El espacio tiempo se distorsiona junto a los agujeros negros

Un equipo de astrónomos ha descubierto evidencias que confirman que la enorme fuerza gravitacional de un agujero negro puede absorber todo aquello que le rodea, incluida la luz. Se trata de una serie de mediciones que muestran, además, cómo estos cuerpos celestes arrastran en su giro el espacio tiempo que los bordea, creando en sus cercanías un océano espacio temporal distorsionado.

La deformación del espacio-tiempo por la fuerza de gravitación fue predicha en Einstein. Las teorías especial y general de la Relatividad de Einstein, escritas en 1905 y 1916 respectivamente, mostraron que muy altas velocidades o una intensificación de la gravedad, pueden curvar el tiempo de la misma forma que lo haría una pelota sobre una lámina de goma.

Cuanta más elevada es la velocidad o más intensa la gravedad, mayor es la curvatura del tiempo, más conocida como dilatación. Sobre esta suposición se basa la teoría física de los viajes en el tiempo, ya que algunos científicos han usado estas distorsiones en el tiempo espacial para pensar posibles maneras en que podrían funcionar las máquinas de tiempo.

Jon Miller, del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics y Jeroen Homan, del Center for Space Research del MIT, en Massachussetts, han observado la distorsión del espacio tiempo por efecto de la gravedad con el satélite de la NASA Rossi X-ray Timing Explorer. Según Miller, autor de un artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters, los datos obtenidos demostrarían las predicciones de Einstein acerca de la naturaleza difícilmente conocible de los agujeros negros.

Desvelados por los rayos X

Un agujero negro es una región del espacio donde las fuerzas gravitacionales son tan grandes que ni siquiera la luz puede evadirlas. Los gases y el polvo que le rodean se arremolinan a su alrededor y acaban cayendo dentro de él como el agua en una vasija.

Este proceso genera copiosas cantidades de luz, predominantemente de radiaciones de rayos X, sobre todo en las regiones más internas del llamado “disco de acrecimiento”, que se define como una estructura en forma de disco alrededor de un objeto central masivo.

Cerca del agujero negro, la gravedad es más intensa, pero la luz puede todavía encontrar un escape hacia el exterior de su atracción gravitacional. En esa “huida” de la luz hacia fuera, ésta pierde una energía que se emite en forma de rayos X, que los científicos pueden estudiar con telescopios de rayos X como el Rossi Explorer. De esta forma, es posible el acercamiento a los agujeros negros, que por su naturaleza oscura resultan prácticamente inasequibles.

La importancia de las mediciones de Miller y Homan radica en que, por primera vez, se ha descubierto una conexión entre dos características importantes que nos llegan a través de la observación de los agujeros negros: las llamadas “oscilaciones quasi-periódicas” u QPOs, y la amplitud de la línea k de las emisiones de los gases de hierro que rodean a los agujeros.

Coincidencia y cercanía

Las oscilaciones quasi-periódicas o QPOs hacen referencia a la forma en que la luz de los rayos X parece parpadear. La amplitud de la línea k de los gases de hierro describe las formas registradas en los espectros electromagnéticos de los rayos X (estos espectros son una herramienta con la que los científicos analizan ciertas características de la luz, como su energía).

La luz procedente de los átomos de los gases del hierro, al caer al interior del agujero negro, emite una frecuencia específica que crea una línea brillante en el espectro. Esta línea se ensancha, o se estrecha para bajas energías, debido a que la luz pierde energía cuando sale de un campo gravitacional.

Usando el Rossi Explorer, Miller y Homan han estudiado un agujero negro bautizado como GRS 1945+105, situado a unos 40.000 años luz de la Tierra, en la constelación de Águila. Los científicos notaron que una baja frecuencia QPO de 1 a 2 hertzios estaba relacionada con ciertos cambios en la línea k.

El hecho de que ambas señales se encuentren en sincronía y no se vean afectadas por otros fenómenos, sugiere que ambas suceden muy cerca del agujero negro. Y esto, dicen los científicos, elimina una teoría que afirmaba que las líneas k de los gases de hierro se originaban lejos del agujero negro.

Nuevas cuestiones

El descubrimiento genera sin embargo la siguiente pregunta: ¿qué causa la conexión entre ambas mediciones? La alta frecuencia QPOs parece provenir de la materia que gira alrededor del agujero negro, que brilla intensamente. La materia se mueve mucho más rápido alrededor de un agujero negro que en cualquier otro lugar. Las frecuencias que se registran son, por lo tanto, de cientos de hertzios, o de cientos de revoluciones del disco de acrecimiento por segundo.

En cambio, las bajas frecuencias QPOs son un profundo misterio. Normalmente son de 1 a 10 hertzios y son muy comunes en muchos sistemas binarios con agujeros negros. Un sistema binario es aquel formado por dos estrellas, que puede estar compuesto asimismo por un agujero negro.

Miller y Homan afirman que estas bajas QPO del sistema del agujero negro GRS 1915+105 pueden deberse a una deformación del espacio-tiempo. En este caso, el oscilamiento de la frecuencia baja QPO estaría causado por el arrastre de la estructura geométrica del espacio situado alrededor del agujero negro. Es lo que se conoce como el “efecto Lense-Thirring”, desarrollado a partir de la Teoría General de la Relatividad de Einstein.

El efecto Lense-Thirring

Enunciado en 1997 y recientemente también verificado, el efecto Lense-Thirring es el que describe el movimiento rotatorio de la Tierra. Este efecto consiste en el "arrastre" de la estructura geométrica del espacio-tiempo debido al movimiento del cuerpo que origina al campo gravitatorio-inercial.

La rotación de la Tierra o de cualquier otro cuerpo debería producir -según la Relatividad General- un arrastre de la estructura geométrica que su propia masa genera al curvar el espacio-tiempo.

La deformación espacio temporal podría incrementar la superficie del área del disco de acrecimiento. La amplitud de las líneas k depende de la superficie de dicha área. Así, este incremento momentáneo en la superficie del área, que oscila entre 1 ó 2 hertzios, podría explicar los cambios repetitivos observados en las líneas k de los gases de hierro.

Cada vez que el gas de hierro encuentra la deformación del espacio tiempo, la luz sufre una sacudida y el ancho de las líneas k modifica su apariencia.

Miller y Homan advierten de que ésta es sólo una de las posibles explicaciones derivadas de sus observaciones, y de que otras explicaciones también serían posibles. Lo que parece claro, dicen los científicos, es que parece haber una conexión entre las QPOs y el ancho de las líneas k, lo que significa que los científicos están más cerca que nunca de conocer como nunca la realidad de los agujeros negros.