Ilustración de un agujero negro rodeado por un anillo de luz (representado por el círculo brillante), y por un disco de acreción de polvo interestelar (con un color más tenue). La imagen de un agujero negro obtenido con simulaciones, se muestra en la esquina inferior derecha, en el que un anillo luminoso visible delimita una región más tenue en el interior. Crédito:Material fuente original cortesía de NASA / JPL-Caltech / T. Pyle y Avances de la ciencia 18 de marzo de 2020:Vol. 6, no. 12 bajo la licencia Creative Commons Attribution Non-Commercial License 4.0 (CC BY-NC).
Agujeros negros, regiones en el espacio con un campo gravitacional tan intenso que ninguna materia o radiación puede escapar de ellas, se encuentran entre los fenómenos cosmológicos más misteriosos y fascinantes. Durante los últimos cinco años, Los astrofísicos recopilaron las primeras observaciones de las fuertes fuerzas gravitacionales alrededor de los agujeros negros.
La colaboración LIGO-Virgo pudo detectar ondas gravitacionales alrededor de estos objetos celestes utilizando algunos de los detectores de ondas gravitacionales más avanzados del mundo. Mientras tanto, El grupo de investigación Event Horizon Telescope capturó la primera imagen de la sombra de un agujero negro.
Si bien estas dos observaciones son muy prometedoras y cautivadoras, es probable que ninguno de ellos revele el horizonte de sucesos, el límite que define la región específica en el espacio alrededor de un agujero negro del que nada puede escapar. Sin embargo, deben contener una firma que apunte a una región vecina justo fuera del horizonte de eventos, donde la luz se dobla con tanta fuerza que su camino se cierra sobre sí mismo y forma órbitas circulares conocidas como anillos de luz.
El estudio de estos anillos de luz podría, en última instancia, enriquecer nuestra comprensión actual de los agujeros negros y sus propiedades. Hasta aquí, sin embargo, muchas preguntas quedan sin respuesta, y todavía estamos lejos de comprender bien tanto los agujeros negros como los anillos de luz que los rodean.
Investigadores del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Alemania y la Universidade de Aveiro en Portugal han introducido recientemente un teorema que hace predicciones sobre los anillos de luz alrededor de los agujeros negros estacionarios. Su teorema, presentado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , sugiere que los agujeros negros en equilibrio deben, como regla general, tener al menos un anillo de luz en cada uno de sus sentidos de rotación.
"Notablemente, las propiedades de los anillos de luz pueden codificar mucha información relevante sobre los agujeros negros, "Pedro Cunha y Carlos Herdeiro, los dos investigadores que realizaron el estudio, le dijo a Phys.org por correo electrónico. "La medición de estas propiedades otorga una ventana directa al escurridizo y, sin embargo, bastante inexplorado régimen de gravedad muy fuerte cerca de un agujero negro. En este momento todavía no está claro si la teoría de la relatividad general de Einstein sigue siendo una buena descripción de las leyes de la gravedad bajo tales condiciones. condiciones extremas. Por lo tanto, una pregunta clave es:¿algún modelo de agujero negro, en cualquier teoría de la gravedad, ¿Necesitas un anillo de luz? "
Imagen simulada de un agujero negro giratorio. Crédito del material fuente original (imagen de fondo):ESO / S. Brunier.
Según la teoría de la relatividad general, las propiedades de los agujeros negros en un estado de equilibrio y en el espacio vacío están muy restringidas. Observaciones cosmológicas pasadas sugieren que estos agujeros negros clásicos poseen órbitas de anillos de luz, lo que podría significar que cualquier agujero negro concebible también tendría estas órbitas.
Con su estudio, Cunha y Herdeiro intentaron examinar la posibilidad de extrapolar la noción de órbitas de anillos de luz y aplicarla a agujeros negros con contenido de materia genérica oa teorías alternativas de la gravedad (es decir, no la teoría de la relatividad general). El nuevo teorema que idearon proporciona una base teórica sólida para la predicción de que los agujeros negros de equilibrio genérico deben poseer al menos una órbita de anillo de luz.
"En nuestro periódico, Introducimos un argumento genérico y matemáticamente innovador que establece que un agujero negro en equilibrio debe tener, como una regla, al menos un anillo de luz estándar en cada sentido de rotación, "Cunha y Herdeiro dijeron." Para analizar anillos de luz, típicamente, se consideran familias de soluciones de una determinada teoría de la gravedad, como la relatividad general, o algún modelo particular de gravedad modificada. Aquí, sin embargo, el argumento es de naturaleza topológica ".
La topología es un área específica de las matemáticas que se centra en el estudio de las propiedades geométricas que no se ven afectadas cuando un objeto sufre deformaciones u otros cambios de forma y tamaño. La idea clave que subyace a los estudios de topología es que algunos problemas no se ven afectados por la forma y el tamaño exactos de los objetos, sino más bien por la forma en que estos objetos pueden deformarse entre sí.
"Como ejemplo simple, una esfera y una rosquilla tienen un número diferente de agujeros y son topológicamente distintas, "explicaron los investigadores." En contraste, una esfera y un cubo tienen la misma topología, a pesar de tener diferentes formas geométricas ".
En su papel Cunha y Herdeiro aplican construcciones basadas en topología a la cuestión de si existe una órbita de anillo de luz alrededor de un agujero negro. En lugar de utilizar ecuaciones de movimiento proporcionadas por una teoría específica de la gravedad para intentar responder a esta pregunta, su teorema simplemente examina cómo debería comportarse el espacio-tiempo tanto cerca de un agujero negro como lejos de él.
Los autores (Carlos Herdeiro, izquierda; Pedro Cunha, Derecha), en la sala de control del detector de ondas gravitacionales LIGO-Livingston en la parroquia de Livingston, Luisiana, en febrero de 2017.
"En otras palabras, no asumimos que una ley de la gravedad es correcta, pero solo asuma que la ley correcta de la gravedad (es decir, cualquiera que sea) permite la existencia de agujeros negros, "Cunha y Herdeiro dijeron." Entonces, obligando a la estructura del espacio-tiempo a obedecer algunos requisitos de regularidad, la existencia de un agujero negro implica que debe haber un anillo de luz fuera del horizonte. De hecho, un agujero negro giratorio debe tener al menos dos anillos de luz:uno para la luz que rodea el agujero negro en la misma dirección de giro que el agujero negro y otro para la luz que rodea el agujero negro en la dirección opuesta ".
El artículo reciente de Cunha y Herdeiro proporciona una nueva perspectiva teórica que podría servir como base para futuros estudios que examinen los anillos de luz alrededor de los agujeros negros. Su ventaja clave es su generalidad, ya que no sigue ninguna teoría específica de la gravedad y, por lo tanto, se mantiene incluso si la teoría de la relatividad general de Einstein no era aplicable o precisa en este contexto.
“La predicción de que los agujeros negros siempre tienen anillos de luz y siempre están fuera del horizonte tiene importantes consecuencias, "Cunha y Herdeiro dicen". Por ejemplo, implica que la silueta de un agujero negro, conocida como la sombra del agujero negro, es genéricamente diferente y generalmente más grande de lo que uno esperaría que fuera el tamaño del agujero negro. Por tanto, la sombra siempre debería ser una ampliación del agujero negro ".
Si bien puede ser teóricamente fuerte, al igual que cualquier otro teorema matemático que se aplica a sistemas reales, el constructo introducido por Cunha y Herdeiro se basa en una serie de supuestos. En su trabajo futuro, los investigadores planean cambiar algunas de estas suposiciones y evaluar si las predicciones de su teorema cambian o siguen siendo las mismas.
"Una suposición clave de nuestro teorema es que lejos del agujero negro no hay campo gravitacional, "Cunha y Herdeiro dijeron." Sin embargo, en el Universo existe una constante cosmológica que impulsa la expansión del Cosmos. Esto crea un pequeño campo gravitacional sin importar cuán lejos del agujero negro esté uno. Sería muy interesante comprender si este ligero cambio en la suposición cambiaría las conclusiones de nuestro teorema ".
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