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La historia detrás la primera imagen simulada de un agujero negro

La historia detrás la primera imagen simulada de un agujero negro

  • Título del artículo técnico: An Illustrated History of Black Hole Imaging : Personal Recollections (1972-2002)
  • Autor: Jean-Pierre Luminet
  • Instituciones: Aix-Marseille Université, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) UMR 7326 & Centre de Physique Théorique de Marseille (CPT) UMR 7332
& Observatoire de Paris (LUTH) UMR 8102
  • arXiv: arXiv:1902.11196 [astro-ph.HP]

Un par de días antes de que la colaboración del Telescopio del Horizonte de Eventos (en inglés, Event Horizon Telescope o EHT) presentara la primera imagen del agujero negrosupermasivo en el centro de la galaxia M87, el astrofísico francés Jean-Pierre Luminet, pionero en el campo de cosmología y relatividad general, escribió sobre la historia de este campo de investigación y cómo desde hace décadas muchos investigadores utilizaron el computador para construir imágenes de cómo se vería un agujero negro rodeado por un disco de acreción. El cálculo de estas imágenes no resulta trivial, dado que se debe tener en cuenta los efectos de gravedad extrema (gran curvatura del espacio-tiempo) que la luz experimenta, causando así deformaciones ópticas considerables.

La historia se remonta al trabajo pionero de Bardeen en 1973, en donde él analizó cuidadosamente la propagación de la luz alrededor de un agujero negro rotante. En ese trabajo calculó cómo la rotación del agujero negro afecta la forma de la sombra que el horizonte de eventos proyecta sobre la luz de un campo de estrellas de fondo, Figura 1.

Figura 1. La silueta aparente de un agujero negro que un observador distante en el plano ecuatorial ve si el agujero negro está frente a una fuente de iluminación, cuyo tamaño angular es mayor que el del agujero negro. Esta es la famosa sombra de un agujero negro. Imagen dibujada por Bardeen en 1972.  Crédito: Figura 1 del artículo original.

Un par de meses después Bardeen y su estudiante de doctorado Cunningham, calcularon la apariencia óptica de una estrella en una órbita circular en el plano ecuatorial alrededor de agujero negro rotante. En ese trabajo tuvieron en cuenta el efecto Doppler debido al movimiento relativista de la estrella y calcularon detalladamente la amplificación correspondiente de la luminosidad de la estrella, sin presentar una imagen. Sin embargo, un año después, por primera vez presentaron una figura en la que se veían las imágenes primarias y secundarias, producidas por el efecto de lente gravitacional, de una fuente puntual que se mueve en una órbita circular en el plano ecuatorial de un agujero negro, Figura 2.

Figura 2. Posición aparente de la imagen más brillante de una estrella en órbita circular en función del tiempo, para un radio y un observador en un ángulo polar particular. El círculo pequeño y discontinuo en la figura proporciona la escala de la gráfica. La imagen directa se mueve a lo largo de la línea continua, la imagen secundaria a lo largo de la línea discontinua. Los 10 círculos huecos sobre las líneas denotan las posiciones de las imágenes a intervalos iguales de tiempo. Imagen dibujada por Cunningham y Bardeen 1973. Crédito: Figura 2 del artículo original.

¿Qué pasa entonces si en vez de una fuete puntual se ubica un disco de acreción? Ese fue el trabajo seminal de Luminet en 1978. Utilizando un IBM 7040 integró las ecuaciones de movimiento de la luz alrededor de un agujero negro rotante, dibujó líneas isoradiales, i.e., a una distancia radial constante del agujero negro, y tuvo en cuenta las propiedades físicas del disco de acreción como la temperatura, emisividad y rotación, que generarán radiación en cada punto del disco. Esa radiación se ve afectada por dos efectos: uno debido a que el que el campo gravitatorio disminuye la frecuencia y disminuye la intensidad de la luz y otro debido a la combinación de los efectos Doppler y de colimación, donde el desplazamiento de la fuente con respecto al observador provoca la amplificación a medida que la fuente se aproxima y la atenuación a medida que la fuente se retira.

En un verdadero Tour de Force Luminet calculó en cada punto de un papel fotográfico estos efectos a mano, a falta de un software de dibujo. Usando los datos numéricos de la computadora, dibujó con lápiz y tinta directamente sobre un negativo, colocando más puntos donde la simulación mostró más luz (unos pocos miles de puntos para la placa completa). Luego, tomó el negativo de ese negativo para obtener un positivo, así que los puntos negros se volvieron blancos y el fondo blanco se volvió negro. ¡Brillante! El resultado convergió en la forma agradablemente orgánica y asimétrica que se presenta en la Figura 3, la cual no solamente es visualmente atractiva sino científicamente reveladora. La primera imagen simulada de un agujero negro con un disco de acreción alrededor.

Dos características para resaltar de la Figura 3. Primera: una fuerte asimetría del brillo del disco, de modo que un lado es mucho más brillante y el otro más tenue. Segunda: aunque el lado superior del disco es completamente visible, solo una pequeña parte del lado inferior es observable. Este último efecto se debe al hecho de que, en una situación realista, el disco de acreción es opaco; por lo tanto absorbe los rayos de luz que intercepta. Esas dos propiedades que Luminet predijo y mostró en su imagen están presentes también la imagen presentada por la colaboración EHT, ver este astrobito sobre las propiedades físicas de la imagen. Muy a pesar de que hoy en día se pueden ver muchas representaciones educativas o artísticas en revistas científicas populares y en la web, estas imágenes no reportan la realidad astrofísica. Sin embargo, la imagen que presentó Luminet en 1978 causó sensación y además es fiel a la astrofísica.

Sin lugar a dudas, “fotografiar” agujeros negros, primero con computadoras y  ahora con telescopios ha sido una aventura fantástica que está lejos de llegar a su fin.

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