¿Qué aspecto tienen los agujeros negros que veremos este miércoles por primera vez?

Hasta hoy, hemos podido ver representaciones de agujeros en películas y las simulaciones han dibujado varios escenarios desconcertantes para el común de los mortales. Como por ejemplo, el hecho de que ninguna parte del disco que se forma alrededor de estos agujeros negros quede oculto, a causa de los efectos de la gravedad sobre el espacio-tiempo (de modo que veríamos incluso lo que está detrás del agujero ). Pero ahora es diferente, porque se tienen detalladas y profundas observaciones que permiten reconstruir lo que está ocurriendo realmente. ¿Sería importante lograrlo?

« Una imagen vale más que mil palabras », ha dicho en este periódico Barry Barish , profesor en el Caltech y premio Nobel de Física en 2017 por la primera detección directa de las ondas gravitacionales. «Este logro tremendo es el resultado de nuestra comprensión de la relatividad general, de los agujeros negros y, técnicamente, de la interferometría de gran escala. Y también implica una colaboración planetaria».

«Es un acontecimiento histórico», ha coincidido Agustín Sabio Vera , científico en el Instituto de Física Teórica (IFT) UAM-CSIC. «Sobre todo si tenemos en cuenta que hace unos años, desde luego cuando yo estudié la licenciatura, se pensaba que los agujeros negros eran algo solo presente en la mente de algunos teóricos ». En este mismo sentido ha coincidido José Luis Fernánde Barbón , también investigador científico del Instituto de Física Teórica CSIC/UAM. «Esta sería como la primera foto de un agujero negro. Siempre se deduce su existencia indirectamente por sus efectos sobre su entorno».

Al igual que el viento no se ve pero podemos notar cómo mueve las hojas de los árboles, hoy se percibe la presencia de agujeros negros supermasivos, con millones de veces la masa del Sol, en el centro de la mayoría de las galaxias, en ocasiones emitiendo chorros de energía y partículas de miles de años luz de largo. También observamos sus efectos sobre estrellas y nubes de gas , actuando como increíbles aceleradores. O vemos los agujeros negros más pequeños, los estelares, cuando deforman el espacio-tiempo, desgarran a estrellas compañeras o incluso cuando chocan entre sí, caso en el que podemos «oír» el impacto a través de las ondas gravitacionales, detectadas por primera vez en 2015 . Sin embargo, nunca, hasta ahora, se ha podido ver uno de ellos.

¿Por qué? fundamentalmente porque los agujeros negros son cuerpos que se caracterizan por atrapar la luz, la materia y el propio espacio-tiempo en su interior, por lo que resulta imposible obtener información de lo que pasa en sus entrañas. Por tanto, los agujeros negros en sí mismos son objetos completamente negros y carentes de rasgo alguno . Tan solo tienen masa (con la que se puede deducir el radio), momento angular y carga eléctrica.

Entonces, ¿qué se podrá ver este miércoles? « Esencialmente la radiación emitida por toda la materia que está atrapada en su campo gravitatorio y gira a gran velocidad alrededor suyo», ha explicado Sabio Vera. «Las velocidades allí presentes son tan altas que se genera una gran temperatura (más alta que en la superficie de nuestro sol) y se emite radiación muy energética».

La tarea no es sencilla. Estos objetos son difíciles de ver porque son muy pequeños, en comparación con la masa que acumulan y teniendo en cuenta la distancia a la que están. Además, en el caso de los agujeros negros supermasivos, suelen estar rodeados de nubes de polvo y gas que dificultan su visión . Solo es posible ver la huella de la energía liberada por el gas supercaliente que gira en su entorno, y solo porque observamos con los radiotelescopios la radiación que emiten y que es capaz de atravesar dichas nubes (en concreto una que tiene una longitud de onda de un milímetro).

Por eso, este miércoles probablemente veremos una «sombra» luminosa que nos dará información sobre cómo se dobla el espacio-tiempo en el entorno inmediato del agujero negro, por encima de una región que se conoce como horizonte de sucesos . Este límite, que no tiene una superficie tangible , es el punto de no retorno a partir del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar del interior de los agujeros. Pues bien, lo cierto es que ya tenemos una idea de qué aspecto tiene esta región.

« Existen muchas simulaciones numéricas de la "sombra" que se observará en la región donde "vive" el agujero negro y que se basan en teorías con modificaciones de la relatividad de Einstein», ha explicado Sabio Vera. «Probablemente todas ellas serán diferentes a lo que finalmente se presente mañana , pero es interesante para entender como se desvían de las observaciones esos modelos. En esto se basa el método científico».

También aquí ha coincidido Fernández Barbón: «Supongo que en esta primera “foto” lo esencial es ver que se comporta como dice la teoría, de forma más o menos cualitativa. Dependiendo de la precisión que hayan logrado, y desde luego en el futuro, se puede empezar a hacer tests de precisión de relatividad general . Sería una gran sorpresa si hubiera diferencias significativas con la teoría».

Barry Barish ha destacado que las observaciones de hoy serán relevantes para afianzar, o no, «el campo fuerte» de la gravedad: « Sabemos que la relatividad general de Einstein funciona muy bien en el límite del campo débil, incluso los GPS dependen de ello . Realmente, la pregunta es cuán bien funciona en el límite del campo fuerte, por ejemplo en lo relacionado con agujeros negros. Podría haber sorpresas , pero no esperamos encontrar desviaciones de la teoría de Einstein», ha detallado el investigador.

Si no hay sorpresas, ¿qué veremos? Según Fernández Barbón, «la teoría permite calcular la forma que tendría la foto. En teoría tienes que ver una especie de anillo brillante en torno a una zona negra . La forma exacta del anillo se puede calcular aunque depende de la cantidad de material que esté cayendo –al agujero–. Según la teoría deberías ver una zona negra más o menos circular rodeada de un anillo más o menos circular que es mas brillante de un lado que del otro, debido a la rotación del agujero. Si la forma que se ve esta muy apepinada en vertical o en horizontal , indicaría que, o bien la estructura de la materia en caída es mas complicada de lo previsto, o bien que la teoría funciona mal». Por eso, detectar esta sombra y comprobar qué forma tiene es un modo de obtener una prueba experimental de que la relatividad general es correcta... O todo lo contrario.

Aparte de eso, poder ver el aspecto del horizonte de sucesos «nos dará información sobre la masa y momento angular del agujero negro», ha explicado Agustín Sabio Vera. Además, según la relatividad general el diámetro de la sombra luminosa será proporcional a la masa del agujero negro.

Tal como ha comentado Jean-Pierre Luminet, del Observatorio de París en Meudón, Francia, en Sciencemagazine.org , hay varios interrogantes abiertos en relación con estos objetos: «No sabes si la estructura de acreción –que se forma gracias al brutal flujo de gas del entorno al interior del agujero negro, y que depende de las temperaturas y del giro– es un disco aplanado (como en la mayoría de las simulaciones), o grueso (formando un toroide tridimensional), una nube de gas o si hay chorros, entre otras cosas». En el caso de Sagitario A* y M87 parece que lo más probable es observar un disco aplanado.

Luminet lleva trabajando desde 1978 en el aspecto de los agujeros negros, y recogió una historia ilustrada de muchas de sus representaciones. Por su parte, ha recurrido a complejos cálculos sobre la gravedad para simular el aspecto de estos objetos.

Según ha dicho, mucho de lo visto este miércoles dependerá de la orientación del disco en relación con el observador, así como del entorno de ambos agujeros y del grosor de sus discos de acreción, es que los tienen. Para saberlo, habrá que esperar a la rueda de prensa.