La apariencia de la sombra de un agujero negro.

En previsión de la primera imagen de un agujero negro, Jordy Davelaar y sus colegas construyeron una simulación de realidad virtual de uno de estos fascinantes objetos astrofísicos. Su simulación muestra un agujero negro rodeado de materia luminosa. Esta materia desaparece en el agujero negro de forma similar a un vórtice, y las condiciones extremas hacen que se convierta en un plasma brillante. La luz emitida es luego desviada y deformada por la poderosa gravedad del agujero negro.
Crédito: Jordy Davelaar y otros / Universidad de Radboud / BlackHoleCam.

En Abril de este año, el Event Horizon Telescope (Telescopio de Horizonte de Evento) capturó las primeras imágenes detalladas de la sombra de un agujero negro . En un nuevo estudio, un equipo de científicos ahora ha explorado lo que determina el tamaño y la forma de las sombras de los agujeros negros como este.

Agrandar. La primera imagen detallada de un agujero negro, en M87, tomada con el Telescopio de Horizonte de Eventos. 
Crédito: Adaptado de EHT Collaboration et al 2019.

Imagen de la Sombra.

Esta estructura distinta es el resultado del espacio-tiempo deformado alrededor de objetos masivos como los agujeros negros. El anillo de luz se compone de fotones del gas radiante caliente que rodea el agujero negro, cuyos caminos se han doblado alrededor del agujero negro antes de llegar a nuestros telescopios. La región oscura en el centro se denomina «sombra» del agujero negro; Esta es la colección de caminos de fotones que no escaparon, sino que fueron capturados por el agujero negro.

Agrandar. Comparación de las concepciones de un agujero negro rodeado por un disco de acreción delgado versus un disco de acreción grueso. 
Créditos: Imagen arriba: NASA, abajo: Nicolle R. Fuller / NSF.

La forma de acreción

Si bien algunos estudios anteriores han explorado cómo se ve una sombra de agujero negro cuando el agujero negro está rodeado por un disco de acreción muy delgado de gas (piense en el agujero negro + disco de la película Interestelar ), la mayoría de los agujeros negros supermasivos, como el de M87, o nuestro propio agujero negro supermasivo, Sagitario A *, es más probable estén rodeados de gas calientede acreción, que se distribuye más ampliamente, formando un disco grueso o casi esférico.

¿La geometría y el movimiento del gasde acreción, afectan el tamaño y la forma de la sombra de un agujero negro?

Modelos de monstruos

En un nuevo estudio, tres científicos, Ramesh Narayan y Michael Johnson (Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica) y Charles Gammie (Universidad de Illinois en Urbana – Champaign), se unieron para explorar cómo cambia la sombra de un agujero negro en función del comportamiento de el gas caliente a su alrededor.

Agrandar. La imagen de la sombra del agujero negro para tres de los modelos de los autores: espacio-tiempo no relativista (arriba), espacio-tiempo relativista con gas estático circundante (centro) y espacio-tiempo relativista con gas acreciente que fluye radialmente hacia adentro (abajo). 
Crédito: Adaptado de Narayan et al. 
2019.

Narayan, Johnson y Gammie construyeron modelos analíticos de un agujero negro rodeado de gas caliente, ópticamente delgado (lo que significa que la radiación escapa del gas y es observable). Luego analizaron cómo aparecería la sombra usando diferentes espacio-tiempo, con diferentes movimientos de gas y con diferentes comportamientos del gas cerca del agujero negro.

Reducción de complicaciones

Curiosamente, los autores descubrieron que la apariencia de la sombra del agujero negro no depende de los detalles de la acumulación de gas cerca del agujero negro. El tamaño de la sombra fue determinado principalmente por el espacio-tiempo mismo (que se ve afectado por la masa del agujero negro). Pero la forma en que el gas se distribuye alrededor del agujero negro, y si ese gas es estacionario o aumenta, no afecta en gran medida la apariencia de la sombra.

La vida real es un poco más desordenada que este modelo simple, esféricamente simétrico; El giro del agujero negro y la presencia de chorros o salidas provocarán asimetrías en la sombra. Pero los resultados de los autores generalmente nos dicen que los detalles cercanos de los flujos de acreción no complican lo que estamos viendo. ¡Y esa es información valiosa que podemos usar al interpretar futuras observaciones de las sombras de los agujeros negros! 

Citación

“The Shadow of a Spherically Accreting Black Hole,” Ramesh Narayan et al 2019 ApJL885 L33. doi:10.3847/2041-8213/ab518c

Fuente: American Astronomical Society. (AAS).

Artículo original: «The Appearance of a Black Hole’s Shadow«. Susana Kohler, Nov. 25, 2019.

Material relacionado:

Presentando la primera imagen de un agujero negro junto al conjunto de las prinicipales características deducidas a partir de ella, está el siguiente artículo, que contiene además una selección de recursos sobre ella:

Sobre la Historia de las Imágenes de Agujeros Negros, contada por uno de los Investigadores:

Agrandar. La primera simulación de un agujero negro, publicada en 1979 por Jean Pierre Luminet. Más información.
Crédito: © Jean-Pierre Luminet / CNRS Phototheque

El objetivo de las siguientes tres publicaciones es volver sobre la rica historia de las imágenes de agujeros negros:

Curiosidades:

¿Pueden existir planetas entorno a un Agujero Negro?

 Agrandar. Modelo estándar de un Núcleo Galáctico Activo (AGN). 
Crédito: Urry y Padovani, 1995.

Un equipo de investigadores japoneses se planteó esta pregunta, lo que los llevó a estudiar el toro de material que rodea al disco de acreción entorno a un Agujero Negro Supermasivo, o sea un Núcleo Galáctico Activo, según lo presenta el siguiente artículo:

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