El giro de Einstein: los astrofísicos de Princeton desentrañan el misterio de los chorros de agujeros negros y los “sables de luz” galácticos

por Tatsuya Nakamura
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Black Hole Energy Dynamics

Astrofísicos de Princeton descubren el enigma de los chorros de agujeros negros y los “sables de luz” galácticos explorados por Einstein

Investigadores de la Universidad de Princeton han realizado un descubrimiento innovador relacionado con el agujero negro M87*, arrojando luz sobre su intrigante dinámica energética y su papel en la formación de colosales chorros. Esta revelación, firmemente arraigada en la teoría de la relatividad de Einstein, desafía la sabiduría convencional sobre los agujeros negros y presenta una perspectiva apasionante para futuras investigaciones con tecnologías telescópicas avanzadas. Si bien este estudio proporciona nuevos conocimientos sobre la mecánica de los agujeros negros, no llega a dilucidar definitivamente la fuente del inmenso poder de los chorros.

Una de las creencias más aceptadas sobre los agujeros negros es su apetito voraz, devorando cualquier cosa que se acerque demasiado.

Sin embargo, parece que existen excepciones a esta regla.

Eliot Quataert, astrofísico de Princeton y profesor de astronomía Charles A. Young en la Fundación Promoción de 1897, explica: “A pesar de definirse como objetos celestes de los cuales nada puede escapar, una de las sorprendentes predicciones de la teoría de la relatividad de Einstein es que De hecho, los agujeros negros pueden perder energía. De manera similar a cómo una peonza desacelera gradualmente y disipa su energía rotacional, un agujero negro en rotación también puede arrojar energía a su entorno”.

Este marco conceptual ha sido ampliamente adoptado por los científicos desde la década de 1970. Postula que los campos magnéticos probablemente sean responsables de desviar energía de los agujeros negros en rotación, aunque el mecanismo preciso sigue siendo un enigma.

En un avance definitivo, un equipo de astrofísicos de Princeton ha confirmado que la energía en las proximidades del horizonte de sucesos del agujero negro M87* está siendo expulsada hacia afuera, en contra de las suposiciones convencionales de que la energía fluye hacia adentro. (La designación M87* corresponde al agujero negro en el corazón de la galaxia Messier 87, comúnmente conocido como M87). Además, estos investigadores han ideado un método para verificar empíricamente la noción de que los agujeros negros sufren una pérdida de energía rotacional, un fenómeno directamente responsable para la creación de los impresionantes flujos de salida conocidos coloquialmente como “jets”.

En palabras del ex postdoctorado de Princeton Alexandru Lupsasca, estos chorros de energía se asemejan a “sables de luz Jedi de millones de años luz de largo” y pueden extenderse diez veces la longitud de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Sus innovadores hallazgos se han publicado en The Astrophysical Journal, con Andrew Chael como primer autor del artículo. Chael y su coautor, George Wong, son miembros del equipo del Event Horizon Telescope y han desempeñado papeles fundamentales en el desarrollo de modelos cruciales para interpretar los fenómenos de los agujeros negros. Chael, Wong, Lupsasca y Quataert son científicos teóricos afiliados a la Princeton Gravity Initiative.

La idea fundamental de Chael en el centro de este estudio fue que la dirección en espiral de las líneas del campo magnético revela la orientación del flujo de energía. Esta revelación sirvió como eje de la investigación del equipo.

M87* atrajo la atención mundial cuando fue observado por primera vez por el Telescopio Horizonte de Sucesos. Posteriormente, los astrofísicos de Princeton revelaron que el campo magnético giratorio que rodea un agujero negro determina la distintiva espiral de polarización observada en las imágenes de los agujeros negros. En particular, la dirección de la transferencia de energía (ya sea que se origine en el agujero negro o se dirija hacia él) dicta la naturaleza del giro de polarización. Al examinar la orientación de la espiral, se puede inferir si el campo magnético extrae energía de espín del agujero negro o le inyecta energía de espín.

George Wong, investigador asociado afiliado a la Princeton Gravity Initiative y al Institute for Advanced Study, ilustra vívidamente la escala de esta transferencia de energía, comparándola con “si tomaras la Tierra, la convirtieras toda en TNT y la detonaras 1.000 veces”. un segundo durante millones y millones de años”.

Durante décadas, los científicos han reconocido que cuando un agujero negro comienza a girar, imparte una influencia rotacional en el tejido del espacio-tiempo que lo rodea. Las líneas de campo magnético entrelazadas con el agujero negro también son arrastradas, contribuyendo a la desaceleración de su rotación y, a su vez, generando la liberación de energía.

Lupsasca, que ahora se desempeña como profesor asistente de física y matemáticas en la Universidad de Vanderbilt y recibió el Premio Nuevos Horizontes en Física 2024 de la Fundación Breakthrough Prize por su investigación sobre agujeros negros, señala la naturaleza revolucionaria de su descubrimiento. Afirma: "Nuestra nueva y precisa predicción postula que siempre que uno escudriñe un agujero negro astrofísico entrelazado con líneas de campo magnético, habrá una transferencia sustancial de energía, de proporciones verdaderamente astronómicas".

Si bien su estudio demuestra inequívocamente el flujo de energía hacia afuera cerca del horizonte de sucesos de M87*, los investigadores reconocen la posibilidad teórica de un flujo de energía hacia adentro en diferentes agujeros negros. Su confianza en la relación entre el flujo de energía y la orientación de las líneas del campo magnético pronto se pondrá a prueba con el hipotético Telescopio del Horizonte de Sucesos de “próxima generación”.

Durante el último año y medio, la comunidad global de investigadores de agujeros negros ha estado proponiendo activamente especificaciones para este futuro instrumento. George Wong anticipa: “Papeles como el nuestro pueden desempeñar un papel fundamental a la hora de dar forma a estas especificaciones. Es una era extraordinariamente emocionante”.

Vale la pena señalar que los investigadores, si bien su modelo apoya firmemente la idea de que el giro del agujero negro alimenta el chorro extragaláctico, se abstienen de hacer una afirmación definitiva. Los niveles de energía revelados por su modelo se alinean con los requisitos de energía de los chorros observados, pero admiten la posibilidad de que el chorro pueda ser impulsado por plasma giratorio ubicado fuera del agujero negro. Como dice Lupsasca: "Creo que es muy probable que el agujero negro impulse el chorro, pero no podemos proporcionar pruebas irrefutables en este momento".

Referencia: “Polarimetría de agujeros negros I. Una firma de extracción de energía electromagnética” por Andrew Chael, Alexandru Lupsasca, George N. Wong y Eliot Quataert, 14 de noviembre de 2023, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/acf92d

Esta investigación recibió el apoyo de Princeton Gravity Initiative, Taplin Fellowship, National Science Foundation (subvención 2307888) y un premio de investigador de la Simons Foundation.

Preguntas frecuentes (FAQ) sobre la dinámica de la energía de los agujeros negros

¿Qué descubrieron los astrofísicos de Princeton sobre los agujeros negros?

Los astrofísicos de Princeton descubrieron que la energía cercana al horizonte de sucesos del agujero negro M87* es expulsada hacia afuera, desafiando la creencia común de que la energía fluye hacia adentro.

¿Cómo se relaciona este descubrimiento con la teoría de la relatividad de Einstein?

Este descubrimiento tiene sus raíces en la teoría de la relatividad de Einstein, que predice que los agujeros negros en rotación pueden perder energía, de forma similar a cómo una peonza se ralentiza con el tiempo.

¿Cuáles son las implicaciones de este hallazgo para la investigación de los agujeros negros?

Este hallazgo abre nuevas vías para comprender la dinámica de los agujeros negros y sugiere que los agujeros negros pueden ser fuentes de flujos de salida increíblemente poderosos, conocidos como "chorros".

¿Cómo determinan los investigadores la dirección del flujo de energía?

La dirección del flujo de energía se determina analizando la orientación espiral de las líneas del campo magnético cerca del agujero negro, lo que proporciona información sobre si el agujero negro extrae o bombea energía de giro.

¿Podría este descubrimiento explicar el origen de la potencia de los chorros observados?

Si bien el estudio apoya firmemente la idea de que el giro del agujero negro impulsa los chorros extragalácticos, los investigadores no hacen una afirmación definitiva, lo que deja espacio para la posibilidad de que el plasma giratorio fuera del agujero negro pueda desempeñar un papel.

¿Cómo se probará más este descubrimiento?

La predicción de que los agujeros negros pierden energía rotacional a través de la transferencia de energía se pondrá a prueba con el lanzamiento del teórico Telescopio Event Horizon de “próxima generación”, que examinará más agujeros negros.

¿Qué premios y apoyo recibieron los investigadores por su trabajo?

Alexandru Lupsasca recibió el Premio Nuevos Horizontes en Física 2024 de la Fundación Breakthrough Prize por su investigación sobre agujeros negros. La investigación recibió el apoyo de Princeton Gravity Initiative, Taplin Fellowship, National Science Foundation (subvención 2307888) y un premio de investigador de la Simons Foundation.

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