La misteriosa ‘región de inmersión’ del agujero negro coincide con las predicciones de Einstein

Finalmente hemos visto la materia hundirse en un agujero negro

Por Allison Parshall

Los agujeros negros estiran el tejido del espacio-tiempo hasta el extremo, y cuanto más te acercas a uno, más deformadas se vuelven las cosas. «Puedes estar realmente muy cerca de un agujero negro y felizmente orbitar circularmente», dice Andrew Mummery, físico de la Universidad de Oxford. Pero a medida que te acercas, el agarre gravitacional de un agujero negro se vuelve abrumador. Caes en un precipicio y, en lugar de dar vueltas pacíficamente, simplemente caes.

En este punto, la mecánica orbital clásica falla y «[Isaac] Newton no tiene nada que decir”, señala Mummery. Describir la dinámica de un objeto que cae precipitadamente en las fauces de un agujero negro es una tarea de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein.

Einstein utilizó esta teoría hace más de un siglo para predecir lo que sucede en lo que más tarde se conocería como agujeros negros. Justo fuera del horizonte de sucesos de un agujero negro (el límite más allá del cual ni siquiera la luz puede escapar), un objeto en órbita encontrará abruptamente una llamada región de inmersión y caerá en picado hacia su perdición a casi la velocidad de la luz.

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Los teóricos consideran que la región de inmersión de un agujero negro es donde se sella el destino de todas las cosas que caen en él. Sin embargo, más allá de esa idea básica, esta área sigue siendo un misterio casi total. «Básicamente, los modelos teóricos preexistentes ignoraban esta región», dice Mummery; después de todo, es pequeña y difícil de ver con los telescopios actuales. Pero gracias al estallido casual de un agujero negro que se alimenta de materia en nuestra galaxia, Mummery y sus colegas han conseguido ahora Observó la región de inmersión por primera vez.. Informaron sus resultados en un artículo publicado la semana pasada en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

«La primera vez que lo ves, es agradable saber que está ahí», dice Mummery. «Ahora que sabemos que podemos ver esto, hay muchas cosas que, en principio, podemos aprender usándolo».

Ningún telescopio puede ver los agujeros negros directamente porque ni siquiera la luz puede escapar de las garras de estos objetos astronómicos. En cambio, los físicos suelen estudiar Luz del disco de acreción de un agujero negro.—el gas y el polvo sobrecalentados que rodean este drenaje cósmico. El labio más interno de este disco es el umbral de la región de inmersión. Emite relativamente poca luz, por lo que hasta hace poco los científicos no podían obtener datos suficientes para observarlo.

«Hay dos maneras de obtener mejores datos: puedes construir un telescopio mejor o puedes tener suerte», dice Mummery. Quiso la suerte que en 2018 los astrónomos, utilizando múltiples telescopios, descubrieran un agujero negro, llamado MAXI J1820+070, eso le dio a Mummery y su equipo la oportunidad que necesitaban. Situado a unos 10.000 años luz de distancia, este agujero negro se ha estado alimentando de material extraído de una estrella cercana y, durante unos meses, los observadores observaron cómo se atiborraba de una gran porción de gas estelar, obteniendo una buena vista de su espeso y disco de acreción caliente que brillaba intensamente en rayos X. Dos de los telescopios espaciales de la NASA, el Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) y el Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), sintonizaron el agujero negro y recopilaron una gran cantidad de datos de rayos X.

Pero a principios de 2020, el coautor del estudio, Andrew Fabian, de la Universidad de Cambridge, y otros científicos se dieron cuenta de que los modelos estándar de agujeros negros no podían explicar toda la luz que NuSTAR y NICER habían observado. Una mirada más cercana a los datos y la consultoría simulacionesFabián y sus colegas descubrieron que esta luz adicional coincidió con lo que esperarían del material brillante que se derrama en la región que se hunde. Ahora los investigadores han desarrollado un modelo funcional que explica estos detalles del estallido de 2018 y que también puede aplicarse a otros agujeros negros, explica Alejandro Cárdenas-Avendaño, astrofísico teórico de la Universidad de Princeton, que no participó en el nuevo estudio. .

Esto confirma y profundiza nuestra comprensión de lo que Einstein había predicho que debe suceder con la materia que se acerca al punto de no retorno de un agujero negro en el borde interior de un disco de acreción. En cierto modo, puedes imaginarlo como bajar por un tobogán de agua en forma de embudo. La gravedad y la fuerza centrípeta te envían en espiral hacia el interior del embudo. Das vueltas más rápido a medida que la espiral se aprieta antes de llegar finalmente al borde del embudo y sumergirte en la piscina de abajo.

«Una vez que haya recorrido el embudo, no hay nada que pueda hacer», dice Mummery.

Ubicada tan cerca de un agujero negro, una región que se hunde debería ofrecer a los investigadores una nueva forma de estudiar otras propiedades difíciles de sondear, como el giro de un agujero negro, para aprender más sobre cómo se forman estos objetos. Hasta ahora, la mayoría de los agujeros negros que se han estudiado con telescopios tradicionales (y con modelos tradicionales que han descuidado la región de inmersión) parecen estar girando muy rápido. Pero aquellos que han sido investigados utilizando telescopios de ondas gravitacionales(los observatorios que detectan ondas en el espacio-tiempo mismo en lugar de luz) parecen estar girando mucho más lento, explica Cárdenas-Avendaño.

Los científicos aún no saben si esta tensión tentativa puede reconciliarse físicamente o si, por el contrario, apunta a algún defecto más profundo en nuestras teorías. Pero los datos de la región en caída libre podrían proporcionar una mirada más cercana. «El giro es algo que sólo se siente cuando estás muy, muy cerca del agujero negro», dice Amelia Hankla, astrofísica teórica y computacional de la Universidad de Maryland, College Park, que no participó en el nuevo estudio. «Lo interesante de la región que se hunde es que la huella del espacio-tiempo en realidad giratorio es [visible] en la emisión”.

El nuevo análisis muestra que el agujero negro en cuestión no giraba muy rápido, lo que sorprendió a los investigadores. «Eso es totalmente diferente de lo que otras personas han estado encontrando con modelos que descuidan esta región», dice Mummery.

Y estudiar el giro de los agujeros negros no es sólo una cuestión de curiosidad ociosa: “La evolución del universo depende de cómo se comportan los agujeros negros, y ese comportamiento depende de cuánto giran. Entonces estas son preguntas fundamentales”, dice Cárdenas-Avendaño.