Deja Vu distorsionado: cómo se refleja el universo cerca de los agujeros negros

_{Un disco de gas brillante se arremolina en el agujero negro «Gargantua» de la película Interstellar. Debido a que el espacio se curva alrededor del agujero negro, es posible mirar alrededor de su lado más alejado y ver la parte del disco de gas que de otro modo estaría oculta por el agujero. Nuestro estudiante de maestría danés en NBI, Albert Sneppen, ha aumentado nuestra comprensión de este mecanismo. Crédito: Interstellar.wiki/}CC BY-NC

En las proximidades de los agujeros negros, el espacio está tan deformado que incluso los rayos de luz pueden curvarse a su alrededor varias veces. Este fenómeno puede permitirnos ver múltiples versiones de lo mismo. Si bien esto se ha sabido durante décadas, solo ahora tenemos una expresión matemática exacta, gracias a Albert Sneppen, estudiante del Instituto Niels Bohr. El resultado, que incluso es más útil en agujeros negros realistas, acaba de ser publicado en la revista Scientific Reports .

Probablemente hayas oído hablar de los agujeros negros, los maravillosos bultos de gravedad de los que ni siquiera la luz puede escapar. También es posible que haya escuchado que el espacio en sí e incluso el tiempo se comportan de manera extraña cerca de los agujeros negros; el espacio está deformado.

_{La luz de la galaxia de fondo rodea un agujero negro un número cada vez mayor de veces, cuanto más se acerca al agujero y, por lo tanto, vemos la misma galaxia en varias direcciones. Crédito: Peter Laursen}

En las proximidades de un agujero negro, el espacio se curva tanto que los rayos de luz se desvían, y la luz muy cercana puede desviarse tanto que viaja varias veces alrededor del agujero negro. Por lo tanto, cuando observamos una galaxia de fondo distante (o algún otro cuerpo celeste), podemos tener la suerte de ver la misma imagen de la galaxia varias veces, aunque cada vez más distorsionada.

Galaxias en múltiples versiones

El mecanismo se muestra en la siguiente figura: Una galaxia distante brilla en todas las direcciones: parte de su luz se acerca al agujero negro y se desvía ligeramente; algo de luz se acerca aún más y rodea el agujero una sola vez antes de escapar hacia nosotros, y así sucesivamente. Mirando cerca del agujero negro, vemos más y más versiones de la misma galaxia, cuanto más cerca del borde del agujero estamos mirando.

¿Cuánto más cerca del agujero negro hay que mirar desde una imagen para ver la siguiente? El resultado se conoce desde hace más de 40 años, y es unas 500 veces (para los aficionados a las matemáticas, es más exactamente la «función exponencial de dos pi», escrito e2π).

_{La situación vista «de frente», es decir, cómo la observaríamos realmente desde la Tierra. Las imágenes adicionales de la galaxia se vuelven cada vez más comprimidas y distorsionadas, cuanto más de cerca miramos el agujero negro. Crédito: Peter Laursen}

Calcular esto es tan complicado que, hasta hace poco, aún no habíamos desarrollado una intuición matemática y física de por qué resulta ser este factor exacto. Pero utilizando algunos ingeniosos trucos matemáticos, el estudiante de maestría Albert Sneppen del Cosmic Dawn Center, un centro de investigación básica del Instituto Niels Bohr y DTU Space, ahora ha logrado demostrar por qué.

“Hay algo fantásticamente hermoso en comprender ahora por qué las imágenes se repiten de una manera tan elegante. Además de eso, brinda nuevas oportunidades para poner a prueba nuestra comprensión de la gravedad y los agujeros negros ”, aclara Albert Sneppen.

Probar algo matemáticamente no solo es satisfactorio en sí mismo; de hecho, nos acerca a la comprensión de este maravilloso fenómeno. El factor «500» se deriva directamente de cómo funcionan los agujeros negros y la gravedad, por lo que las repeticiones de las imágenes ahora se convierten en una forma de examinar y probar la gravedad.

Agujeros negros giratorios

Como característica completamente nueva, el método de Sneppen también puede generalizarse para aplicarse no solo a los agujeros negros «triviales», sino también a los agujeros negros que giran. Lo cual, de hecho, todos lo hacen.

“Resulta que cuando gira muy rápido, ya no tienes que acercarte al agujero negro en un factor de 500, sino mucho menos. De hecho, cada imagen está ahora solo 50, o 5, o incluso 2 veces más cerca del borde del agujero negro ”, explica Albert Sneppen.

Tener que mirar 500 veces más cerca del agujero negro para cada nueva imagen, significa que las imágenes se “comprimen” rápidamente en una imagen anular, como se ve en la figura de la derecha. En la práctica, las muchas imágenes serán difíciles de observar. Pero cuando los agujeros negros rotan, hay más espacio para las imágenes «extra», por lo que podemos esperar confirmar la teoría observacionalmente en un futuro no muy lejano. De esta manera, podemos aprender no solo sobre los agujeros negros, sino también sobre las galaxias detrás de ellos:

El tiempo de viaje de la luz aumenta, cuantas más veces tiene que dar la vuelta al agujero negro, por lo que las imágenes se «retrasan» cada vez más. Si, por ejemplo, una estrella explota como una supernova en una galaxia de fondo, uno podría ver esta explosión una y otra vez.

Referencia: “Reflexiones divergentes alrededor de la esfera de fotones de un agujero negro” por Albert Snepppen, 9 de julio de 2021, Scientific Reports .