Científicos logran recrear en 3D un llamativo fenómeno que ocurre dentro de los agujeros negros

Un equipo dirigido por Caltech ha utilizado redes neuronales para reconstruir en 3D cómo se producen explosiones en el disco de gas en torno al agujero negro supermasivo de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

La estructura de la llamarada 3D presenta dos características brillantes y compactas ubicadas a unos 75 millones de kilómetros (o la mitad de la distancia entre la Tierra y el Sol) del centro del agujero negro. Se basa en datos recopilados por el Atacama Large Millimeter Array (ALMA) en Chile después de una erupción observada en datos de rayos X el 11 de abril de 2017.

Aquí, la estructura 3D reconstruida se ve desde un ángulo fijo a medida que el modelo evoluciona en un lapso de aproximadamente 100 minutos, mostrando el camino que las dos características brillantes trazan alrededor del agujero negro.

“Esta es la primera reconstrucción tridimensional de gas que gira cerca de un agujero negro”, dice en un comunicado Katie Bouman, profesora asistente de informática y ciencias matemáticas, ingeniería eléctrica y astronomía en Caltech, cuyo grupo dirigió el esfuerzo descrito en un nuevo artículo en Nature Astronomy.

Aviad Levis, investigador postdoctoral del grupo de Bouman y autor principal del nuevo artículo, enfatiza que si bien el video no es una simulación, tampoco es una grabación directa de los eventos tal como tuvieron lugar. “Es una reconstrucción basada en nuestros modelos de física de agujeros negros. Todavía hay mucha incertidumbre asociada a esto porque se relaciona con la precisión de estos modelos”, dice.

Para reconstruir la imagen 3D, el equipo tuvo que desarrollar nuevas herramientas de imágenes computacionales que pudieran, por ejemplo, explicar la curvatura de la luz debido a la curvatura del espacio-tiempo alrededor de objetos de enorme gravedad, como un agujero negro.

Pero el equipo necesitaba algunos datos reales. Ahí es donde entró ALMA. La ahora famosa imagen de Sgr A estrella del EHT se basó en datos recopilados del 6 al 7 de abril de 2017, que fueron días relativamente tranquilos en el entorno que rodea al agujero negro.

Pero los astrónomos detectaron un brillo explosivo y repentino en los alrededores apenas unos días después, el 11 de abril. Cuando el miembro del equipo Maciek Wielgus del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Alemania revisó los datos de ALMA de ese día, notó una señal con un período que coincide con el tiempo que tardaría un punto brillante dentro del disco en completar una órbita alrededor de Sgr A estrella. El equipo se propuso recuperar la estructura 3D de ese brillo.

Recuperar un volumen 3D de un video de un solo píxel puede parecer imposible. Sin embargo, al aprovechar información adicional sobre la física que se espera para el disco alrededor de los agujeros negros, el equipo pudo sortear la falta de información espacial en los datos de ALMA.

ALMA no captura simplemente una única curva de luz. De hecho, proporciona varios “videos” de este tipo para cada observación porque el telescopio registra datos relacionados con diferentes estados de polarización de la luz.

Al igual que la longitud de onda y la intensidad, la polarización es una propiedad fundamental de la luz y representa en qué dirección está orientada el componente eléctrico de una onda de luz con respecto a la dirección general de viaje de la onda. “Lo que obtenemos de ALMA son dos videos polarizados de un solo píxel”, dice Bouman. “Esa luz polarizada es realmente muy informativa”, afirma.

Para descubrir una posible estructura 3D que explique las observaciones, el equipo desarrolló una versión actualizada de su método que no solo incorporaba la física de la curvatura de la luz y la dinámica alrededor de un agujero negro, sino la emisión polarizada esperada en los puntos calientes que orbitan alrededor de un agujero negro.

En esta técnica, cada estructura de llamarada potencial se representa como un volumen continuo utilizando una red neuronal. Esto permite a los investigadores progresar computacionalmente la estructura 3D inicial de un punto de acceso a lo largo del tiempo a medida que orbita el agujero negro para crear una curva de luz completa. Luego pudieron encontrar la mejor estructura 3D inicial que, cuando progresó en el tiempo de acuerdo con la física de los agujeros negros, coincidió con las observaciones de ALMA.

El resultado es un vídeo que muestra el movimiento en el sentido de las agujas del reloj de dos regiones compactas y brillantes que trazan un camino alrededor del agujero negro. “Esto es muy emocionante”, dice Bouman.

“No tenía por qué salir de esta manera. Podría haber habido un brillo arbitrario esparcido por todo el volumen. El hecho de que esto se parezca mucho a las llamaradas que predicen las simulaciones por computadora de agujeros negros es muy emocionante”.

Con información de Europa Press