¿Qué tan cerca puedes llegar de un agujero negro?

Corrientes de gas caen a su destino, hundiéndose en agujeros negros, encerrados lejos del universo para siempre. En sus momentos finales, estos jirones gaseosos envían un último destello de luz, algunas de las emisiones más brillantes del universo.. 

Estas inmersiones mortales están demasiado lejos para ser vistas directamente, pero los astrónomos han ideado una nueva técnica para detectar sus gritos de pánico pidiendo ayuda. Están utilizando el método para probar nuestro conocimiento de la gravedad en los entornos más extremos del universo..

En un nuevo estudio, los físicos observaron características específicas de esa luz para determinar lo más cerca que se puede llegar a un agujero negro sin tener que trabajar duro para evitar un desastre, un umbral llamado órbita circular estable más interna o ISCO. Los investigadores descubrieron que su método podría funcionar con telescopios de rayos X más sensibles conectados. 

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Sobre la cascada

El horizonte de sucesos de un agujero negro es la línea invisible en la arena a través de la cual nunca se puede regresar. Una vez que algo pasa a través del horizonte de sucesos, incluso la luz misma, ya no puede regresar al universo. La gravedad del agujero negro es demasiado fuerte dentro de esa región..

Fuera de un agujero negro, sin embargo, todo es excelente. Un agujero negro en particular tendrá una cierta masa (desde unas pocas veces la masa del sol para los más pequeños de la galaxia hasta miles de millones de veces más pesados ​​para los verdaderos monstruos que deambulan por el cosmos), y orbitar el agujero negro es como orbitando cualquier otra cosa de masa idéntica. La gravedad es solo gravedad y las órbitas son órbitas.

De hecho, muchas cosas en el universo se encuentran orbitando alrededor de agujeros negros. Una vez que estos temerarios aventureros quedan atrapados en el abrazo gravitacional del agujero negro, comienzan el viaje hacia el final. A medida que el material cae hacia el agujero negro, tiende a comprimirse en una banda fina como una navaja conocida como disco de acreción. Ese disco gira y gira, con calor, fricción y fuerzas magnéticas y eléctricas que lo energizan, lo que hace que el material brille intensamente..

En el caso de los agujeros negros más masivos, los discos de acreción a su alrededor brillan tan intensamente que reciben un nuevo nombre: núcleos galácticos activos (AGN), capaces de eclipsar a millones de galaxias individuales..

En el disco de acreción, fragmentos individuales de material se frotan contra otros fragmentos, drenándolos de energía rotacional y llevándolos siempre hacia adentro, hacia las fauces abiertas del horizonte de eventos del agujero negro. Pero aún así, si no fuera por esas fuerzas de fricción, el material podría orbitar alrededor del agujero negro a perpetuidad, de la misma manera que los planetas pueden orbitar alrededor del sol durante miles de millones de años..

Una llamada de ayuda

Sin embargo, a medida que te acercas al centro del agujero negro, alcanzas un cierto punto en el que todas las esperanzas de estabilidad se estrellan contra las rocas de la gravedad. Justo fuera del agujero negro, pero antes de llegar al horizonte de eventos, las fuerzas gravitacionales son tan extremas que las órbitas estables se vuelven imposibles. Una vez que llegue a esta región, no podrá permanecer en una órbita plácida. Solo tiene dos opciones: si tiene cohetes o alguna otra fuente de energía, puede impulsarse hacia un lugar seguro. Pero si eres un desafortunado pedazo de gas, estás condenado a caer libremente hacia la oscura pesadilla que te espera debajo..

Este límite, la órbita circular estable más interna (o CIUO para los amantes de la jerga astronómica), es una predicción firme de la teoría general de la relatividad de Einstein, la misma teoría que predice la existencia de agujeros negros en primer lugar..

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A pesar del éxito de la relatividad general en la predicción y explicación de fenómenos en todo el universo, y nuestro conocimiento seguro de que los agujeros negros son reales, nunca hemos podido verificar la existencia de la CIUO y si se ajusta a las predicciones de la relatividad general..

Pero el gas que cae a su perdición puede proporcionarnos una forma de verificar que la existencia.

Luces de baile

Un equipo de astrónomos publicó recientemente un artículo en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, que también se subió a la revista preprint arXiv, en el que se describe cómo aprovechar esa luz moribunda para estudiar la CIUO. Su técnica se basa en un truco astronómico conocido como mapeo de reverberación, que aprovecha el hecho de que diferentes regiones alrededor del agujero negro se iluminan de diferentes maneras..

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Cuando el gas fluye desde el disco de acreción, más allá de la CIUO, la parte más interna del disco de acreción, y hacia el agujero negro mismo, se calienta tanto que emite una amplia franja de radiación de rayos X de alta energía. Esa luz de rayos X brilla en todas las direcciones lejos del agujero negro. Podemos ver esta emisión desde la Tierra, pero los detalles de la estructura del disco de acreción se pierden en el resplandor de la gloria de los rayos X. (Comprender más sobre el disco de acreción también ayudará a los astrofísicos a manejar la CIUO).

Esa misma luz de rayos X también ilumina regiones muy fuera del disco de acreción, regiones dominadas por grupos de gas frío. El gas frío se energiza con los rayos X y comienza a emitir su propia luz, en un proceso llamado fluorescencia. También podemos detectar esta emisión, por separado del resplandor de rayos X que emana de las regiones más cercanas al agujero negro..

La luz tarda un tiempo en viajar desde la CIUO y la parte exterior del disco de acreción hasta el gas frío; si miramos con atención, podemos observar al principio las regiones centrales (la CIUO y las partes más internas del disco de acreción), seguidas poco después por la iluminación de "reverberación" de las capas fuera de la CIUO y el disco de acreción que las rodea inmediatamente..

El momento y los detalles de la luz reverberada dependen de la estructura del disco de acreción, que los astrónomos han utilizado previamente para estimar la masa de los agujeros negros. En este estudio más reciente, los investigadores utilizaron sofisticadas simulaciones por computadora para ver cómo el movimiento del gas dentro de la CIUO (cómo muere el gas cuando finalmente cae hacia el horizonte de eventos del agujero negro) afecta la emisión de rayos X tanto en las cercanías como en el exterior. gas.

Descubrieron que, si bien actualmente no tenemos la sensibilidad para medir el gas condenado, la próxima generación de telescopios de rayos X debería poder hacerlo, lo que nos permitirá confirmar la existencia del ICSO y probar si está de acuerdo con las predicciones generales. relatividad, en quizás las regiones gravitacionalmente más extremas de todo el universo.

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Publicado originalmente el . 

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