Preguntale a Ethan: Como luciría el horizonte de sucesos de un agujero negro?
Una ilustración de un agujero negro. A pesar de lo oscuro que es, todos los agujeros negros se cree que se han formado de la materia normal solo, pero ilustraciones como estas son sólo parcialmente precisas. Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech
Comenzó con estallido
El Universo está ahí, esperando a que lo descubras.
Original de Ethan Siegel para Forbes Abril 22, 2017
Las opiniones de Ethan Siegel, son exclusivas de él.
A principios de este mes, los telescopios de todo el mundo tomaron datos, simultáneamente, del agujero negro central de la Vía Láctea. De todos los agujeros negros que se conocen en el Universo, el de nuestro centro galáctico - Sagitario A * - es especial. Desde nuestro punto de vista, su horizonte de sucesos es el más grande de todos los agujeros negros. Es tan grande que los telescopios situados en diferentes lugares de la Tierra deben ser capaces de directamente tomar una imagen, si todos lo enfocaron simultáneamente. Si bien se necesitarán meses para combinar y analizar los datos de todos los diferentes telescopios, debemos obtener nuestra primera imagen de un horizonte de eventos para finales de 2017. ¿Qué aspecto tendrá? Esa es la cuestión de Dan Barrett, que ha visto algunas ilustraciones y es un poco desconcertado:
¿No debería el horizonte del evento rodear completamente el agujero negro como una cáscara de huevo? Todas las representaciones de un agujero negro son como cortar un huevo duro por la mitad y mostrar esa imagen. ¿Cómo es que el horizonte de eventos no rodea completamente el agujero negro?
Hay algunas clases diferentes de ilustraciones flotando alrededor, para estar seguro. Pero, ¿cuál es correcta, si las hay?
Las ilustraciones que ilustran un círculo negro simple, quizás con un anillo alrededor de él, son una imagen está muy simplificada de lo qué es un horizonte del acontecimientos parece. Crédito de la imagen: Victor de Schwanberg
El tipo más antiguo de ilustración es simplemente un disco circular, negro, bloqueando toda la luz de fondo de detrás de ella. Esto tiene sentido si piensas en lo que realmente es un agujero negro: una colección de masa tan grande y tan compacta que la velocidad de escape de su superficie es mayor que la velocidad de la luz! Puesto que nada puede moverse tan rápidamente, ni siquiera las fuerzas o interacciones entre las partículas dentro del agujero negro, el interior de un agujero negro colapsa hasta convertirse en una singularidad, y se crea un horizonte de eventos alrededor del agujero negro. De esta región esférica del espacio, ninguna luz puede escapar, y así debe aparecer como un círculo negro, desde cualquier perspectiva, superpuesta sobre el fondo del Universo.
Un agujero negro no es sólo una masa superpuesta sobre un fondo aislado, sino que exhibirá efectos gravitatorios que estiran, magnifican y distorsionan la luz de fondo debido a la lente gravitatoria. Crédito de la imagen:Ute Kraus, Physics education group Kraus / Axel Mellinger
Pero hay más en la historia que eso. Debido a su gravedad, los agujeros negros magnificarán y distorsionarán cualquier luz del fondo, debido al efecto de la lente gravitatoria. Esta es una ilustración más detallada y precisa de lo que parece un agujero negro, ya que también posee un horizonte de eventos aparente de tamaño adecuado con la curvatura del espacio en la Relatividad General.
Desafortunadamente, estas ilustraciones son defectuosas, también: no dan cuenta de material de primer plano y del disco de acreción alrededor del agujero negro. Sin embargo, algunas ilustraciones lo añaden con éxito.
Una ilustración de un agujero negro activo, que acrecienta la materia y acelera una parte de ella hacia afuera en dos chorros perpendiculares, puede describir el agujero negro en el centro de nuestra galaxia en muchos aspectos. Crédito de la imagen:Mark A. Garlick
Debido a sus tremendos efectos gravitatorios, los agujeros negros formarán discos de acreción en presencia de otras fuentes de materia. Asteroides, nubes de gas o incluso estrellas enteras serán desgarradas por las fuerzas de marea que provienen de un objeto tan masivo como un agujero negro. Debido a la conservación del momento angular y de las colisiones entre las diversas partículas que están cayendo dentro, un objeto similar al disco emergerá alrededor del agujero negro, que se calentará y emitirá radiación. En las regiones más internas, las partículas caen ocasionalmente adentro, agregando a la masa del agujero negro, mientras que el material delante del agujero negro oscurecerá parte de la esfera / círculo que usted vería de otra manera.
Pero el horizonte de eventos en sí no es transparente, y no debería ser capaz de ver lo que sucede detrás de él.
El agujero negro, como se ilustra en la película Interstellar, muestra un horizonte de eventos con bastante precisión para una clase muy específica de agujeros negros giratorios. Crédito de la imagen: Interstellar / R. Hurt / Caltech
Puede parecer sorprendente que una película de Hollywood - Interstellar - tenga una ilustración más exacta de un agujero negro que muchas de las piezas profesionales de arte creado para / por la NASA, pero los conceptos erróneos abundan, incluso entre los profesionales, cuando se trata de agujeros negros . Los agujeros negros no absorben la materia; Simplemente gravitan. Los agujeros negros no desgarran las cosas por causa de cualquier fuerza extra; Es simplemente fuerzas de marea - donde una parte del objeto cayendo dentro está más cerca del centro que otra - eso lo hace. Y lo más importante, los agujeros negros rara vez existen en un estado "desnudo", sino que existen en las proximidades de otras materias, como en el centro de nuestra galaxia
Una imagen compuesta de rayos X / infrarrojos del agujero negro en el centro de nuestra galaxia: Sagitario A *. Tiene una masa de alrededor de cuatro millones de soles, y se encuentra rodeada de gas caliente que emite rayos X Crédito de la imagen: X-ray: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
Así que con todo eso en mente, ¿cuáles son las imágenes de huevo duro que han estado dando vueltas? Recuerde, no podemos imaginar el agujero negro en sí, porque no emite luz! Todo lo que podemos hacer es mirar una determinada longitud de onda, y ver una combinación de la luz que emite que viene de alrededor, detrás y delante del agujero negro sí mismo. La señal esperada, de hecho, se asemeja a un huevo duro partido.
Algunas de las posibles señales de perfil del horizonte de eventos del agujero negro como simulaciones del Telescopio Event Horizon indican. Crédito de la imagen: High-Angular-Resolution and High-Sensitivity Science Enabled by Beamformed ALMA, V. Fish et al., arXiv:1309.3519
Esto tiene que ver con lo que estamos imaginando. No podemos ver los rayos X, porque hay muy pocos fotones de rayos X en general. No podemos mirar en luz visible, porque el centro galáctico es opaco. Y no podemos mirar en el infrarrojo, porque la atmósfera bloquea la luz infrarroja. Pero lo que podemos hacer es buscar en la radio, y lo podemos hacer en todo el mundo, de forma simultánea, para obtener la resolución óptima posible.
Una visión de los componentes del telescopio Event Horizon de un hemisferio Crédito de la imagen: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin
El agujero negro en el centro galáctico tiene un tamaño angular de alrededor de 37 micro-arco-segundos, mientras que la resolución de este conjunto de telescopios es de alrededor de 15 micro-arco-segundos, por lo que debería ser capaz de verlo! En las frecuencias de radio, la abrumadora mayoría de esa radiación proviene de partículas de materia cargada que se aceleran alrededor del agujero negro. No sabemos cómo se orientará el disco, si habrá varios discos, si será más como un enjambre de abejas o más como un disco compacto. Tampoco sabemos si preferirá un "lado" del agujero negro, visto desde nuestra perspectiva, sobre otro.
Cinco simulaciones diferentes en relatividad general, usando un modelo magnetohidrodinámico del disco de acreción del agujero negro, y cómo la señal de radio se verá como resultado. Crédito de la imagen: GRMHD simulations of visibility amplitude variability for Event Horizon Telescope images of Sgr A*, L. Medeiros et al., arXiv:1601.06799
Esperamos que el horizonte de eventos sea real, que sea de un tamaño específico, y que bloquee toda la luz que viene detrás de él. Pero también esperamos que haya alguna señal delante de ella, que la señal será desordenada debido al entorno desordenado alrededor del agujero negro, y que la orientación del disco con respecto al agujero negro jugará un papel importante en Determinando lo que vemos.
Un lado es más brillante a medida que el disco gira hacia nosotros; Un lado es más débil a medida que el disco gira. Todo el "contorno" del horizonte de eventos puede ser visible también, gracias al efecto de la lente gravitacional. Quizás lo más importante, si el disco se ve "borde-en" o "cara-en" con respecto a nosotros drásticamente alterará la señal, como el 1ro y 3ro paneles abajo ilustran.
La orientación del disco de acreción como cara-en (izquierda dos paneles) o borde-en (dos paneles derecho) puede alterar enormemente cómo el agujero negro nos aparece. Crédito de la imagen: Zulema Abraham, Universidade de São Paulo
Hay otros efectos que podemos probar, incluyendo:
O si hay alguna otra desviación del comportamiento esperado. Esta es una nueva frontera en física, y estamos preparados para probarlo directamente. Una cosa es cierta: no importa lo que vea el Telescopio Event Horizon, ¡estamos obligados a aprender algo nuevo y maravilloso sobre algunos de los objetos y condiciones más extremas del Universo!
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with a little help of Google translate
Una ilustración de un agujero negro. A pesar de lo oscuro que es, todos los agujeros negros se cree que se han formado de la materia normal solo, pero ilustraciones como estas son sólo parcialmente precisas. Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech
Comenzó con estallido
El Universo está ahí, esperando a que lo descubras.
Original de Ethan Siegel para Forbes Abril 22, 2017
Las opiniones de Ethan Siegel, son exclusivas de él.
A principios de este mes, los telescopios de todo el mundo tomaron datos, simultáneamente, del agujero negro central de la Vía Láctea. De todos los agujeros negros que se conocen en el Universo, el de nuestro centro galáctico - Sagitario A * - es especial. Desde nuestro punto de vista, su horizonte de sucesos es el más grande de todos los agujeros negros. Es tan grande que los telescopios situados en diferentes lugares de la Tierra deben ser capaces de directamente tomar una imagen, si todos lo enfocaron simultáneamente. Si bien se necesitarán meses para combinar y analizar los datos de todos los diferentes telescopios, debemos obtener nuestra primera imagen de un horizonte de eventos para finales de 2017. ¿Qué aspecto tendrá? Esa es la cuestión de Dan Barrett, que ha visto algunas ilustraciones y es un poco desconcertado:
¿No debería el horizonte del evento rodear completamente el agujero negro como una cáscara de huevo? Todas las representaciones de un agujero negro son como cortar un huevo duro por la mitad y mostrar esa imagen. ¿Cómo es que el horizonte de eventos no rodea completamente el agujero negro?
Hay algunas clases diferentes de ilustraciones flotando alrededor, para estar seguro. Pero, ¿cuál es correcta, si las hay?
Las ilustraciones que ilustran un círculo negro simple, quizás con un anillo alrededor de él, son una imagen está muy simplificada de lo qué es un horizonte del acontecimientos parece. Crédito de la imagen: Victor de Schwanberg
El tipo más antiguo de ilustración es simplemente un disco circular, negro, bloqueando toda la luz de fondo de detrás de ella. Esto tiene sentido si piensas en lo que realmente es un agujero negro: una colección de masa tan grande y tan compacta que la velocidad de escape de su superficie es mayor que la velocidad de la luz! Puesto que nada puede moverse tan rápidamente, ni siquiera las fuerzas o interacciones entre las partículas dentro del agujero negro, el interior de un agujero negro colapsa hasta convertirse en una singularidad, y se crea un horizonte de eventos alrededor del agujero negro. De esta región esférica del espacio, ninguna luz puede escapar, y así debe aparecer como un círculo negro, desde cualquier perspectiva, superpuesta sobre el fondo del Universo.
Un agujero negro no es sólo una masa superpuesta sobre un fondo aislado, sino que exhibirá efectos gravitatorios que estiran, magnifican y distorsionan la luz de fondo debido a la lente gravitatoria. Crédito de la imagen:Ute Kraus, Physics education group Kraus / Axel Mellinger
Pero hay más en la historia que eso. Debido a su gravedad, los agujeros negros magnificarán y distorsionarán cualquier luz del fondo, debido al efecto de la lente gravitatoria. Esta es una ilustración más detallada y precisa de lo que parece un agujero negro, ya que también posee un horizonte de eventos aparente de tamaño adecuado con la curvatura del espacio en la Relatividad General.
Desafortunadamente, estas ilustraciones son defectuosas, también: no dan cuenta de material de primer plano y del disco de acreción alrededor del agujero negro. Sin embargo, algunas ilustraciones lo añaden con éxito.
Una ilustración de un agujero negro activo, que acrecienta la materia y acelera una parte de ella hacia afuera en dos chorros perpendiculares, puede describir el agujero negro en el centro de nuestra galaxia en muchos aspectos. Crédito de la imagen:Mark A. Garlick
Debido a sus tremendos efectos gravitatorios, los agujeros negros formarán discos de acreción en presencia de otras fuentes de materia. Asteroides, nubes de gas o incluso estrellas enteras serán desgarradas por las fuerzas de marea que provienen de un objeto tan masivo como un agujero negro. Debido a la conservación del momento angular y de las colisiones entre las diversas partículas que están cayendo dentro, un objeto similar al disco emergerá alrededor del agujero negro, que se calentará y emitirá radiación. En las regiones más internas, las partículas caen ocasionalmente adentro, agregando a la masa del agujero negro, mientras que el material delante del agujero negro oscurecerá parte de la esfera / círculo que usted vería de otra manera.
Pero el horizonte de eventos en sí no es transparente, y no debería ser capaz de ver lo que sucede detrás de él.
El agujero negro, como se ilustra en la película Interstellar, muestra un horizonte de eventos con bastante precisión para una clase muy específica de agujeros negros giratorios. Crédito de la imagen: Interstellar / R. Hurt / Caltech
Puede parecer sorprendente que una película de Hollywood - Interstellar - tenga una ilustración más exacta de un agujero negro que muchas de las piezas profesionales de arte creado para / por la NASA, pero los conceptos erróneos abundan, incluso entre los profesionales, cuando se trata de agujeros negros . Los agujeros negros no absorben la materia; Simplemente gravitan. Los agujeros negros no desgarran las cosas por causa de cualquier fuerza extra; Es simplemente fuerzas de marea - donde una parte del objeto cayendo dentro está más cerca del centro que otra - eso lo hace. Y lo más importante, los agujeros negros rara vez existen en un estado "desnudo", sino que existen en las proximidades de otras materias, como en el centro de nuestra galaxia
Una imagen compuesta de rayos X / infrarrojos del agujero negro en el centro de nuestra galaxia: Sagitario A *. Tiene una masa de alrededor de cuatro millones de soles, y se encuentra rodeada de gas caliente que emite rayos X Crédito de la imagen: X-ray: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
Así que con todo eso en mente, ¿cuáles son las imágenes de huevo duro que han estado dando vueltas? Recuerde, no podemos imaginar el agujero negro en sí, porque no emite luz! Todo lo que podemos hacer es mirar una determinada longitud de onda, y ver una combinación de la luz que emite que viene de alrededor, detrás y delante del agujero negro sí mismo. La señal esperada, de hecho, se asemeja a un huevo duro partido.
Algunas de las posibles señales de perfil del horizonte de eventos del agujero negro como simulaciones del Telescopio Event Horizon indican. Crédito de la imagen: High-Angular-Resolution and High-Sensitivity Science Enabled by Beamformed ALMA, V. Fish et al., arXiv:1309.3519
Esto tiene que ver con lo que estamos imaginando. No podemos ver los rayos X, porque hay muy pocos fotones de rayos X en general. No podemos mirar en luz visible, porque el centro galáctico es opaco. Y no podemos mirar en el infrarrojo, porque la atmósfera bloquea la luz infrarroja. Pero lo que podemos hacer es buscar en la radio, y lo podemos hacer en todo el mundo, de forma simultánea, para obtener la resolución óptima posible.
Una visión de los componentes del telescopio Event Horizon de un hemisferio Crédito de la imagen: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin
El agujero negro en el centro galáctico tiene un tamaño angular de alrededor de 37 micro-arco-segundos, mientras que la resolución de este conjunto de telescopios es de alrededor de 15 micro-arco-segundos, por lo que debería ser capaz de verlo! En las frecuencias de radio, la abrumadora mayoría de esa radiación proviene de partículas de materia cargada que se aceleran alrededor del agujero negro. No sabemos cómo se orientará el disco, si habrá varios discos, si será más como un enjambre de abejas o más como un disco compacto. Tampoco sabemos si preferirá un "lado" del agujero negro, visto desde nuestra perspectiva, sobre otro.
Cinco simulaciones diferentes en relatividad general, usando un modelo magnetohidrodinámico del disco de acreción del agujero negro, y cómo la señal de radio se verá como resultado. Crédito de la imagen: GRMHD simulations of visibility amplitude variability for Event Horizon Telescope images of Sgr A*, L. Medeiros et al., arXiv:1601.06799
Esperamos que el horizonte de eventos sea real, que sea de un tamaño específico, y que bloquee toda la luz que viene detrás de él. Pero también esperamos que haya alguna señal delante de ella, que la señal será desordenada debido al entorno desordenado alrededor del agujero negro, y que la orientación del disco con respecto al agujero negro jugará un papel importante en Determinando lo que vemos.
Un lado es más brillante a medida que el disco gira hacia nosotros; Un lado es más débil a medida que el disco gira. Todo el "contorno" del horizonte de eventos puede ser visible también, gracias al efecto de la lente gravitacional. Quizás lo más importante, si el disco se ve "borde-en" o "cara-en" con respecto a nosotros drásticamente alterará la señal, como el 1ro y 3ro paneles abajo ilustran.
La orientación del disco de acreción como cara-en (izquierda dos paneles) o borde-en (dos paneles derecho) puede alterar enormemente cómo el agujero negro nos aparece. Crédito de la imagen: Zulema Abraham, Universidade de São Paulo
Hay otros efectos que podemos probar, incluyendo:
- Si el agujero negro tiene el tamaño correcto según lo predicho por la relatividad general,
- Si el horizonte de eventos es circular (como se predijo), o oblato o prolate en su lugar,
- Si las emisiones de radio se extienden más lejos de lo que pensábamos,
O si hay alguna otra desviación del comportamiento esperado. Esta es una nueva frontera en física, y estamos preparados para probarlo directamente. Una cosa es cierta: no importa lo que vea el Telescopio Event Horizon, ¡estamos obligados a aprender algo nuevo y maravilloso sobre algunos de los objetos y condiciones más extremas del Universo!
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