Un viaje a los límites del espacio-tiempo

Los agujeros negros, unos vacíos voraces en el centro de las galaxias, moldean el crecimiento y la muerte de las estrellas a su alrededor, por medio de su poderosa atracción gravitatoria y las eyecciones explosivas de energía que generan.

Visualización del efecto de alineamiento de los chorros relativistas, compuestos por corrientes de gases ionizados de alta potencia, debido a las fuerzas magnéticas generadas por el espín de un agujero negro. Crédito: Ralf Kaehler y Jonathan C. McKinney

Las fuerzas gravitacionales crecen tan potentes cerca de un agujero negro que ni siquiera la luz puede escapar de su interior, de ahí la dificultad de observarlos directamente. Los científicos infieren las características de los agujeros negros por su influencia sobre los objetos astronómicos que les rodean: la órbita de las estrellas y los cúmulos de energía. Con esta información en mano, los científicos crean modelos informáticos para comprender los datos y hacer predicciones sobre la física de las regiones distantes del espacio. Sin embargo, los modelos sólo son tan buenos como sus supuestos.
“Todas las pruebas de la relatividad general en el límite del campo gravitatorio débil, como en nuestro sistema solar, caen directamente en la línea de lo que Einstein predijo”, explicó Jonathan Allen, profesor adjunto de física en la Universidad de Maryland en College Park. “Pero hay otro régimen, que todavía no se ha probado, y que es el más difícil de probar – que representa el límite de un fuerte campo gravitatorio. Y de acuerdo con Einstein, la gravedad es más fuerte cerca de los agujeros negros”.
Esto hace de los agujeros negros la mejor prueba experimental de la teoría de Einstein de la relatividad general.
Aunque los agujeros negros no pueden ser observados, por lo general están acompañados por otros objetos con características distintivas que se pueden ver, tales como los discos de acreción, que son discos de materia supercaliente en nuestro lado del “horizonte de sucesos” del agujero negro; y chorros relativistas, compuestos por corrientes de gases ionizados de alta potencia, que se disparan a cientos de miles de años luz.
En un artículo publicado en Science en enero de 2013, McKinney, Tchekhovskoy y Blandford vaticinaron la formación de discos de acreción y de chorros relativistas que se deforman y se doblan más de lo que se pensaba, creados tanto por la extrema gravedad del agujero negro, como por las poderosas fuerzas magnéticas generadas por su espín.
Durante décadas se mantuvo una visión simplista de los discos de acreción y de los chorros polares. Se creía que los discos de acreción permanecían como placas planas a lo largo de los bordes exteriores de los agujeros negros, y que los chorros se disparaban hacia afuera perpendicularmente. Sin embargo, las nuevas simulaciones 3D han cambiado esa concepción simplista de los chorros y de los discos.
Las simulaciones muestran que los chorros se alinean con el espín del agujero, cerca de éste, pero que gradualmente se ven empujados por el material del disco y se colocan en una posición paralela, pero desplazada del eje de rotación del disco, a una gran distancia.
En las simulaciones, la energía de torsión crece tanto que alimenta el chorro. De hecho, el chorro puede reorientar al disco de acreción, y no al contrario, como se pensaba anteriormente.
¿Qué tiene esto que ver con Einstein y su teoría de la relatividad general?
Los astrónomos están más cerca que nunca – en 3 a 5 años – de ser capaces de ver los detalles de los chorros y los discos de acreción alrededor de los agujeros negros.
Las observaciones o bien coincidirán con un modelo como este, o serán diferentes. Los investigadores aprenderán mucho cualquiera que sea el resultado.
McKinney explica que sin un modelo preciso no es posible demostrar de una manera u otra si Einstein tenía razón o no. En cambio si se tiene un modelo preciso que utilice las ecuaciones de Einstein, y se observa un agujero negro que es muy diferente de lo que se esperaba, se podrá decir que quizá su teoría no este correcta.
El modelo de Blandford, así como otros generados mediante simulaciones informáticas servirán como punto de comparación. Pero tienen que agregar un elemento crucial para que las simulaciones sean significativas: una manera de traducir la física del sistema del agujero negro en una señal visual, como se vería desde el punto de vista de nuestros telescopios, a miles de millones de años luz de distancia.
Fuente: Texas Avanced Computer Center