hay dentro del agujero. Ya en la relatividad especial no solo el tiempo es relativo, también el tamaño es relativo.

      2) Para describir la física de la singularidad del agujero negro hay que considerar tanto la relatividad como la cuántica, pero tenemos el problema de que en la actualidad no existe dicha teoría. Se lleva intentando combinar relatividad general y cuántica desde hace casi 100 años, con pocos resultados hasta el momento.

      3) Considerar la masa como “objeto” es un concepto del siglo pasado. En la actualidad se considera que lo que existe realmente son campos que abarcan todo el espacio, y estos campos en puntos determinados se manifiestan como partículas. Por ejemplo, hay un único campo de electrones que abarca todo el universo, el cual en determinados puntos se manifiesta como electrones.

      4) Probablemente tanto el espacio como el tiempo estén cuantizados y no existan intervalos más pequeños que la longitud de planck y el tiempo de planck, con lo cual la densidad de materia, o mejor dicho de energía, no llegaría nunca a ser infinita.

      5) Los agujeros negros se supone que se evaporan muy muy muy lentamente debido a la radiación de hawkings, que es debida a efectos cuánticos.

      6) Los agujeros blancos y de gusano por el momento son una especulación, pero no están prohibidos por la relatividad general.

    3. Jodydito, dice: “no entiendo lo de la “singularidad” del agujero negro … se dice que tiene una masa infinita y … se dice que no sirven las leyes de la física para explicarlo”. Las teorías físicas se basan en ciertas hipótesis y donde fallan estas hipótesis decimos que aparece una singularidad matemática (no existen las singularidades físicas). Las ecuaciones de Navier-Stokes de los fluidos, las de la relatividad de Einstein y muchas otras presentan singularidades.

      Una singularidad nos muestra el fallo de nuestras hipótesis y la necesidad de ir más allá. Aparecen en toda la física. A veces sabemos ir más allá. Otras aún no lo sabemos. En gravitación aún no lo sabemos. Por ejemplo, el potencial eléctrico de una carga puntual (“electrón”) es infinito, una singularidad; pero ya sabemos que lidiar con ella gracias a la electrodinámica cuántica (QED).

      Se está trabajando mucho en futura gravitación cuántica que permitirá lidiar con las singularidades clásicas.

  2. Paco, yo siempre he entendido que es imposible con la teoría actual distinguir entre un agujero negro de una estrella de neutrones supermasiva. ¿Es esto así, o hay algo en las observaciones que nos permita distinguir entre los dos casos?

    1. Jose Brox:

      ¿Distinguir entre una estrella de neutrones y un agujero negro?. Esto no es problemático de ninguna manera, busca un poco en internet como Gold y Hoyle caracterizaron los primeros púlsares como estrellas de neutrones. Pero hay muchísimas más maneras de distinguirlos piensa en que clase de radiación emiten primordialmente cada uno o simplemente en la definición de agujero negro, la clase de observaciones de las que habla esta entrada pueden encontrar (y de hecho van a reportar) la masa del objeto en cuestión y también su radio de Schwarszchild con una precisión varios órdenes de magnitud suficiente para hacer la distinción.

      Saludos

      1. Ok, ¡gracias! No sé si me estoy confundiendo con algún otro objeto, pero he visto a gente “seria” comentar alguna vez que los agujeros negros eran indistinguibles de algún otro fenómeno con el conocimiento actual en la mano.

    2. José, se conoce un límite para la masa máxima de una estrella de neutrones (unas tres masas solares); un objeto con mayor masa (M87* tiene 6500 millones de masas solares) no puede ser una estrella de neutrones supermasiva (cuya masa supera 2.5 masas solares pero menos de 3 masas solares).

      1. Perfecto, ¡gracias! No sé entonces por qué decían aquello en libros y documentales, ¿o será que me estoy confundiendo de objeto? ¿Podemos asegurar entonces sin género de duda que no hay ambigüedad con ningún otro posible objeto?

  3. Pues se parece bastante a la simulación (era de esperar).

    Solo remarcar un detalle, sacado de la revista Physics World: “The diameter of the ring is 42 micro-arcseconds with a width less than 20 micro-arcseconds”. Sin palabras.

    1. No estoy seguro de que hayas entendido lo que pretendía decir Physics World, que era:

      * Que el diámetro del anillo luminoso es de 42 microarcosegundos, (si lo compruebas en el paper verás que dice Ring diameter d = 42 +/- 3 microarcosegundos.
      * Y que el grosor del anillo luminoso es menor que 20 microarcosegundos.

      Si habías entendido que lo que Physics World quería decir era que el diámetro del anillo era 42 +/- 20 microarcosegundos, lo habías interpretado mal. Posiblemente el “sin palabras” final de tu comentario era fruto de una mala interpretación.
      Saludos.

  4. Releyendo mi libro de landau y lifshitz, encuentro que desde el punto de vista del observador externo los objetos que caen en el agujero negro quedan inmovilizados, esto es, que desde el exterior nunca se les ve de acabar entrar en el agujero. Esto también le pasa a la información, que se queda en el horizonte de sucesos, con lo cual el área del agujero negro no puede disminuir, solo aumentar, este es el teorema de hawkings (equivalente a la segunda ley de la termodinámica).

    Con respecto al sistema de referencia del objeto que cae, su velocidad crece a medida que se acerca a la singularidad, tendiendo a la velocidad de la luz y llegando al centro en un tiempo propio finito.

    Un par de artículos:

    1) No Way Back: Maximizing survival time below the Schwarzschild event horizon. Se calcula el tiempo máximo que puede llegar a estar un objeto dentro del agujero negro usando su propulsión antes de ser atraído por la singularidad.

    https://arxiv.org/pdf/0705.1029.pdf

    2) The Volume Inside a Black Hole. Se calcula el tamaño del agujero negro que ve un observador dentro de él. Dependiendo del sistema de referencia el tamaño del agujero negro puede ser cero. En este caso podemos decir que el espacio se convierte en tiempo, el horizonte de sucesos queda en el pasado (no se puede volver al pasado y por lo tanto tampoco salir del agujero negro) y el futuro es la singularidad.

    https://arxiv.org/pdf/0801.1734.pdf

    1. Pspe, “…quedan inmovilizados…” quiere decir que su imagen queda inmóvil, sus colores se van desplazando al rojo hasta salirse del rango visible y la imagen se va desvaneciendo hasta desaparecer por completo. BTW gracias por los papers.

  5. Gracias por las puntuales explicaciones. Y por estar siempre en la brecha y conseguir inspirar a los legos que sentimos una irrefrenable curiosidad por la ciencia. Gracias, Francis.

  6. Francis, Cuánto realmente sabían Schwarzschild y Einstein de lo que nosotros – mejor dicho tú – saben actualmente de los agujeros negros ? . algunos medios que he leído presentan a Einstein como escéptico e incluso reacio a aceptarlos al igual que Planck con la mecánica cuántica y otros como si comprendiera la totalidad del fenómeno y estuviera esperando su confirmación .

  7. Gopala, Schwarzschild calculó la métrica exterior a una estrella y la interior a un estrella; nunca pensó que pudieran existir estrellas sin interior. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Interior_Schwarzschild_metric

    Einstein opinaba lo mismo (realizó un cálculo aproximado concluyendo lo mismo). Se preocupó muy poco de las soluciones con singularidades; ya en 1922 afirmó en un artículo que no son físicas. Su idea es que existiría una teoría unificada que las eliminaba. Tras los estudios sobre el colapso de estrellas, en 1939 escribió un artículo afirmando que los, ahora llamados, agujeros negros no existían y no podían existir. Murió pensando lo mismo.

    Los “agujeros negros” se empezaron a considerar como objetos físicos en la conferencia de 1955 homenaje a los 50 años de la relatividad especial, pero Einstein falleció antes. Y en especial en la primera conferencia de relatividad general en Chapel Hill en 1957. Pero hasta el descubrimiento de los primeros objetos compactos en los 1960s muy poca gente se los tomó en serio (aunque todos sean famosos ahora). Los primeros indicios de su existencia son de los 1970s.

    Si te interesa el tema, hay muchos libros sobre la vida de Einstein y sobre agujeros negros. Te animo a profundizar.

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