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La teoría de Einstein puede explicar el agujero negro en M87

 

• Los científicos de la colaboración del Telescopio de Horizonte de Eventos (EHT) utilizan datos que produjeron la primera imagen de un agujero negro para restringir sus propiedades fundamentales.

 

• En 2019, la Colaboración EHT publicó la primera imagen de un agujero negro ubicado en el centro de la galaxia M 87. Ahora, un equipo de colaboración liderado por físicos teóricos de la Universidad Goethe de Frankfurt ha analizado datos del agujero negro M87* para probar la teoría de la relatividad general de Einstein. Según las pruebas, el tamaño de la sombra de M87* está en excelente acuerdo con un agujero negro predicho por la relatividad general, pero constriñe las propiedades de los agujeros negros en otras teorías. Estos resultados se presentan en la edición de hoy de la revista Physical Review D.

 

Un equipo de científicos de la colaboración EHT, liderado por Prashant Kocherlakota y Luciano Rezzolla del Instituto de Física Teórica de la Universidad Goethe de Frankfurt en Alemania, ha investigado por primera vez cómo encajan las diferentes teorías con los datos de observación del agujero negro M87* en el centro de la galaxia Messier 87. La imagen de M87*, tomada en 2019, fue la primera prueba experimental de la existencia real de agujeros negros después de la medición de ondas gravitacionales en 2015.

El resultado de estas investigaciones: los datos de M87* están en excelente acuerdo con las teorías basadas en Einstein y, en cierta medida, con las teorías basadas en cuerdas. Prashant Kocherlakota, científico de la Universidad de Frankfurt y miembro de la Colaboración EHT, explica: "Con los datos registrados por la Colaboración EHT, ahora podemos probar diferentes teorías de la física con imágenes de agujeros negros. Actualmente, no podemos rechazar estas teorías al describir el tamaño de la sombra de M87*, pero nuestros cálculos limitan el rango de validez de estos modelos de agujeros negros ".

Luciano Rezzolla, jefe de Física Teórica de la Universidad de Frankfurt y miembro de la Junta de Gobierno de la Colaboración EHT, dice: La idea de los agujeros negros para nosotros los físicos teóricos es al mismo tiempo una fuente de preocupación e inspiración. Si bien todavía luchamos con algunas de las consecuencias de los agujeros negros, como el horizonte de eventos o la singularidad, parece que siempre estamos ansiosos por encontrar nuevas soluciones de agujeros negros también en otras teorías. Por tanto, es muy importante obtener resultados como los nuestros, que determinen qué es plausible y qué no. Este fue un primer paso importante y nuestras limitaciones mejorarán a medida que se realicen nuevas observaciones".

Tamaños de horizonte de eventos para diferentes teorías de la gravedad. Todos estos agujeros negros proyectan sombras oscuras que se distinguen entre sí en tamaño, pero solo aquellos que caen en la banda gris son compatibles con las mediciones EHT de 2017 de M87 *, y en esta imagen, la representada en rojo en la parte inferior es demasiado pequeño para ser un modelo viable para M87 *. Créditos: P. Kocherlakota (Univ. Frankfurt), EHT Collaboration & Fiks Film 2021.

Como señaló por primera vez el astrónomo alemán Karl Schwarzschild, los agujeros negros doblan el espacio-tiempo en un grado extremo debido a su extraordinaria concentración de masa y calientan la materia en su vecindad para que comience a brillar. El físico neozelandés Roy Kerr demostró que la rotación puede cambiar el tamaño del agujero negro y la geometría de su entorno. El "borde" de un agujero negro se conoce como horizonte de eventos, el límite alrededor de la concentración de masa más allá del cual la luz y la materia no pueden escapar y que hace que el agujero negro sea "negro". Los agujeros negros, predice la teoría, pueden describirse mediante un puñado de propiedades: masa, espín y una variedad de posibles cargas.

En la colaboración EHT, los telescopios localizados en diferentes partes del mundo están interconectados para formar un telescopio gigante virtual con un plato tan grande como la Tierra misma. Con la precisión de este telescopio, se podría leer un periódico en Nueva York desde un café callejero de Berlín.

 

Información adicional

 

La publicación Physical Review D (volumen ADD, páginas ADD) que informa estos resultados, con el título Constraints on black-hole charges with the 2017 EHT observations of M87*, está disponible aquí (doi:10.1103/PhysRevD.103.104047). Los autores principales del artículo son Prashant Kocherlakota y Luciano Rezzolla, miembros de la Colaboración EHT.

Los telescopios EHT individuales involucrados son: ALMA, APEX, el telescopio IRAM de 30 metros, el telescopio James Clerk Maxwell (JCMT), el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), el Arreglo Submilimétrico (SMA), el Telescopio Submilimétrico (SMT) y el Telescopio del Polo Sur (SPT). El Telescopio de Groenlandia, el Telescopio de Kitt Peak y NOEMA se unieron al EHT después de las observaciones de 2017.

El consorcio EHT está formado por 13 instituciones: Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica, la Universidad de Arizona, Universidad de Chicago, Observatorio de Asia Oriental (EAO), Goethe-Universitaet Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique (MPG / CNRS / IGN), Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, Instituto Max Planck de Radioastronomía, Observatorio Haystack del MIT, Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Instituto Perimeter de Física Teórica, Universidad de Radboud y Observatorio Astrofísico Smithsoniano.

El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), tuvo un papel importante en las observaciones tomadas como miembro del EHT, pues es una de las estaciones más grandes dentro del arreglo. El GTM es un proyecto operado en México por el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (México) y en Estados Unidos de América por la Universidad de Massachusetts en Amherst (EE. UU.), con financiamiento del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y la Fundación Nacional de Ciencia (NSF).

·       Figura:

Tamaños de horizonte de eventos para diferentes teorías de la gravedad. Todos estos agujeros negros proyectan sombras oscuras que se distinguen entre sí en tamaño, pero solo aquellos que caen en la banda gris son compatibles con las mediciones EHT de 2017 de M87 *, y en esta imagen, la representada en rojo en la parte inferior es demasiado pequeño para ser un modelo viable para M87 *.

o   Créditos: P. Kocherlakota (Univ. Frankfurt), EHT Collaboration & Fiks Film 2021

Enlace: [JPG | TIFF]

·       Video:

o   Descripción corta: Constriñendo modelos de agujeros negros con observaciones EHT | Telescopio del horizonte de Eventos

o   Descripción larga: La teoría de la relatividad general de Einstein predice la existencia de agujeros negros. Al resolver las ecuaciones de Einstein en el vacío, K. Schwarzschild y R. Kerr pudieron obtener las descripciones de la geometría del espacio-tiempo fuera de un agujero negro rotatorio y no rotatorio, respectivamente. Estos agujeros negros curvan drásticamente el espacio-tiempo en su vecindad, poseen horizontes de eventos, de los cuales no puede escapar la luz o la materia y, por lo tanto, proyectan sombras oscuras. Todas estas características varían en magnitud con el cambio de giro del agujero negro. Las teorías alternativas de la gravedad también predicen de manera similar los agujeros negros. Naturalmente, estos agujeros negros pueden ser diferentes de los agujeros negros de Kerr de la relatividad general, y en particular proyectan sombras de diferentes tamaños, dependiendo de su giro o "carga generalizada" (también llamado "cabello"), a veces más pequeños o más grandes que cualquier Kerr.

Hoy, revelamos un paso significativo en la prueba de modelos y teorías de agujeros negros conocidos con el Event Horizon Telescope. Con este fin, comparamos los tamaños de sombra predichos teóricamente asociados con varias soluciones con las mediciones de 2017 de M87 *, y pudimos extraer restricciones sobre su viabilidad al describir M87 *. Demostramos, por ejemplo, que la calidad de las mediciones ya es suficiente para descartar que M87 * sea un agujero negro de dilatón muy cargado a partir de una teoría de la gravedad particular inspirada en cuerdas. Al mismo tiempo, el tamaño de la sombra de M87 * es totalmente consistente con el de un agujero negro de Kerr.

o   Créditos.

Producers: Goethe University Frankfurt
Directors: Prashant Kocherlakota, Luciano Rezzolla
Writers: Prashant Kocherlakota, Luciano Rezzolla
Editors: Prashant Kocherlakota, Luciano Rezzolla, and the EHT Outreach Working Group
Narrator: Nicola Barber
Animation: Fiks Film
Funded with support from the European Research Council and Goethe University Frankfurt. Realised under the auspices of the Event Horizon Telescope.

o   Enlace: [YouTube EHT Channel | YouTube (BlackHoleCam) | MP4]