Agujeros negros: cómo es la innovadora técnica que revela ecos de luz en el espacio profundo

En los confines del espacio profundo, los agujeros negros representan algunos de los fenómenos más extremos y misteriosos del universo. Por años, la teoría indicaba que estos objetos, al distorsionar la luz que los rodea, podrían generar “ecos” perceptibles de fotones que viajan en diferentes trayectorias.

Un equipo de astrofísicos del Instituto de Estudios Avanzados dio un paso fundamental hacia la confirmación de esta hipótesis, al desarrollar una técnica innovadora, que fue publicada en la revista The Astrophysical Journal Letters, para detectarlos.

El fenómeno de los ecos de luz en los agujeros negros resulta de la increíble fuerza gravitacional que estos objetos ejercen sobre los fotones que se aproximan a ellos. Esta fuerza es tal que, en lugar de seguir una trayectoria recta, parte de la luz queda atrapada en órbitas alrededor del agujero negro antes de dirigirse hacia el observador. A este fenómeno visual se lo conoce como efecto de lente gravitacional.

Así, los fotones toman distintos caminos y llegan en momentos escalonados, lo que crea un “eco” observable en forma de una secuencia de imágenes con tiempos de retraso específicos. La magnitud del retraso depende en gran medida de la masa del agujero negro y también es influenciada por el giro del mismo, además de la inclinación con respecto a quien lo observa.

En términos de la imagen final, estos ecos son copias demagnificadas, rotadas y distorsionadas de la imagen principal, lo que constituye un desafío para la observación directa. Esta nueva metodología, que emplea la interferometría de base muy larga entre telescopios terrestres y espaciales, permite aislar las señales de estos ecos de luz, lo que podría representar un cambio significativo en el estudio de los parámetros de los agujeros negros, como su masa y giro.

El equipo liderado por George N. Wong, miembro de Frank y Peggy Taplin en la Escuela de Ciencias Naturales del Instituto e investigador asociado en la Princeton Gravity Initiative de la Universidad de Princeton, creó la técnica que permite buscar ecos de luz alrededor de los agujeros negros.

Los investigadores recurrieron a la interferometría de muy larga base o VLBI (por sus siglas en inglés), una técnica de radioastronomía que combina señales de múltiples telescopios situados en distintas ubicaciones de la Tierra (o incluso en el espacio). El Event Horizon Telescope (EHT), que logró capturar la primera imagen del agujero negro M87, demostró el potencial de esta tecnología.

Sin embargo, para captar estos ecos de luz, se requiere una expansión de las capacidades del EHT, ya que el nivel de detalle necesario exige una precisión mayor, lograble mediante el aumento de la red de telescopios y el uso de receptores multifrecuencia.

Esta técnica permite que los investigadores midan variaciones en la amplitud de las visibilidades en frecuencias espaciales, lo que ofrece un enfoque indirecto para identificar la luz que fue redirigida por el agujero negro y poder, así, inferir el retraso en los ecos.

Es innovadora porque permite la detección de ecos creados cuando la luz que rodea un agujero negro sigue diferentes trayectorias debido al efecto de lente gravitacional. A diferencia de las observaciones tradicionales, que pueden verse afectadas por el brillo del entorno de un agujero negro, esta metodología permite observar estos fenómenos de forma independiente, lo que mejora notablemente la precisión en las mediciones.

Para hacer posible esta detección, el equipo sugiere utilizar un par de telescopios, uno en la Tierra y otro en el espacio, que trabajen juntos mediante interferometría de base muy larga. Este método, que solo requiere una misión espacial “modesta”, permitirá realizar observaciones más detalladas y estables de los ecos. También brinda la capacidad de detectar señales más débiles, lo que aportaría datos esenciales para entender mejor los agujeros negros y el espacio-tiempo.

Para verificar la efectividad de su técnica, el equipo realizó simulaciones de alta resolución a partir de un modelo basado en un agujero negro supermasivo similar a M87*, ubicado a unos 55 millones de años luz.

Estas simulaciones mostraron que es posible inferir directamente el período de retardo de los ecos en datos simulados. El modelo utilizó decenas de miles de “instantáneas” de la luz que viaja alrededor del agujero negro, lo cual permitió validar el método en un entorno controlado. Los resultados sugieren que este procedimiento podría ser aplicable a otros agujeros negros, lo que contribuiría a la medición de propiedades claves de estos objetos.

“Este método no solo permitirá confirmar cuándo se ha medido la luz que orbita un agujero negro, sino que también proporcionará una nueva herramienta para medir las propiedades fundamentales del agujero negro”, explicó Lia Medeiros, coautora del estudio y Visitante en la Escuela de Ciencias Naturales del Instituto y NASA Einstein Fellow en la Universidad de Princeton, en un comunicado del Instituto de Estudios Avanzados.

Uno de los mayores desafíos en la investigación de los agujeros negros es medir su masa y giro con precisión, debido a que las técnicas tradicionales pueden ser confundidas por la naturaleza del disco de acreción.

Este disco, formado por materia en espiral hacia el agujero negro, puede crear interferencias en las observaciones. Sin embargo, la detección de ecos de luz proporciona una medición independiente de estos parámetros, lo que permite realizar estimaciones en las que los científicos pueden confiar con mayor seguridad. Este avance podría revolucionar el estudio de los agujeros negros al facilitar la obtención de datos fiables sobre su comportamiento y naturaleza.

Comprender los ecos de luz no solo es un avance técnico, sino que abre la puerta a estudios profundos sobre la física de los agujeros negros y su influencia en la evolución de las galaxias. Estos objetos, al atraer y expulsar energía en su entorno, juegan un papel crucial en la formación y estructura de las galaxias.

“Conocer la distribución de las masas y los giros de los agujeros negros, y cómo cambia la distribución con el tiempo, mejora enormemente nuestra comprensión del universo”, afirmó Wong. Este enfoque ofrece una perspectiva más amplia sobre el impacto de los agujeros negros en la dinámica estelar y la estructura galáctica.