Los remolinos en el espacio-tiempo provocados por los agujeros negros pueden ser visibles desde la Tierra

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Un grupo internacional de astrónomos y físicos ha encontrado que los agujeros negros en rotación dejan una huella en la radiación que pasa cerca, que debería ser detectable usando los radiotelescopios más sensibles de la actualidad. Observar esta firma nos podría decir más sobre cómo evolucionan las galaxias y proporcionar un test para la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein.

La Relatividad General dice que objetos muy masivos, como los agujeros negros, curvan el espacio tiempo, doblando el camino de la luz que pasa cerca de ellos – un efecto conocido como lente gravitatoria. La teoría también predice que un agujero negro en rotación arrastrará el espacio-tiempo con él, creando un vórtice que obliga a todos los objetos cercanos, incluyendo fotones, a seguir dicha rotación.

os astrónomos ya tienen pruebas indirectas de que los agujeros negros supermasivos que se cree que están en el núcleo de muchas galaxias, giran. La rotación del agujero negro de la Vía Láctea, por ejemplo, viene sugerido por la distribución de velocidad de las estrellas dentro de la galaxia, pero proporciona sólo una medida inexacta, debido a que no se saben exactamente cuánta materia contiene la galaxia. Algunos astrónomos creen que el agujero negro está rotando muy rápidamente, mientras que otros mantienen que su rotación es lenta.

En un artículo publicado hoy por la revista Nature Physics1, Fabrizio Tamburini, astrónomo de la Universidad de Padua, en Italia, y sus colegas, demuestran cómo puede detectarse más directamente la rotación, mediante la medición de cambios en la luz que pasa cerca de un agujero negro.

El equipo dice que el frente de onda de la radiación que viaja en un plano perpendicular al eje de giro del agujero negro, queda retorcido cuando pasa cerca del agujero negro, debido a que la mitad del frente de onda se moverá en la dirección de avance del espacio-tiempo, mientras que la otra mitad lo hará en sentido contrario. Esto dará una fase a la radiación – es decir, la posición precisa de los picos y valles de las ondas – una distribución distintiva en el espacio. Esto hará posible determinar, con mucha mayor precisión, la velocidad a la que los giran los agujeros negros.

Los investigadores usaron una simulación por ordenador para modelar la distribución de fase resultante del agujero negro de la Vía Láctea, y encontraron que el patrón debería ser visible desde el terreno. Dicen que podría medirse apuntando un conjunto de radiotelescopios hacia el centro de la galaxia, usando distintos telescopios para observar diferentes segmentos del frente de onda en aproximación, y luego superponiendo estos segmentos entre sí para calcular la fase relativa. Este procedimiento se repetiría muchas veces, con los telescopios apuntando a una sección distinta del cielo cada vez alrededor del agujero negro.

Orígenes galácticos

Tamburini describe los hallazgos de su grupo como “fundamentalmente importantes”, dado que los objetos más masivos del universo giran. En particular, dice, estudiar la rotación de agujeros negros en núcleos galácticos activos mejorará la comprensión de los astrónomos de estas galaxias activas, dado que la rotación de estos agujeros negros calentaría considerablemente las galaxias y, por tanto, potencialmente alteraría su evolución.

Los investigadores dicen que, suponiendo que reciban fondos, podrían llevar a cabo medidas de la distribución de fase de los fotones alrededor de los agujeros negros en los próximos dos años, usando un conjunto existente de radiotelescopios, tales como el Conjunto de Línea Base Muy Grande (VLBA) de diez radiotelescopios en Socorro, Nuevo México. El planificado Conjunto del Kilómetro Cuadrado (SKA), un proyecto internacional que consta de miles de antenas, que se prevé que sea 50 veces más potente que cualquier instrumento de radio en uso en la actualidad, y que tiene previsto entrar en funcionamiento en 2024, sería incluso más útil para dicha tarea.

Richard Matzner, astrofísico de la Universidad de Texas en Austin, está de acuerdo en que las medidas propuestas nos darían una idea mucho mejor de lo que está sucediendo cerca de los agujeros negros. También señala que la observación de los patrones de distribución de fase encontrados por Tamburini y sus colegas proporcionaría una prueba experimental extra para la Teoría de la Relatividad General. Inversamente, si no se encuentra el patrón, podría indicar que debería buscarse una teoría de la gravedad alternativa, o al menos esos procesos astrofísicos anteriormente desconocidos que entran en juego.

Pero Matzner no cree que los actuales radiotelescopios sean lo bastante sensibles para hacer unas observaciones tan exigentes. Las medidas implican no sólo fotografiar una porción del cielo extremadamente pequeña, sino también medir la variación de fase a través del cielo, lo que sobrepasará las capacidades del VLBA.

Matzner dice que dado que la radiación emitida desde la vecindad de un agujero negro tiende a ser la más brillante en altas frecuencias, tales como las de rayos-X o rayos gamma en lugar de ondas de luz o radio, tendría más sentido usar instrumentos que operen en estas frecuencias. Matzner apunta que esto significaría lanzar nuevos observatorios espaciales, dado que los rayos-X y rayos gamma son absorbidos por la atmósfera.

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