Simulando la fusión de agujeros negros

Cuadro de la simulación de la fusión de dos agujeros negros. Crédito: Andy Bohn/Universidad Cornell.

En Interestelar, la película de ciencia ficción estrenada en 2014, Matthew McConaughey representa un astronauta que se enfrenta a un agujero negro llamado Gargantúa. Los efectos especiales de la película han sido clamados como la representación más realista jamás hecha de este tipo de objeto cósmico.

Pero los astrofísicos tienen ahora algo mejor. Han calculado por primera vez qué vería un observador si dos agujeros negros –cada uno deformando drásticamente el tejido del espacio-tiempo según la teoría de relatividad general de Albert Einstein- se acercaran en espiral y luego se fusionaran. Las simulaciones de los investigadores (ver video inferior) revelan cómo la imagen de cada agujero negro rodea la otra y se multiplica en un caleidoscopio que cambia rápidamente de forma.

Andy Bohn de la Universidad Cornell en Ithaca, Nueva York, y sus colaboradores publicaron sus resultados el 30 de octubre en un paper.

Kip Thorne, un físico teórico del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, dijo que, hasta donde él sabe, “nunca ha habido visualizaciones anteriores de lentes gravitacionales de agujeros negros colisionando y fusionándose”. Fue una idea de Thorne la que finalmente se transformó en la película Interestelar, y trabajó como asesor durante su producción. Thorne cofundó el grupo de teoría de relatividad de Caltech que colaboró con los astrofísicos de Cornell en las últimas simulaciones, pero él no participó en el estudio realizado por Bohn y sus colaboradores.

Juego de sombras

Efecto de lente causado por varios espacio-tiempos analíticos. Para los paneles se usó un fondo coloreado, con la cámara dirigida hacia el punto blanco. Crédito: Andy Bohn y colaboradores.

El equipo de Bohn partió desde las simulaciones existentes de cómo los agujeros negros deforman el espacio-tiempo. Con esta base, calcularon la trayectoria de los rayos de luz vistos por el lente de una cámara cuando los rayos viajaran a través del espacio-tiempo altamente distorsionado. En estudios anteriores de tales efectos ópticos, investigadores habían examinado solo lentes gravitacionales débiles en que la trayectoria de un rayo de luz es desviada en no más de 0,003 grados, señala Bohn.

Como se esperaba, cada agujero negro proyecta su propia gran sombra, ya sea con forma de anillo o gota, como resultado de la luz de fondo que cada agujero absorbió e impidió que llegara a la cámara. Y muchas sombras más pequeñas, con formas similares a cejas, aparecieron cuando la sombra de uno de los agujeros negros fue distorsionada por la gravedad del otro. Pero el trabajo también reveló algunas sorpresas. Parecía haber una cantidad infinita de dichas “cejas”, cada una correspondiente a rayos de luz orbitando los agujeros negros en fusión una cantidad diferente de veces antes que la luz alcanzara la cámara.

Para los agujeros negros que tienen masas idénticas, Bohn y sus colaboradores descubrieron una característica interesante: cuando los físicos ampliaron el cuadro en escalas espaciales cada vez más pequeñas en su simulación, las cejas repitieron el mismo patrón estructural. Este patrón autosimilar, o fractal, no se espera en sistemas tan complejos, dice Bohn.

Detalle de las sombras cerca del agujero negro en fusión, con una “ceja” claramente visible. Crédito: Andy Bohn y colaboradores.

“Este trabajo es importante debido a que los espacio-tiempos dinámicos más importantes astrofísicamente, como los agujeros negros en fusión, solo pueden ser explorados usando simulación de computador”, señala el astrofísico Geoffrey Lovelace de la Universidad Estatal de California en Fullerton, quien no participó del equipo del descubrimiento. Aunque varios grupos de investigación han simulado la fusión de agujeros negros, “lo nuevo y emocionante aquí es que Bohn y sus colaboradores han ideado una manera de trazar los rayos de luz a medida que viajan a través de estos espacio-tiempos simulados, para ver lo que un observador cercano vería”, añade.

Las visualizaciones en Interestelar también son retratadas a través de lentes gravitacionales, y usan una técnica similar de trazado de luz, pero con la resolución mucho más alta requerida para una película IMAX, señala Thorne. Las imágenes de la película muestran un agujero negro supermasivo rodeado por un disco de acreción –un disco arremolinado de materia que alimenta al monstruo-, mientras que el equipo de Bohn examinó dos agujeros negros en colisión sin discos de acreción. Los agujeros negros típicos, que tienen tanta masa como una estrella de gran tamaño, no tienen necesariamente discos de acreción, dice Bohn.

Bohn ve el estudio de su equipo como un trampolín para explorar lo que un observador vería si una estrella muerta y compacta conocida como estrella de neutrones se fusionara con un agujero negro. Eso es un problema más complejo, dado que los investigadores tendrían que tomar en cuenta la luz propia de la estrella, que es emitida en estallidos a medida que la estrella es destrozada por el agujero negro.

La técnica de trazado de rayos debería permitir al equipo producir imágenes detalladas de estas fusiones, dice Bohn. Esto produce huellas ópticas que los astrónomos podrían buscar cuando examinen el cielo en busca de estas colisiones raras, pero importantes.

El artículo “What would a binary black hole merger look like?” puede encontrarse en el repositorio arXiv.

Fuente: Nature