LOS ASTRÓNOMOS SE ARRASTRAN HASTA EL BORDE DEL AGUJERO NEGRO SUPERMASIVO DE LA “VÍA LÁCTEA”

 Se han descubierto puntos calientes en órbita justo fuera del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia. Sus movimientos nos han dado la mirada más cercana a ese ambiente violento.

Los astrónomos han encontrado algo en órbita justo fuera de la órbita más profunda posible del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.

Por primera vez, los científicos han descubierto algo que se tambalea alrededor del agujero negro existente en el núcleo de nuestra Galaxia. Sus mediciones sugieren que este material, quizás hecho de burbujas de plasma, está girando no muy lejos de la órbita más interna permitida por las leyes de la física.
Si es así, esto permite a los astrónomos observar de cerca el espacio-tiempo de espejos de la casa de la diversión que rodea a un agujero negro. 
Y con el tiempo, las observaciones adicionales indicarán si esas leyes conocidas de la física realmente describen lo que está sucediendo en el límite de donde se descompone el espacio-tiempo.

Los astrónomos ya sabían que la Vía Láctea alberga un agujero negro central, que pesa unos cuatro millones de soles. Desde la Tierra, este agujero negro es una cosa densa y diminuta en la Constelación de Sagitario, tan grande en el cielo como una semilla de fresa en Los Ángeles cuando se ve desde Nueva York. 
Pero el gas interestelar brilla a medida que se arremolina en el agujero negro, marcando el corazón oscuro de la galaxia con un solo punto débil de luz infrarroja en las imágenes astronómicas.
Los astrónomos lo llaman Sagitario A* (pronunciado "A-star").

Durante 15 años, los investigadores han visto cómo ese punto parpadea, y se preguntan por qué. De vez en cuando, es 30 veces más brillante con luz infrarroja y luego desaparece, todo en tan solo unos minutos.
Ahora, sin embargo, un equipo con sede en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania, ha medido no solo el brillo de esta mota sino también su posición con una precisión asombrosa. 
Cuando se enciende, también se mueve en el sentido de las agujas del reloj en el cielo, encontrando un pequeño círculo, que encuentran.

"Claramente han visto algo en movimiento", dijo Shep Doeleman , un astrónomo del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian que no participó en lo que él llama las medidas "extraordinarias" del equipo, que se publicarán mañana en Astronomy & amp; Astrophysics . "Lo que es, no está exactamente claro".

Pero una interpretación particular se destaca, argumenta el equipo. Es probable que este bamboleo provenga de "puntos calientes", burbujas brillantes de plasma calentado magnéticamente que orbitan justo sobre las fauces abiertas del agujero negro a casi un tercio de la velocidad de la luz.
 A medida que estos puntos calientes giran en círculos, las inmensas fuerzas gravitacionales del agujero negro giran el espacio-tiempo en algo parecido a una lente, una que proyecta faros de luz a través del cosmos como un rayo de luz galáctica.
La idea, propuesta por primera vez en 2005 por Avery Broderick , ahora en el Instituto Perimetral de Física Teórica y la Universidad de Waterloo en Canadá, y Avi Loebde la Universidad de Harvard, explicaría por qué el agujero negro parece estallar.

"Parece que tienen algo realmente emocionante aquí", agregó la astrónoma Andrea Ghez , una competidora desde hace mucho tiempo del equipo europeo en la Universidad de California en Los Ángeles.

Si estas bengalas giratorias se deben a puntos calientes de la forma en que Broderick y Loeb se imaginaron, las bengalas adicionales ayudarán a revelar el "giro" del agujero negro, una medida de su rotación. Y también podría proporcionar una nueva forma de golpear y pinchar la teoría de la relatividad general de Einstein en el espacio-tiempo flexionado en la boca de un agujero negro.

"Para estar en lo cierto de vez en cuando compensa todas las otras veces cuando me rascé la cabeza en la pizarra", dijo Broderick. "Esto es lo que hace que ser un científico sea tan divertido".

La luz de los cuatro telescopios en el arreglo del Telescopio Muy Grande en Cerro Paranal, Chile, se puede combinar para crear, en efecto, un solo telescopio enorme.

Viga de la gravedad

Desde la década de 1990, el grupo de Ghez en UCLA y el equipo europeo, dirigido por Reinhard Genzel del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania, han usado técnicas cada vez más precisas para resolver las órbitas de estrellas alrededor del centro galáctico.
A principios de este verano, el equipo de Genzel publicó una medida de cómo la relatividad general está afectando la luz de una estrella que ahora pasa cerca del agujero negro; un artículo similar del equipo de Ghez está ahora bajo revisión. "Es un momento notable, en términos de la capacidad de estos experimentos para comenzar a explorar cómo funciona la gravedad cerca de un agujero negro súper masivo", dijo Ghez.

Pero desde el año pasado, el equipo europeo ha tenido una herramienta única: el poder de cuatro telescopios gigantes que trabajan juntos en un proyecto llamado GRAVITY. 
En una noche típica, los cuatro telescopios del Observatorio Europeo Austral en el Cerro Paranal, que dominan el desierto de Atacama en Chile, vuelan en diferentes direcciones en el cielo.
GRAVITY los reúne utilizando una técnica llamada interferometría que combina observaciones de múltiples telescopios para producir imágenes artificiales que solo un telescopio real enormemente enorme podría hacer.

Para hacer esto en longitudes de onda infrarrojas, cerca de lo que pueden percibir los ojos humanos, se requiere combinar la luz en tiempo real para evitar perder información crucial. Entonces, el 22 de julio, cuando se encendió Sagittarius A*, la luz recolectada por cada alcance viajó a través de una configuración de espejos y cables de fibra óptica tipo Rube Goldberg que trazaron un camino con una longitud total que no varía más de 1/1,000 "El ancho de un cabello", dijo Frank Eisenhauer , un físico de Max Planck en Garching y el líder de GRAVITY. 
Luego, dentro de una caja de herramientas de congelación de 3 toneladas de tecnología óptica, estas ondas de luz se mezclaron, sus picos y valles se combinaron y cancelaron para producir mediciones de posición con una nitidez imposible.

Video: La  luz de cuatro telescopios navega a través de una red bizantina de componentes ópticos dentro del experimento GRAVITY. Para que el experimento funcione, la longitud total de la trayectoria de cada haz de luz tiene que diferir en menos de 1 micrómetro, 1 / 1,000 de la longitud de un milímetro.

Incluso después de todo eso, GRAVITY aún no tenía la resolución suficiente para hacer películas de las tres bengalas que vio, la del 22 de julio y otras dos. Pero sus medidas de la mota tenue que ondea en el cielo promete reducir las múltiples opciones de lo que está causando que Sagittarius A* parpadee en primer lugar.

Si pudiera verlos de cerca, las llamaradas podrían ser masas de plasma caliente disparadas hacia afuera desde el agujero negro, en chorros de material enfocado y lanzados por campos magnéticos. O podrían ser grupos calientes en el amplio Frisbee de gas que drena en el agujero negro, u otras posibles estructuras de disco como los brazos en espiral. 
En todos estos casos, el brillo y la atenuación de la luz provendrían del propio material que brilla intensamente y luego se enfría.

La idea de Broderick y Loeb también involucraba gotas de plasma destrozadas por el calor. Se formarían cerca del agujero negro, no a diferencia de lo que sucede en una llamarada solar. Por encima de la superficie de nuestro sol, una parcela de campos magnéticos de brezo se engancha, arrojando brotes de plasma caliente cuando los campos encajan en nuevas formas. Algo similar podría ocurrir en el gas alrededor de un agujero negro, que también alberga campos magnéticos fuertes y enredados.

En este caso, sin embargo, la modulación en el brillo no provendría del bloc en sí, sino de la órbita del bloc. Cuando se dio la vuelta en el atrio de un agujero negro gigante, el torcido espacio-tiempo predicho por la relatividad general enfocaría la luz del punto caliente en un rayo. 
Y cuando ese rayo se extendió por la Tierra, mediríamos el parpadeo del agujero negro. "El agujero negro es como la lente de un faro que está causando que esta cosa se nos eche encima mientras avanza", dice Broderick.

"Si los chorros causaran el parpadeo del agujero negro, ese movimiento sería lineal, ya que las burbujas salieron y se enfriaron", dijo Eisenhauer. Si los grupos en el disco alrededor del agujero negro fueran responsables, el movimiento no iría en ninguna dirección consistente particular. Pero el movimiento circular soporta orbitando puntos calientes, argumenta el equipo.

"Hay un hecho en particular que me hace inclinarme a confiar en este resultado", dijo el astrofísico Gunther Witzel del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, quien ha trabajado con los equipos del centro galáctico en ambos lados del Atlántico. GRAVITY también encontró que la luz emitida durante un destello cambia en polarización, siguiendo la misma escala de tiempo aproximada que el movimiento orbital aparente. Eso encaja, también. La luz emitida por un punto caliente se polarizaría. A medida que el lugar viajaba a través del espacio-tiempo deformado, su polarización se torcería en toda su órbita.

Para los astrofísicos, este vistazo al plasma en circunstancias únicas es interesante en sí mismo. "Tenemos un entorno totalmente nuevo, que es totalmente desconocido", dijo Nico Hamaus , cosmólogo de la Universidad Ludwig Maximilian en Munich, quien también desarrolló la teoría temprana de los puntos calientes. "Es por eso que había ideas tan vagas de lo que estaba pasando".

Ahora, sin embargo, los teóricos esperan que los puntos calientes puedan iluminar la lámpara de la sala de interrogación de la teoría de la gravedad de Einstein.

Leyendo el horizonte

Consideremos la posibilidad de un viaje a un agujero negro. A medida que se acerca, dicen las cuentas populares, tiene una última oportunidad de regresar: el horizonte de eventos que marca el borde del agujero negro. 

Pero quizás un lugar mejor para repensar su enfoque sería antes, en lo que los astrofísicos llaman la órbita circular más estable (ISCO). Los puntos calientes alrededor del agujero negro en el centro de la galaxia parecen orbitar solo un poco fuera de este límite

Que tal órbita exista es una diferencia clave entre las teorías de la gravedad de Newton y de Einstein. En la gravedad newtoniana, puedes orbitar un objeto tan cerca como quieras, siempre y cuando sigas aumentando tu velocidad. 
Pero a la vista de Einstein, la energía de rotación invoca más gravedad. A cierta distancia, ir más rápido acelerará tu caída. "Si el agujero negro es el drenaje donde desaparecen las cosas", dijo Loeb en Harvard, "esta órbita circular más interna es una especie de sumidero".

Para Loeb, una fuente de luz que vuela alrededor de este fatídico borde es un regalo de la Madre Naturaleza. La masa de un agujero negro y su velocidad de rotación determinan dónde está la ISCO, más el tiempo que orbitará un punto caliente en un radio determinado. Más allá de la masa y el giro, la relatividad general sostiene que nada más determina cómo un objeto orbita un agujero negro astrofísico. Estos dos valores deben ser las únicas características distintivas.

Ghez y Genzel ya han establecido el peso de este agujero negro en particular. Y si bien aún no pueden calcular su giro, las bengalas subsiguientes, especialmente las más brillantes, deberían ayudar a clavarlo.

El giro de un agujero negro arrastra el espacio a su alrededor, cambiando el tiempo que tardan en orbitar los objetos cercanos.

A medida que GRAVITY construye un catálogo de bengalas, explorando cuánto tiempo tardan en orbitar diferentes radios al Por Supuesto, eso es asumiendo que la relatividad general es correcta, y las órbitas de los objetos alrededor de un agujero negro están determinadas únicamente por la masa y el giro del agujero negro.
Si parece que algo más está sucediendo, que existe algún otro factor que afecta a estas órbitas, podría sugerir que la teoría de Einstein necesita una puesta a punto.

Más allá de eso, "hay una oportunidad aún más emocionante en el horizonte", dijo Broderick. "Si perdonas el juego de palabras".

El siguiente horizonte, literalmente, debe provenir del Telescopio de Horizonte de Evento, o EHT, un esfuerzo separado que se esfuerza ahora para resolver el espacio-tiempo alrededor del agujero negro central de la Vía Láctea. 
El equipo de EHT actualmente está revisando sus datos, con la esperanza de publicar en algún momento en 2019, dicen.

EHT también afina su visión increíblemente aguda a través de la interferometría. Pero opera en longitudes de onda de radio, mil veces más largas que las trazas GRAVITY de la emisión infrarroja. Y sus observatorios componentes abarcan todo el mundo, no solo una cima de montaña en Chile. A medida que la Tierra gira, estos observatorios barren el espacio y recopilan aún más información.

Mientras GRAVITY midió la posición del agujero negro con una precisión asombrosa cada 30 segundos durante un destello, el EHT apunta a algo diferente: una imagen de larga exposición de ondas de radio que se deforman dentro de la ISCO, justo alrededor del borde del agujero negro.

Pero las oscilaciones de puntos calientes que encontró GRAVITY brindan una nueva oportunidad. "Si estos eventos ocurren con bastante frecuencia, y parece que sí, es una gran noticia para todos", dijo Doeleman en Harvard, quien dirige el EHT.

Siempre que las fluctuaciones también se produzcan en las longitudes de onda de radio, el EHT también podría rastrearlas, como los pequeños cambios de posición. Y si se sienten seguros de que algo orbitó el agujero negro durante una observación EHT, por ejemplo, después de que EHT y GRAVITY observaron la misma bengala la misma noche, el equipo de EHT podría dividir su larga exposición en cuadros secuenciales, utilizando modelos matemáticos para producir una Película actual de un punto caliente circundante.

"Podríamos estar probando lo mismo, solo de manera muy complementaria, con diferentes instrumentos", dijo Doeleman. "De eso se trata realmente la ciencia".

Fuente:   Quanta Magazine – Joshua Sokol Corresponsal Contribuyente –30. octubre.2018

Traducción libre de Soca