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M87* ¡¡Otro triunfo para la Relatividad General de Einstein!!

Título: First M87 Event Horizon Telescope Results. V. Physical Origin of the Asymmetric Ring
Autores: The Event Horizon Telescope Collaboration
Estado: Publicado en the Astrophysical Journal Letters, [acceso abierto]

Para Chandrasekhar, premio Nobel en Física por sus contribuciones fundamentales en la estructura y evolución de las estrellas, “los agujeros negros son los objetos macroscópicos más perfectos que existen en el universo: los únicos elementos en su construcción son nuestros conceptos de espacio y tiempo. Dado que la teoría de la relatividad general proporciona una  familia única de soluciones para sus descripciones, también son los objetos más simples…” [1]. Esa “perfección” y “simplicidad” que menciona Chandrasekhar se debe a la conclusión que se obtiene de un conjunto de teoremas de la relatividad general; los teoremas de no pelo, los cuales establecen que todos los agujeros negros sin carga, en vacío, en cuatro dimensiones descritos por la relatividad general, dependen únicamente de dos parámetros; la masa y el parámetro de rotación (cuya solución se conoce como un agujero negro de Kerr). En este sentido, una vez que se forman y se establece una configuración estacionaria, pueden describirse exactamente, es decir sin ninguna aproximación en ninguna ecuación, creando así una situación casi única en la física y, en ese sentido, un objeto físico-matemático “perfecto”.

Si la física de los agujeros negros es tan “simple”, ¿por qué desafían nuestra comprensión constantemente? Porque los agujeros negros astrofísicos (los de nuestro Universo) no pueden ser los descritos por relatividad general de Einstein, ya que las suposiciones del teorema no se cumplen en nuestro Universo (no están en vacío, ya que por lo menos en este momento hay un lector en el Universo leyendo este astrobito…) ni pueden ser estacionarios cuando tienen un disco de acreción alrededor. Sin embargo, resulta fundamental preguntarse por la validez del resto de suposiciones de estos teoremas y verificar, a través de observaciones, no solamente si los agujeros negros del Universo se pueden aproximar con una solución de la relatividad general, sino además poner a prueba las predicciones de la relatividad general en el campo fuerte combinada con el resto de la astrofísica fundamental del material que está alrededor de estos objetos compactos.

Este astrobito es una secuela de M87* ¡¡La 1ra imagen de un agujero negro!! en donde exploramos el origen físico de la asimetría en la imagen del objeto compacto central de la galaxia elíptica M87 (ver el panel izquierdo de la Figura 1). Esta imagen tiene por lo menos tres características que juegan un papel importante: (1) la geometría en forma de anillo, (2) la temperatura máxima de brillo y (3) la asimetría del anillo.

Figura1. Panel izquierdo: una imagen EHT2017 de M87. Panel central: una imagen simulada basada en un modelo GRMHD. Panel derecho: la imagen del modelo convulusionada con un haz Gaussiano FWHM de 20 microarcosegundos. Si bien las características más evidentes del modelo y los datos son similares, EHT no resuelve las características finas del modelo. Figura 1 del paper original

  • Primera: la geometría en forma de anillo. En la imagen presentada por la colaboración del Telescopio del Horizonte de eventos (en inglés Event Horizon Telescope o EHT) se aprecia un anillo brillante alrededor de una región oscura, que se produce debido a un fuerte efecto de lente gravitacional. El llamado “anillo de fotones” corresponde a las líneas de visión que permanecen cerca de las órbitas de fotones (las cuales son inestables) y, por lo tanto, tienen una trayectoria larga a través del plasma emisor. Estas líneas de visión aparecen comparativamente brillantes si el plasma emisor es ópticamente delgado. La parte oscura central es la llamada “sombra” del agujero negro y corresponde a las líneas de visión que terminan en el horizonte de eventos.
  • Segunda: la temperatura máxima de brillo. El pico de emisión está alrededor de 109K y es consistente con los modelos teóricos para un disco óptimamente delgado para una fuente como M87.
  • Tercera: la asimetría del anillo. El anillo es más brillante en el sur que en el norte. Esta característica puede ser explicada a través de la combinación del movimiento en la fuente y el efecto Doppler relativista. El lado del disco que se aproxima hacía nosotros está fuertemente enfocado por el efecto Doppler y el lado que se aleja es atenuado por la misma razón, lo cual produce un contraste de brillo de la superficie de alrededor de un orden de magnitud si la velocidad del material es cercana a la velocidad de la luz. En este sentido, la emisión es parece ser producida por un anillo de plasma que rota y está orientado a lo largo del eje del chorro de M87. Las observaciones indican entonces que el plasma está rotando en el sentido de las agujas del reloj, si lo proyectamos en nuestro cielo.

Las anteriores características han sido deducidas a través de una cuidadosa comparación de los datos obtenidos con una biblioteca extensa de imágenes simuladas, producida a partir de simulaciones que cubren un espacio de parámetros que es significativamente más grande que los explorados por estudios anteriores (ver, por ejemplo, panel central de la Fig. 1). Los resultados de esta comparación son consistentes con la hipótesis de que la emisión en M87 surge en la vecindad de un agujero negro de Kerr y que la estructura en forma de anillo de la imagen es generada por fuertes efectos de lente gravitacionales y Doppler relativista. Los modelos predicen que la asimetría de la imagen depende del sentido de giro del agujero negro y por lo tanto que existe un fuerte flujo de energía que se aleja de los polos del agujero negro. Si los modelos son correctos, entonces el motor central del chorro de M87 es impulsado por la extracción electromagnética de energía asociada con la rotación del agujero negro a través del proceso Blandford-Znajek. Este mecanismo, introducido por Roger Blandford y Roman Znajek en 1977, describe un proceso por el cual el campo magnético, generado por el movimiento de las partículas cargadas en el disco de acreción, extrae energía de rotación del agujero negro que es utilizada para la generación de los poderosos chorros de emisión (como el observado en M87).

En conclusión, las imágenes obtenidas por el EHT son impresionantemente consistentes con las expectativas de un agujero negro descrito por la relatividad general y con los modelos relativistas de magnetohidrodinámica (GRMHD) de discos de acreción existentes. ¡Triunfo para la teoría de discos de acreción y la relatividad general! La teoría de la relatividad general sigue siendo nuestra mejor teoría de la gravitación.

Referencia:

[1]. Chandrasekhar, S. The Mathematical Theory of Black Holes. Oxford Classic Texts in the Physical Sciences, Oxford University Press, USA, 1998.

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  1. Pingback: La historia detrás la primera imagen simulada de un agujero negro | Astrobites en español - 19/05/2019

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