Una nueva visualización de la NASA prueba la danza de flexión de la luz de los agujeros negros binarios

Un par de agujeros negros en órbita millones de veces la masa del Sol realizan un hipnótico "pas de deux" en una nueva visualización de la NASA. La película describe cómo los agujeros negros distorsionan y redirigen la luz que emana de la vorágine de gas caliente, llamado disco de acreción, que rodea a cada uno.

En este cuadro de la nueva visualización, un agujero negro supermasivo que pesa 200 millones de masas solares se encuentra en primer plano. Su gravedad distorsiona la luz del disco de acreción de un agujero negro compañero más pequeño casi directamente detrás de él, creando esta vista surrealista. Los diferentes colores para los discos de acreción facilitan el seguimiento de las contribuciones de cada uno. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Jeremy Schnittman y Brian P. Powell

Visto desde cerca del plano orbital, cada disco de acreción adquiere un característico aspecto de doble joroba. Pero cuando uno pasa frente al otro, la gravedad del agujero negro en primer plano transforma a su compañero en una secuencia de arcos que cambia rápidamente. Estas distorsiones se manifiestan cuando la luz de ambos discos navega por el tejido enredado del espacio y el tiempo cerca de los agujeros negros.

Estamos viendo dos agujeros negros supermasivos, uno más grande con 200 millones de masas solares y un compañero más pequeño que pesa la mitad '', dijo Jeremy Schnittman, astrofísico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, quien creó la visualización. "Estos son los tipos de sistemas binarios de agujeros negros en los que creemos que ambos miembros podrían mantener discos de acreción que duran millones de años".

Los discos de acreción tienen diferentes colores, rojo y azul, para facilitar el seguimiento de las fuentes de luz, pero la elección también refleja la realidad. El gas más caliente emite luz más cerca del extremo azul del espectro, y el material que orbita agujeros negros más pequeños experimenta efectos gravitacionales más fuertes que producen temperaturas más altas. Para estas masas, ambos discos de acreción emitirían la mayor parte de su luz en los rayos ultravioleta, y el disco azul alcanzaría una temperatura ligeramente más alta.

Una vista frontal del sistema resalta la imagen distorsionada del agujero negro más pequeño (recuadro) de su compañero más grande. Para alcanzar la cámara, el agujero negro más pequeño debe desviar la luz de su compañero rojo en 90 grados. El disco de acreción de esta imagen secundaria aparece como una línea, lo que significa que estamos viendo una vista de borde del compañero rojo, al mismo tiempo que lo vemos desde arriba. También se forma una imagen secundaria del disco azul justo fuera del anillo de luz brillante más cercano al agujero negro más grande. Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Jeremy Schnittman y Brian P. Powell

Visualizaciones como esta ayudan a los científicos a imaginar las fascinantes consecuencias del espejo de la casa de la diversión de la gravedad extrema. El nuevo video se duplica sobre uno anterior producido por Schnittman que muestra un agujero negro solitario desde varios ángulos.

Vistos casi desde el borde, los discos de acreción se ven notablemente más brillantes en un lado. La distorsión gravitacional altera los caminos de la luz provenientes de diferentes partes de los discos, produciendo la imagen deformada. El rápido movimiento del gas cerca del agujero negro modifica la luminosidad del disco a través de un fenómeno llamado impulso Doppler, un efecto de la teoría de la relatividad de Einstein que ilumina el lado que gira hacia el espectador y atenúa el lado que gira.

La visualización también muestra un fenómeno más sutil llamado aberración relativista. Los agujeros negros parecen más pequeños cuando se acercan al espectador y más grandes cuando se alejan.

Estos efectos desaparecen al ver el sistema desde arriba, pero surgen nuevas características. Ambos agujeros negros producen pequeñas imágenes de sus compañeros que giran alrededor de ellos en cada órbita. Mirando más de cerca, está claro que estas imágenes son en realidad vistas de borde. Para producirlos, la luz de los agujeros negros debe ser redirigida en 90 grados, lo que significa que estamos observando los agujeros negros desde dos perspectivas diferentes, cara y borde, al mismo tiempo.

"Un aspecto sorprendente de esta nueva visualización es la naturaleza auto-similar de las imágenes producidas por lentes gravitacionales", explicó Schnittman. "Al hacer zoom en cada agujero negro se revelan múltiples imágenes cada vez más distorsionadas de su socio".

Explore cómo la extrema gravedad de dos agujeros negros supermasivos en órbita distorsiona nuestra vista. En esta visualización, discos de gas brillante, caliente y en movimiento rodean ambos agujeros negros, que se muestran en rojo y azul para rastrear mejor la fuente de luz. El disco rojo orbita alrededor del agujero negro más grande, que pesa 200 millones de veces la masa de nuestro Sol, mientras que su compañero azul más pequeño pesa la mitad. Al hacer zoom en cada agujero negro, se revelan múltiples imágenes cada vez más deformadas de su compañero. Mire para obtener más información. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Jeremy Schnittman y Brian P. Powell

Schnittman creó la visualización calculando el camino tomado por los rayos de luz de los discos de acreción a medida que avanzaban a través del espacio-tiempo deformado alrededor de los agujeros negros. En una computadora de escritorio moderna, los cálculos necesarios para hacer los fotogramas de la película habrían tomado alrededor de una década. Así que Schnittman se asoció con el científico de datos de Goddard, Brian P. Powell, para utilizar la supercomputadora Discover en el Centro de Simulación Climática de la NASA. Usando solo el 2% de los 129 000 procesadores de Discover, estos cálculos tomaron alrededor de un día.

Los astrónomos esperan que, en un futuro no muy lejano, sean capaces de detectar ondas gravitacionales (ondas en el espacio-tiempo) producidas cuando dos agujeros negros supermasivos en un sistema muy parecido al que Schnittman describió en espiral y se fusionan.

Por Francis Reddy

Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.

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Última actualización: 15 de abril de 2021, enlace publicación.

Editor: Francis Reddy