Astrofísicos utilizan ecos de luz para iluminar los agujeros negros

Astrofísicos han desarrollado una técnica innovadora para buscar ecos de luz de agujeros negros, que funciona de forma independiente a cómo los científicos han investigado estos parámetros en el pasado.

El novedoso método, que facilitará la medición de la masa y el giro de los agujeros negros, ha sido publicada en The Astrophysical Journal Letters, y podría proporcionar evidencia directa de fotones que giran alrededor de los agujeros negros debido a un efecto conocido como "lente gravitacional".

El efecto de lente gravitacional se produce cuando la luz pasa cerca de un agujero negro y su trayectoria se desvía por el fuerte campo gravitacional del agujero negro. El efecto permite que la luz tome múltiples caminos desde una fuente hasta un observador en la Tierra: algunos rayos de luz pueden seguir una ruta directa mientras que otros pueden dar una vuelta alrededor del agujero negro una o varias veces antes de llegar a nosotros. Esto significa que la luz de la misma fuente puede llegar en diferentes momentos, lo que da como resultado un "eco".

"Durante años se ha teorizado que la luz gira alrededor de los agujeros negros y produce ecos, pero estos ecos aún no se han medido", afirma en un comunicado el autor principal del estudio, George N. Wong, científico del Institute for Advanced Study e investigador asociado en la Princeton Gravity Initiative de la Universidad de Princeton. "Nuestro método ofrece un modelo para realizar estas mediciones, que podrían revolucionar potencialmente nuestra comprensión de la física de los agujeros negros".

La técnica permite aislar las débiles señales de eco de la luz directa más intensa captada por telescopios interferométricos conocidos, como el Event Horizon Telescope. Tanto Wong como una de sus coautoras, Lia Medeiros, becaria Einstein de la NASA en la Universidad de Princeton, han trabajado extensamente como parte de la Colaboración del Event Horizon Telescope.

Para probar su técnica, Wong y Medeiros, en colaboración con James Stone, profesor de la Escuela de Ciencias Naturales, y Alejandro Cárdenas-Avendaño, becario Feynman en el Laboratorio Nacional de Los Álamos y ex investigador asociado de la Universidad de Princeton, realizaron simulaciones de alta resolución que tomaron decenas de miles de "instantáneas" de luz que viaja alrededor de un agujero negro supermasivo similar al que se encuentra en el centro de la galaxia M87 (M87 estrella), que se encuentra a unos 55 millones de años luz de la Tierra.

Mediante estas simulaciones, el equipo demostró que su método podía inferir directamente el período de retardo del eco en los datos simulados. Creen que su técnica será aplicable a otros agujeros negros, además de M87 estrella.

"Este método no solo podrá confirmar cuándo se ha medido la luz que orbita alrededor de un agujero negro, sino que también proporcionará una nueva herramienta para medir las propiedades fundamentales del agujero negro", explica Medeiros.

Comprender estas propiedades es importante. "Los agujeros negros desempeñan un papel importante en la conformación de la evolución del universo", dice Wong. "Aunque a menudo nos centramos en cómo los agujeros negros atraen cosas, también expulsan grandes cantidades de energía a su entorno.

"Desempeñan un papel importante en el desarrollo de las galaxias, afectando cómo, cuándo y dónde se forman las estrellas, y ayudando a determinar cómo evoluciona la estructura de la propia galaxia. "Conocer la distribución de las masas y los giros de los agujeros negros, y cómo cambia esta distribución con el tiempo, mejora enormemente nuestra comprensión del universo".

Medir la masa o el giro de un agujero negro es complicado. La naturaleza del disco de acreción, es decir, la estructura giratoria de gas caliente y otra materia que se mueve en espiral hacia el interior del agujero negro, puede "confundir" la medición, señala Wong. Sin embargo, los ecos de luz proporcionan una medición independiente de la masa y el giro, y tener múltiples mediciones nos permite producir una estimación de esos parámetros "en la que realmente podemos creer", afirma Medeiros.

La detección de ecos de luz también podría permitir a los científicos probar mejor las teorías de la gravedad de Albert Einstein. "Usando esta técnica, podríamos encontrar cosas que nos hagan pensar '¡oye, esto es raro!'", añade Medeiros. "El análisis de estos datos podría ayudarnos a verificar si los agujeros negros son realmente consistentes con la relatividad general".

Los resultados del equipo sugieren que puede ser posible detectar ecos con un par de telescopios, uno en la Tierra y otro en el espacio, trabajando juntos para realizar lo que se puede describir como "Interferometría de línea base muy larga", afirma Wong. Una misión interferométrica de este tipo sólo tiene que ser "modesta", afirma. Su técnica proporciona un método manejable y práctico para recopilar información importante y fiable sobre los agujeros negros.