Desde que supimos que existen, los humanos nos hemos preguntado cómo sería caer en picado en un agujero negro.
Los agujeros negros, objetos celestes tan masivos que son capaces de atrapar la luz y “espaguetizar” cualquier cosa que caiga en ellos, también han capturado nuestra imaginación colectiva. Los astrónomos encontraron signos del primer sistema de agujeros negros conocido, Cygnus X-1, dentro de la Vía Láctea en 1964.
Pero tomar una foto decente de uno ha resultado laborioso. La atención prolongada finalmente produjo la primera imagen de un agujero negro, una “rosquilla naranja difusa” designada M87, en 2019.
Sin embargo, todo el tiempo los astrofísicos trabajaron arduamente detrás de computadoras, ejecutando miles de ecuaciones matemáticas codificadas para simular la forma y el comportamiento de los agujeros negros. De hecho, desde la década de 1970, las simulaciones han representado la vanguardia del campo.
Compare los donuts naranjas indistintos con el detalle de la imagen a continuación, generada por el astrofísico francés Jean-Pierre Luminet en una computadora IBM 7040, en 1979.
Utilizando datos numéricos de la computadora, Luminet dibujó directamente sobre papel de imagen negativa con tinta china negra, colocando puntos más densos donde la simulación mostraba más luz. Foto de : ResearchGate
La mejor simulación hasta el momento.
Avance rápido hasta 2024, donde Jeremy Schnittman, astrofísico del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, se especializa en la creación de estas simulaciones avanzadas. Nos cuesta saber qué sucede dentro de los agujeros negros, pero los dos últimos vídeos de Schnittman avanzan el estado del arte.
En ellos, una cámara simulada se lanza hacia la misteriosa singularidad en el centro de un agujero negro en ultra alta definición.
“La gente suele preguntar sobre esto, y simular estos procesos difíciles de imaginar me ayuda a conectar las matemáticas de la relatividad con las consecuencias reales en el universo real”, dijo Schnittman a ExplorersWeb.
Es el primer proyecto que muestra que el agujero negro simulado se parece a Sagitario A, el objeto supermasivo en el centro de la Vía Láctea. (En 2022, los investigadores publicaron fotografías de donuts de color naranja y utilizaron la teoría de la relatividad de Einstein para modelar cómo se vería en una resolución más alta).
Las expansiones simuladas en los vídeos de Schnittman son enormes. “Sgr A*” pesa hasta 4,3 millones de soles y bosteza 23,5 millones de kilómetros de ancho. Pero la cámara solo necesita unos pocos segundos simulados para alcanzarlo desde una distancia de 640 millones de kilómetros y luego pasar el horizonte de sucesos hacia sus ineludibles profundidades.
Schnittman admitió que la simulación no intenta representar la realidad a la perfección. En primer lugar, Sgr A* tiene una nube de acreción indistinta en lugar del disco afilado del vídeo. Y el fondo es el cielo visto desde la Tierra, en lugar de desde cualquier agujero negro, porque, bueno, nunca hemos fotografiado el cielo cerca de un agujero negro.
Una supercomputadora de 127.232 núcleos
De todos modos, el esfuerzo fue bastante intenso. Renderizados a 8K, 60 fps, los diez terabytes de metraje de vídeo habrían tardado una década en generarse en una computadora portátil convencional. En lugar de explorar en la oscuridad, Schnittman se asoció con el científico de Goddard Brian Powell para utilizar la supercomputadora Discover en el Centro de Simulación Climática de la NASA.
El clúster de supercomputación Discover de 127.232 núcleos puede realizar 8.100 billones de operaciones por segundo. Foto: Creative Commons
“Se necesitan desde unos minutos hasta unas pocas horas para crear un fotograma de un vídeo como este con los cálculos necesarios”, explicó Schnittman. “Así que multiplica eso por 10.000 y necesitarás una supercomputadora: procesadores funcionando en paralelo.
La compulsión de entrar en un agujero negro se asemeja a nuestra fascinación por sus connotaciones poderosas y siniestras. Sí, en su interior hay suficiente gravedad como para que ni siquiera la luz pueda escapar. No, todavía no sabemos qué sucede en la singularidad, donde las leyes de la física se rompen y las matemáticas ya no funcionan.
espaguetificación
Pero en el camino, sabemos que te “espaguetizarás”; básicamente, la diferencia entre la fuerza gravitacional que tira de tus pies y la que tira de tu cabeza es tan enorme que tu cuerpo se estiraría hasta convertirse en un fideo delgado y súper alargado.
Sin embargo, todavía es posible escapar de la espaguetificación, siempre y cuando no te acerques lo suficiente como para tocar el horizonte de sucesos. Esta región, dentro de un círculo de luz en órbita llamado anillo de fotones, no toma prisioneros. Si fuera posible vivir dentro de él durante más de unos segundos, se podrían percibir objetos más allá, pero nada podría salir.
Las simulaciones de la NASA representan ambos destinos: un caso de ser tragado por el agujero negro y otro de escapar por poco. En el escenario de la muerte, la cámara simulada pasa el anillo de fotones y se acerca al horizonte de sucesos. La percepción del tiempo a bordo se acelera a medida que aumenta la gravedad. Una vez que la cámara entra en el horizonte de sucesos, experimenta el tiempo fuera del agujero negro como infinito.
“La cámara está destruida. Microsegundos después, alcanza la singularidad”.
Esto refleja una de las fantasías profesionales de Schnittman, aunque no sea su primera opción.
Una manera genial de hacerlo
“Es [spaghettification] ¿La gloria final para un astrofísico? Sería una manera genial de hacerlo. Creo que todavía voy a optar por la opción de estar acostado en la cama, rodeado de mis seres queridos”, bromeó Schnittman.
Schnittman es parte de un equipo de proyecto de la NASA encargado de desarrollar un telescopio espacial que podría capturar las primeras imágenes de un agujero negro desde el espacio exterior. Situado a decenas de miles de kilómetros de la Tierra, enviaría imágenes de mayor resolución de donuts anaranjados.
“Hará que todas estas imágenes sean mucho más nítidas, algo así como 10 veces más nítidas”, dijo Schnittman. “Lo curioso es que, dado que las simulaciones existían mucho antes de que se conociera el donut naranja, no estamos tratando de retroceder y comprender el donut. En cambio, el donut nos emocionó porque lo vimos y dijimos: ‘¡Ajá! Mira, después de todo teníamos razón”.
Faltan media década y cientos de millones de dólares para implementar el proyecto que describe. Por ahora, los observadores de agujeros negros deberían seguir concentrándose en un lugar del universo conocido: YouTube.
