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26 de Abril de 2021
Agujeros negros

Simulan el baile de dos agujeros negros

Una visualización de la NASA recrea un sistema binario de agujeros negros supermasivos y muestra como desviarían la luz emitida por sus respectivos discos de acreción.

Simulación de un sistema formado por dos agujeros negros supermasivos que orbitan uno en torno al otro. Cuando el más pequeño (azul) pasa frente al más grande (rojo), la gravedad del primero distorsiona la imagen del segundo. [Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA/Jeremy Schnittman y Brian P. Powell]

Una reciente visualización creada por la NASA muestra la danza de dos agujeros supermasivos, uno de 200 millones de masas solares (en rojo en las imágenes y en el vídeo) y otro con la mitad de peso (en azul), que giran uno en torno al otro.

Los agujeros negros son objetos que ejercen una atracción gravitatoria tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellos (exceptuando la radiación de Hawking). Sin embargo, el disco de acreción que gira en torno a estos enormes objetos, formado por el gas caliente que se precipita sobre ellos, sí que emite radiación. Lo que apreciamos en la película creada por la NASA es la luz procedente de esos discos de acreción, desviada y distorsionada por la intensa gravedad de los agujeros negros.

Simulación de un sistema binario de agujeros negros, formado por un agujero de 200 millones de masas solares (rojo) y otro la mitad de pesado (azul). [Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA/Jeremy Schnittman y Brian P. Powell]

En el caso de agujeros negros de cientos de millones de masas solares, la mayor parte de la emisión tendría lugar en el ultravioleta, y el disco en torno al objeto más pequeño estaría ligeramente más caliente. Los científicos piensan que, en un sistema binario como el de la simulación, los agujeros podrían conservar sus discos de acreción durante millones de años.

Tratemos de explicar un poco más lo que se observa en el vídeo. Al principio aparecen los discos de acreción vistos desde arriba. En ese caso, los agujeros presentarían un aspecto parecido a las ya icónicas fotografías del agujero negro supermasivo M87* obtenidas por el Telescopio del Horizonte de Sucesos.

Detalle de la simulación donde aparecen los dos discos de acreción vistos desde arriba. El inserto muestra como el agujero más pequeño (<em>azul</em>) produce una imagen distorsionada del más grande (<em>rojo</em>) en la que este aparece de canto. <span>[</span><a href="https://svs.gsfc.nasa.gov/13831" target="_blank">Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA/Jeremy Schnittman y Brian P. Powell</a><span>]</span>

En el inserto, vemos que el agujero más pequeño actúa como una lente gravitatoria y forma una imagen distorsionada del agujero más grande, en la que este aparece de canto. Eso quiere decir que los rayos de luz se han desviado un ángulo de 90 grados y nos permite algo asombroso: ver el mismo agujero desde dos puntos de vista distintos a la vez.  

El vídeo continúa y en un momento dado pasamos a ver los agujeros de manera que su disco de acreción queda de canto. La gravedad de cada agujero hace que su propio disco adopte una forma característica, con dos abultamientos por encima y por debajo del plano del disco, una imagen que tal vez nos resulte familiar gracias a la película Interstellar.

Simulación de un agujero negro con su disco de acreción visto de canto. La gravedad del agujero desvía la luz del disco y lo deforma, creando dos abultamientos por encima y debajo de él. <span>[</span><a href="https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-visualization-shows-a-black-hole-s-warped-world" target="_blank">Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA/Jeremy Schnittman</a><span>]</span> 

En la imagen anterior podemos apreciar algunos efectos interesantes. Las líneas brillantes y oscuras que recorren el disco están relacionadas con los campos magnéticos que se retuercen en el interior del gas: dichos campos producen continuamente «nudos» brillantes, los cuales se estiran debido a la diferencia de velocidades entre el interior y el exterior del disco (este último gira un poco más despacio) hasta dar lugar a las líneas.

Por otro lado, el gas de la parte izquierda del disco se acerca hacia nosotros y parece más brillante que el de la derecha (que se aleja), debido a un fenómeno relacionado con el efecto Doppler relativista.

En un sistema con dos agujeros negros vistos de canto, si uno de ellos pasara frente al otro, su gravedad desviaría la luz del agujero que queda en segundo plano y lo convertiría en un conjunto de arcos cambiantes, como se aprecia en la siguiente imagen.

<span>Cuando uno de los agujeros negros pasa frente al otro, el disco de acreción del que está en segundo plano se convierte en un conjunto de arcos cambiantes. Además, c</span><span>ada agujero actúa como una lente gravitatoria y produce múltiples imágenes distorsionadas del otro (<em>insertos</em>). </span><span>[</span><a href="https://svs.gsfc.nasa.gov/13831" target="_blank">Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA/Jeremy Schnittman y Brian P. Powell</a><span>]</span>

Si examinamos esta última fotografía más de cerca, apreciamos de nuevo que cada uno de los agujeros negros actúa como una lente gravitatoria y produce múltiples imágenes más y más distorsionadas de su compañero, algunas de las cuales se muestran en los insertos; por ejemplo, los etiquetados como 1, 2 y 4 muestran varias imágenes del agujero negro de menor masa (en azul) generadas cerca del más masivo. Eso le confiere a la imagen una cierta autosimilaridad reminiscente de los fractales.

La simulación es obra de Jeremy Schnittman, astrofísico del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, y Brian P. Powell, científico de datos de la misma institución. Para crearla, tuvieron que calcular la trayectoria que seguirían los rayos de luz emitidos por los discos de acreción a través del espaciotiempo fuertemente curvado por los enormes agujeros negros. Un ordenador normal de sobremesa habría tardado alrededor de diez años en realizar esos cálculos, pero los científicos lograron completarlos en tan solo un día usando el superordenador Discover de la NASA.

Los astrónomos confían en llegar a detectar las ondas gravitacionales (ondulaciones del espaciotiempo) que produciría el choque de dos agujeros negros como los de esta simulación. Los interferómetros LIGO y Virgo ya han detectado las ondas gravitacionales procedentes de múltiples fusiones de agujeros negros. Sin embargo, estos instrumentos solo pueden detectar agujeros de masa estelar o intermedia (hasta unas 500 veces más pesados que el Sol). La mayor colisión que han observado hasta la fecha implicó a dos agujeros de 66 y 85 masas solares.

Los agujeros negros de esta simulación son muchísimo más grandes: poseen cientos de millones de masas solares, y por lo tanto quedarían fuera del alcance de interferómetros como LIGO y Virgo. Pero existen otro tipo de experimentos, como NANOGrav (que recientemente ha anunciado indicios de un fondo cósmico de ondas gravitacionales) que sí podrían detectar las ondas gravitacionales generadas por un sistema binario de agujeros negros supermasivos.

Javier Grande

Más información en la página web de la NASA.

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